Google Android bootloader 和 Google Android OS 之間的關係及架構

 最近因為有些專案 ，都是用到 Google Android 作業系統。雖然 Google Android 作業系統出來很久了。但是對於不常使用 Google Android 作業系統的人，是不清楚 Google Android bootloader 和 Google Android OS 之間的關係及架構？所以就花點時間整理一下資料。

前言：一個簡單的譬喻

您可以將 Bootloader 和 Android OS 的關係想像成電腦的 BIOS/UEFI 和 Windows/macOS 作業系統的關係，或者更生活化一點：

• Bootloader (啟動載入程式)：就像是汽車的點火系統和安全檢查電腦。它的工作很單純但至關重要：確認所有基本零件（引擎、電路）都正常，然後轉動鑰匙啟動引擎。

• Android OS (安卓作業系統)：就像是汽車的引擎、變速箱、儀表板和整個駕駛艙。一旦點火系統完成工作，引擎（作業系統核心）就會接手，讓您能真正地開車、聽音樂、開空調。

點火系統（Bootloader）只在啟動的瞬間工作，一旦引擎（OS）運轉起來，它的任務就結束了。

詳細說明

1. 什麼是 Android Bootloader？

Bootloader 是一段在 Android OS 核心（Kernel）啟動之前執行的低階程式碼。它被燒錄在裝置的一個特定記憶體分區（通常是 eMMC 或 UFS 晶片上的一個受保護區域），是手機通電後，除了晶片內部固化的 Boot ROM 之外，最先執行的軟體之一。

主要職責：

1. 硬體初始化 (Hardware Initialization)：檢查並初始化最核心的硬體，例如處理器（CPU）、記憶體（RAM）、快閃記憶體（Storage）等，為載入作業系統準備好最基本的運行環境。

2. 安全性驗證 (Security Verification)：這是 Bootloader 最重要的功能之一。它會檢查接下來要載入的分割區（如 boot、system、vendor 分割區）的數位簽章是否正確且來自受信任的來源（通常是裝置製造商）。如果驗證失敗（例如，您刷了一個未經簽名的第三方 ROM），一個安全的 Bootloader 會拒絕啟動，以保護裝置和資料安全。這就是所謂的「安全啟動鏈」(Chain of Trust)。

3. 載入作業系統核心 (Loading the OS Kernel)：當硬體準備好且軟體驗證通過後，Bootloader 會從 boot 分割區找到 Android 的 Linux 核心（Kernel）和 Ramdisk（一個小型的初始檔案系統），將它們載入到 RAM 中。

4. 移交控制權 (Handing Over Control)：將核心載入到記憶體後，Bootloader 就會將 CPU 的控制權完全交給 Kernel。從這一刻起，Bootloader 的任務就完成了，接下來就是 Android OS 的啟動流程。

5. 提供特殊模式 (Providing Special Modes)：Bootloader 也負責偵測使用者是否按下了特殊的組合鍵（例如 音量下 + 電源鍵），以進入 Fastboot Mode 或 Download Mode。在這些模式下，使用者可以透過電腦對手機進行刷機、解鎖或診斷。

2. 什麼是 Android OS？

Android OS 是我們每天在手機上互動的那個完整、複雜的作業系統。它建立在 Linux 核心之上，包含了一整套完整的軟體堆疊，從底層的硬體抽象層（HAL）到應用程式框架，再到我們看到的應用程式（App）。

主要組成部分 (由下至上)：

1. Linux 核心 (Linux Kernel)：作業系統的心臟。負責處理程序管理、記憶體管理、裝置驅動程式（如螢幕、相機、Wi-Fi）等最底層的任務。它是 Bootloader 交接工作的對象。

2. 硬體抽象層 (HAL - Hardware Abstraction Layer)：提供一個標準化的介面，讓上層的 Android 框架可以跟底層的硬體驅動程式溝通，而不需要知道硬體的具體實現細節。

3. Android 執行環境 (ART - Android Runtime)：負責執行 Android 應用程式的程式碼。

4. 原生 C/C++ 函式庫 (Native C/C++ Libraries)：提供許多核心功能，如 SQLite 資料庫、WebKit 瀏覽器引擎、SSL 安全連線等。

5. Java API 框架 (Java API Framework)：開發者用來開發 App 的工具集，提供了視窗管理、活動管理、通知系統等功能。

6. 系統應用程式 (System Apps)：手機一出廠就內建的應用程式，如電話、聯絡人、設定、相機等。

3. 架構與啟動流程

整個啟動流程是一個線性的、環環相扣的信任鏈 (Chain of Trust)：

1. 開機 (Power On)

2. Boot ROM (晶片內固化程式)：執行晶片製造商寫死的程式碼，驗證並載入 Bootloader。

3. Bootloader：

   • 初始化基本硬體。

   • 驗證 boot 分割區的簽章。

   • 若通過，將 Linux Kernel 和 Ramdisk 載入記憶體。

   • 將控制權交給 Linux Kernel。

4. Android OS：

   • Linux Kernel 啟動，並掛載根檔案系統。

   • Kernel 啟動第一個使用者空間的行程 init。

   • init 行程開始啟動 Android 的所有服務，如 Zygote（應用程式的孵化器）、SurfaceFlinger（畫面管理器）、媒體服務等。

   • 最後，啟動主畫面（Launcher），使用者看到手機桌面，啟動完成。

總結比較表格

總而言之，Bootloader 是 Android OS 的基礎和起點。它確保了一個安全可靠的環境，然後才將舞台交給 Android OS 這個主角，讓它為使用者提供豐富多彩的功能和體驗。沒有 Bootloader 的成功驗證和載入，Android OS 根本沒有機會執行。

Google Android Bootloader 和 Google Android OS 之間關係及架構的詳細示意圖：

這是一張詳細說明「Google Android Bootloader 和 Google Android OS 之間關係及架構示意圖」的表格。這張表格將逐一解釋圖中的各個區塊、箭頭和流程。

Google Android 啟動架構示意圖解析 (Bootloader 到 OS)