【Android】Android刷机的底层原理

沐怡旸
40 阅读8分钟

以下将为你深入浅出地解析Android刷机背后涉及的底层原理。刷机不仅仅是“点一下按钮”，它是一系列对设备底层固件和软件进行深度操作的过程。理解这些原理，不仅能让你更安全地刷机，更能让你深刻理解Android系统的启动和运行机制。

我们将从以下几个核心部分展开：

  1. Android系统的分区结构
  2. Bootloader（引导程序）的解锁
  3. Recovery模式与自定义Recovery
  4. Fastboot协议与底层刷机
  5. 系统镜像与刷机包
  6. 刷机流程的完整串联

1. Android系统的分区结构：手机的“硬盘分区”

你可以把Android设备的内部存储想象成一块硬盘，它被划分成多个独立的分区，每个分区都有其特定的用途。刷机的本质就是替换这些分区中的内容。

  • boot分区：

    • 内容：包含内核和ramdisk。
    • 作用：这是系统启动的第二步（第一步是Bootloader）。内核是操作系统的核心，负责管理CPU、内存、设备驱动等。ramdisk是一个临时的根文件系统，它挂载并启动真正的系统分区。
    • 刷机影响：刷入一个新的boot.img可以更新内核或修改启动初期的初始化进程。

  • system分区：

    • 内容：存放Android系统本身，包括系统APP、框架、库文件等。这相当于PC上的C:\Windows。
    • 作用：提供完整的Android用户界面和功能。
    • 刷机影响：我们刷官方ROM或AOSP ROM，主要就是替换这个分区。在A/B系统无缝更新中，它被分为system_a和system_b。

  • vendor分区：

    • 内容：包含设备制造商提供的闭源驱动、硬件抽象层和特定功能的应用。
    • 作用：隔离SoC厂商的代码，使得Android框架可以更通用。这是Project Treble的核心。
    • 刷机影响：刷入特定机型的ROM时，必须包含匹配的vendor.img，否则可能导致硬件无法正常工作。

  • recovery分区：

    • 内容：一个独立的、精简的Linux操作系统，主要用于系统维护和更新。
    • 作用：官方Recovery可以执行OTA更新、清除数据等。我们刷入的TWRP等自定义Recovery就放在这里。
    • 刷机影响：刷入自定义Recovery是刷入第三方ROM和获取Root权限的关键一步。

  • data分区：

    • 内容：用户安装的应用、个人数据、设置等。
    • 作用：用户的“个人空间”。
    • 刷机影响：执行“清除数据/恢复出厂设置”就是格式化此分区。刷机时通常需要执行此操作以避免兼容性问题。

  • bootloader分区：

    • 内容：设备上电后运行的第一个程序。
    • 作用：初始化硬件，验证后续分区的完整性，并决定启动到哪个系统（如正常系统、Recovery或Fastboot模式）。

  • A/B系统分区：

    • 原理：为了实现无缝更新，boot, system, vendor等关键分区都有两个副本（_a和_b）。系统从其中一个（如a槽）运行时，可以在后台更新另一个（b槽）。更新完成后，重启时Bootloader会切换到已更新的槽位。如果更新失败，可以回退到旧槽位，提高了系统可靠性。

2. Bootloader（引导程序）的解锁：拿到刷机的“钥匙”

这是刷机的第一步，也是最关键的安全门槛。

  • 原理：Bootloader是设备启动链的根，它被设备制造商严格锁定。锁定的Bootloader会使用加密签名验证boot和recovery等分区的完整性，确保它们来自官方且未被篡改。这保证了系统的安全性和完整性。
  • 解锁：
    • 官方解锁：部分厂商提供官方解锁渠道，通过fastboot flashing unlock命令实现。执行此命令后，Bootloader会允许刷入未经验证的分区镜像。
    • 底层操作：解锁操作通常会在设备的特定分区（如misc）写入一个标记，或者清除一个用于验证的密钥。此后，Bootloader检测到这个标记，就会跳过签名验证。
  • 后果：解锁会清除data分区，这是出于安全考虑，防止恶意软件利用解锁状态访问之前的用户数据。

3. Recovery模式与自定义Recovery：系统维护的“安全屋”

Recovery是一个独立的小型操作系统。

  • 官方Recovery：

    • 功能有限，通常只能安装经过官方签名的OTA更新包、清除数据等。
    • 它通过一个简单的菜单或通过ADB接收命令来工作。

  • 自定义Recovery（如TWRP）：

    • 原理：我们通过fastboot flash recovery twrp.img将官方的recovery分区替换为功能更强大的TWRP。
    • 功能：
      • 图形化界面：支持触摸操作。
      • 安装Zip包：可以刷入第三方ROM、Magisk（Root）、GApps等ZIP格式的刷机包。
      • 完整备份：可以创建整个系统分区的完整镜像备份。
      • 文件管理：内置文件管理器，可以手动操作分区内的文件。
      • ADB Sideload：通过电脑的ADB推送并安装刷机包。

4. Fastboot协议与底层刷机：与Bootloader的“直接对话”

Fastboot是一个在Bootloader环境中运行的协议。

  • 原理：当设备进入Fastboot模式时，它运行的是一个非常底层的程序，这个程序通过USB与PC通信，接受简单的命令来直接读写各个分区。
  • 命令示例：
    • fastboot devices：检查设备连接。
    • fastboot flash boot boot.img：刷入boot分区镜像。
    • fastboot flash recovery twrp.img：刷入recovery分区镜像。
    • fastboot flashing unlock：解锁Bootloader。
    • fastboot -w：擦除用户数据分区。
  • 底层本质：Fastboot命令直接操作闪存上的分区表，进行原始的、块级别的读写。这是最强大也是最危险的刷机方式，一旦刷错分区，极易导致设备“变砖”。

5. 系统镜像与刷机包：刷机的“弹药”

  • 工厂镜像：

    • 格式：通常是一个压缩包，包含各个分区的原始镜像文件（.img），如boot.img, system.img, vendor.img, recovery.img等。
    • 刷写方式：通过Fastboot命令逐个刷入对应分区。这是最彻底的刷机方式。

  • OTA包：

    • 格式：一个ZIP文件，但它不包含完整的系统镜像，而是包含新旧版本之间的差分文件。
    • 原理：在Recovery模式下，一个名为updater的二进制程序会读取包内的脚本，将差分补丁应用到现有的system等分区上，从而完成更新。这种方式体积小，下载快。

  • 自定义ROM Zip包：

    • 格式：一个ZIP文件，但其内部结构和刷机逻辑由开发者定义。
    • 原理：在自定义Recovery中，一个脚本解释器会执行Zip包内的updater-script文件。这个脚本使用Edify语言，它定义了具体的操作，如：
      • ui_print：显示信息。
      • mount：挂载分区。
      • package_extract_dir：解压文件到指定分区。
      • set_perm：设置文件权限。
      • run_program：执行外部程序。

6. 刷机流程的完整串联

让我们以一个典型的刷机流程来串联以上所有原理：

  1. 解锁Bootloader：

    • 在开发者选项中启用OEM解锁和USB调试。
    • 手机进入Fastboot模式，连接电脑。
    • 执行fastboot flashing unlock。此时，Bootloader被解锁，允许刷入未签名的镜像。手机会自动清除data分区。

  2. 刷入自定义Recovery：

    • 仍在Fastboot模式下，执行fastboot flash recovery twrp.img。这个命令将TWRP的镜像直接写入到recovery分区，覆盖了官方的Recovery。

  3. 刷入第三方ROM：

    • 将ROM的Zip包拷贝到手机存储或通过ADB Sideload推送。
    • 关机，然后通过按键组合（如 电源+音量加）启动到Recovery模式。由于recovery分区已被替换，此时启动的是TWRP。
    • 在TWRP中，选择“安装”，找到ROM的Zip包并刷入。
    • TWRP会解析Zip包内的updater-script，执行格式化system、vendor分区，解压文件，设置权限等一系列操作。
    • 最后，脚本可能会要求你刷入一个兼容的boot.img，或者脚本自己会帮你刷入。

  4. 获取Root权限：

    • 在TWRP中，继续刷入Magisk的Zip包。
    • Magisk的工作原理是：它不会修改系统的boot.img，而是创建一个修补后的boot.img并刷入。这个修补后的镜像在启动初期会加载Magisk的环境，从而实现系统级的权限管理，同时巧妙地规避了系统的完整性检查。

  5. 首次启动：

    • 在TWRP中选择重启到系统。
    • Bootloader加载被修改过的boot.img。
    • 内核启动，ramdisk初始化，然后挂载新的system分区。
    • Android系统启动，你看到了全新的ROM界面。

总结与风险

底层原理核心：刷机就是利用Bootloader和Recovery这两个底层接口，通过Fastboot或自定义Recovery环境，对设备存储上的各个独立分区进行擦除和写入的过程。

风险提示：

  • 变砖：错误地刷写了不兼容的分区，可能导致设备无法启动。
  • 硬件损坏：极少数情况下，刷入错误的基带或驱动可能导致射频模块损坏。
  • 安全风险：解锁和Root会降低系统安全等级，使设备更易受到恶意软件攻击。
  • 数据丢失：刷机过程通常会清除数据，务必提前备份。
avatar
文章
阅读
粉丝