第三届大会回顾第2期 | HarmonyOS NEXT内核驱动生态兼容与竞争力思考

演讲嘉宾 | 代 杰

回顾整理 | 廖 涛

排版校对 | 宋夕明

嘉宾介绍

OS内核及视窗分论坛

代杰，华为OS内核实验室驱动领域专家。

正文内容

设备驱动程序在内核中扮演着至关重要的角色，其直接与硬件设备交互，为操作系统和应用程序提供硬件操作的接口，并管理系统中的硬件资源。目前，HarmonyOS NEXT的内核驱动在兼容性和竞争力构建上有哪些挑战和机遇？华为OS内核技术专家代杰在第三届OpenHarmony技术大会上进行了精彩分享。

驱动生态复杂度高：既包含了南向生态（面向器件），也包含了部分北向生态（面向应用）；既包含了硬件外设（UFS、GPU等），也包含了虚拟设备（random、loop、dm、dmabuf 等）；既包含了硬件控制器（UFS host），也包含了协议层（SCSI、USB、DRM等）。对于 HarmonyOS NEXT 这样一个新生的操作系统来说，驱动生态对其内核意味着什么？

先让我们看一组数据：在Linux超过3000万行的代码中，有60%是驱动代码，重新开发需要耗费大量的人力和时间成本，且部分厂商不提供源码；以手机为例，驱动超过400个，涉及内核的接口超过1000个，代码量超过400万行。此外，应用生态上有POSIX标准，但驱动生态上却缺乏统一的标准。因此，兼容Linux的驱动生态是从NEXT内核诞生时就需要考虑的问题。

HarmonyOS NEXT内核采取了UDK（Unified Driver Kit）技术，通过统一驱动框架，支持多个后端的方案，使其更好地兼容Linux的驱动生态。该技术的特点主要有：既能运行NDC（Native Driver Container），也能运行LDC（Legacy/Linux Driver Container），且可以几乎零修改兼容Linux的驱动；驱动框架和驱动运行在独立的进程空间。业界与UDK同类的项目如Genode DDEKit、Linux Kernel Library、VMWare vmklinux等，均因性能、兼容性以及版本演进等因素未成功。那么UDK目前面临的核心技术挑战有哪些？

LDC 侧面临的核心技术挑战主要有：（1）如何具备跨 Linux 版本的演进能力？驱动版本碎片化已经成业界痛点，DDEKit 就因跟不上 Linux 版本演进而放弃；（2）两个内核模型如何对接，Linux 内核机制如何在用户态来表达？（3）性能及内存开销问题，例如跨进程通信开销、内存拷贝开销等；（4）与原生容器并存和过渡问题。

针对上述问题（1），可以采用Base + Model架构，分离较为稳定的基础KABI和易变KABI，便于跟随版本演进（DC-Base：包含不易随版本变化的稳定的KABI；DC-Model：包含易变的KABI集合），使其能够在Linux发行版上实现多版本驱动并存功能。

针对上述问题（2），可以采取可扩展内核语义映射框架。Extension：host 侧向 LDC 提供的功能扩展，将 NEXT 内核的能力做一层封装，实现与 Linux 内核基本等价的接口供驱动使用；interface ko：提供 host 与驱动交互通道，完成 host/linux 名字空间转换。

NDC 侧面临的核心技术挑战主要有：（1）目前，NDC 巨量的接口缺失，生态不完备，Linux 面向驱动的上万接口难以重新实现。且短期看，NDC只能运行在受限场景，无法完全舍弃 LDC；（2）用户态的驱动框架性能和宏内核仍存在差距。文件系统和驱动的交互多一次进程间通信，驱动和内存的交互同样需要进程间通信，且交互更为频繁，例如 GPU 驱动需要频繁地申请、释放内存。

针对上述（1）的 NDC 接口缺失问题，NEXT 内核采取 LDC/NDC 多模共存的方案，实现生态上的抽屉式替换。从NDC和LDC的二选一阶段，逐步演进到LDC/NDC的多模同时部署：所有的驱动和设备由 devmgr 同一管理，devmgr 可以路由到“正确”的驱动容器；NDC 可以抽屉式替换 LDC 中的驱动，能够做到实现一个，替换一个，按重要程度逐步替换。此外，采取“孪生驱动”（Twin Driver）模式，针对代码量巨大的驱动，为减小工作量，使用双驱动容器协同方式：将核心的数据路径，和上层应用交互的路径由 NDC 承载，设备节点由 NDC 创建；上下电、初始化等功能仍通过 LDC 承载。

针对上述（2）的性能问题，可以采用 NDC 多态部署方案，实现安全和性能的权衡。NDC 中的关键驱动，例如 UFS 存储设备和 VFS 部署在同一个地址空间，其他驱动则部署在独立的地址空间。同时，中断通过迁移线程模型直通用户态驱动框架，解决传统的中断在用户态处理，需要经过调度的问题，可以将时延压缩到 2us 以内。

未来，随着HarmonyOS NEXT生态和技术的发展，驱动框架作为北向和南向的生态中枢，有很多的机会。例如，提供更多的信息到应用层，实现精准的性能功耗控制；打破传统的分层解耦，简化关键协议、关键路径等等。