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Android HAL实例解析

2012-01-30 14:19 501 查看

华清远见讲师刘洪涛

一、概述
本文希望通过分析台湾的Jollen的mokoid 工程代码，和在s5pc100平台上实现过程种遇到的问题，解析Andorid HAL的开发方法。

二、HAL介绍
现有HAL架构由Patrick Brady (Google) 在2008 Google I/O演讲中提出的，如下图。

Android的HAL是为了保护一些硬件提供商的知识产权而提出的，是为了避开linux的GPL束缚。思路是把控制硬件的动作都放到了Android HAL中，而linux driver仅仅完成一些简单的数据交互作用，甚至把硬件寄存器空间直接映射到user space。而Android是基于Aparch的license，因此硬件厂商可以只提供二进制代码，所以说Android只是一个开放的平台，并不是一个开源的平台。也许也正是因为Android不遵从GPL，所以Greg Kroah-Hartman才在2.6.33内核将Andorid驱动从linux中删除。GPL和硬件厂商目前还是有着无法弥合的裂痕。Android想要把这个问题处理好也是不容易的。

总结下来，Android HAL存在的原因主要有：

1. 并不是所有的硬件设备都有标准的linux kernel的接口

2. KERNEL DRIVER涉及到GPL的版权。某些设备制造商并不原因公开硬件驱动，所以才去用HAL方式绕过GPL。

3. 针对某些硬件，An有一些特殊的需求

三、HAL内容1、HAL 主要的储存于以下目录：
（注意：HAL在其它目录下也可以正常编译）

l libhardware_legacy/ - 旧的架构、采取链接库模块的观念进行

l libhardware/ - 新架构、调整为 HAL stub 的观念

l ril/ - Radio Interface Layer

l msm7k QUAL平台相关

主要包含以下一些模块：Gps、Vibrator、Wifi、Copybit、Audio、Camera、Lights、Ril、Overlay等。

2、两种 HAL 架构比较

目前存在两种HAL架构，位于libhardware_legacy目录下的“旧HAL架构”和位于libhardware目录下的“新HAL架构”。两种框架如下图所示。

（2）经过Manager调用service

上面两种方法应该说是各有优缺点，第一种方法简单高效，但不正规。第二种方法实现起来比较复杂，但更符合目前的Android框架。第二种方法中，LegManager和LedService（java）在两个进程中，需要通过进程通讯的方式来通讯。

mokoid工程中实现了上述两种方法。下面将详细介绍这两种方法的实现原理。

4、第一种方法：直接调用service方法的实现过程
下面分析第一种方法中，各层的关键代码。

（1）HAL层
一般来说HAL moudle需要涉及的是三个关键结构体：

struct hw_module_t;

struct hw_module_methods_t;

struct hw_device_t;

下面结合代码说明这3个结构的用法。部分代码经过修改，后面的章节会给出修改的原因。

文件：mokoid-read-only/hardware/modules/include/mokoid/led.h

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struct led_module_t {
struct hw_module_t common;
};
//HAL 规定不能直接使用hw_module_t结构，因此需要做这么一个继承。
struct led_control_device_t {
//自定义的一个针对Led控制的结构，包含hw_device_t和支持的API操作
struct hw_device_t common;
/* attributes */
int fd; //可用于具体的设备描述符
/* supporting control APIs go here */
int (*set_on)(struct led_control_device_t *dev, int32_t led);
int (*set_off)(struct led_control_device_t *dev, int32_t led);
};
#define LED_HARDWARE_MODULE_ID "led"
//定义一个MODULE_ID，HAL层可以根据这个ID找到我们这个HAL stub

文件：mokoid-read-only/hardware/modules/led/led.c

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#define LOG_TAG "MokoidLedStub"
#include <hardware/hardware.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <cutils/log.h>
#include <cutils/atomic.h>
//#include <mokoid/led.h>
#include "../include/mokoid/led.h"
/*****************************************************************************/

int fd; //硬件led的设备描述符。你也可以用led_control_device_t结构中定义的fd
#define GPG3DAT2_ON 0x4800 //ioctl控制命令
#define GPG3DAT2_OFF 0x4801
int led_device_close(struct hw_device_t* device)
{
struct led_control_device_t* ctx = (struct led_control_device_t*)device;

if (ctx) {
free(ctx);
}
close(fd);
return 0;
}
int led_on(struct led_control_device_t *dev, int32_t led)
{
LOGI("LED Stub: set %d on.", led);
ioctl(fd,GPG3DAT2_ON,NULL); //控制Led亮灭，和硬件相关
return 0;
}
int led_off(struct led_control_device_t *dev, int32_t led)
{
LOGI("LED Stub: set %d off.", led);
return 0;
}
static int led_device_open(const struct hw_module_t* module, const char* name,

struct hw_device_t** device)
{
struct led_control_device_t *dev;
dev = (struct led_control_device_t *)malloc(sizeof(*dev));
memset(dev, 0, sizeof(*dev));
dev->common.tag = HARDWARE_DEVICE_TAG;
dev->common.version = 0;
dev->common.module = module;
dev->common.close = led_device_close;
dev->set_on = led_on; //实例化支持的操作
dev->set_off = led_off;
*device = &dev->common; //将实例化后的led_control_device_t地址返回给jni层
//这样jni层就可以直接调用led_on、led_off、led_device_close方法了。
if((fd=open("/dev/led",O_RDWR))==-1) //打开硬件设备
{
LOGE("LED open error");
}
else
LOGI("open ok");
success:
return 0;
}
static struct hw_module_methods_t led_module_methods = {
open: led_device_open
};
const struct led_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {
//定义这个对象等于向系统注册了一个ID为LED_HARDWARE_MODULE_ID的stub。注意这里HAL_MODULE_INFO_SYM的名称不能改。

common: {
tag: HARDWARE_MODULE_TAG,
version_major: 1,
version_minor: 0,
id: LED_HARDWARE_MODULE_ID,
name: "Sample LED Stub",
author: "The Mokoid Open Source Project",
methods: &led_module_methods, //实现了一个open的方法供jni层调用，
//从而实例化led_control_device_t
}
/* supporting APIs go here */
};

（2）JNI层
文件：mokoid-read-only/frameworks/base/service/jni/com_mokoid_server_LedService.cpp

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struct led_control_device_t *sLedDevice = NULL;

static jboolean mokoid_setOn(JNIEnv* env, jobject thiz, jint led)
{
LOGI("LedService JNI: mokoid_setOn() is invoked.");

if (sLedDevice == NULL) {
LOGI("LedService JNI: sLedDevice was not fetched correctly.");
return -1;
} else {
return sLedDevice->set_on(sLedDevice, led);//调用hal层的注册的方法
}
}

static jboolean mokoid_setOff(JNIEnv* env, jobject thiz, jint led)
{
LOGI("LedService JNI: mokoid_setOff() is invoked.");

if (sLedDevice == NULL) {
LOGI("LedService JNI: sLedDevice was not fetched correctly.");
return -1;
} else {
return sLedDevice->set_off(sLedDevice, led); //调用hal层的注册的方法
}
}

/** helper APIs */
static inline int led_control_open(const struct hw_module_t* module,
struct led_control_device_t** device) {
return module->methods->open(module,
LED_HARDWARE_MODULE_ID, (struct hw_device_t**)device);
//这个过程非常重要，jni通过LED_HARDWARE_MODULE_ID找到对应的stub
}

static jboolean mokoid_init(JNIEnv *env, jclass clazz)
{
led_module_t* module;
LOGI("jni init-----------------------.");
if (hw_get_module(LED_HARDWARE_MODULE_ID, (const hw_module_t**)&module) == 0) {

//根据LED_HARDWARE_MODULE_ID找到hw_module_t，参考hal层的实现
LOGI("LedService JNI: LED Stub found.");
if (led_control_open(&module->common, &sLedDevice) == 0) {
//通过hw_module_t找到led_control_device_t
LOGI("LedService JNI: Got Stub operations.");
return 0;
}
}

LOGE("LedService JNI: Get Stub operations failed.");
return -1;
}

/*
* Array of methods.
* Each entry has three fields: the name of the method, the method
* signature, and a pointer to the native implementation.
*/
static const JNINativeMethod gMethods[] = {
{ "_init", "()Z", (void *)mokoid_init },//Framework层调用_init时促发
{ "_set_on", "(I)Z", (void *)mokoid_setOn },
{ "_set_off", "(I)Z", (void *)mokoid_setOff },
};
/*
*JNINativeMethod是jni层注册的方法，Framework层可以使用这些方法
*_init 、_set_on、_set_off是在Framework中调用的方法名称，函数的类型及返回值如下：
*（）Z 无参数返回值为bool型
* (I)Z 整型参数返回值为bool型
*/
static int registerMethods(JNIEnv* env) {
static const char* const kClassName =
"com/mokoid/server/LedService";//注意：必须和你Framework层的service类名相同
jclass clazz;
/* look up the class */
clazz = env->FindClass(kClassName);
if (clazz == NULL) {
LOGE("Can't find class %s\n", kClassName);
return -1;
}
/* register all the methods */
if (env->RegisterNatives(clazz, gMethods,
sizeof(gMethods) / sizeof(gMethods[0])) != JNI_OK)
{
LOGE("Failed registering methods for %s\n", kClassName);
return -1;
}
/* fill out the rest of the ID cache */
return 0;
}
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {//Framework层加载jni库时调用
JNIEnv* env = NULL;
jint result = -1;
LOGI("JNI_OnLoad LED");
if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
LOGE("ERROR: GetEnv failed\n");
goto fail;
}
assert(env != NULL);
if (registerMethods(env) != 0) { //注册你的JNINativeMethod
LOGE("ERROR: PlatformLibrary native registration failed\n");
goto fail;
}
/* success -- return valid version number */
result = JNI_VERSION_1_4;
fail:
return result;
}

（3）service （属于Framework层）
文件：frameworks/base/service/java/com/mokoid/server/LedService.java

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package com.mokoid.server;
import android.util.Config;
import android.util.Log;
import android.content.Context;
import android.os.Binder;
import android.os.Bundle;
import android.os.RemoteException;
import android.os.IBinder;
import mokoid.hardware.ILedService;
public final class LedService extends ILedService.Stub {
//对于这种直接模式不需要进程通讯，所以可以不加extends ILedService.Stub，此处加上主要是为了后面的第二种模式.
static {
System.load("/system/lib/libmokoid_runtime.so");//加载jni的动态库
}
public LedService() {
Log.i("LedService", "Go to get LED Stub...");
_init();
}
/*
* Mokoid LED native methods.
*/
public boolean setOn(int led) {
Log.i("MokoidPlatform", "LED On");
return _set_on(led);
}
public boolean setOff(int led) {
Log.i("MokoidPlatform", "LED Off");
return _set_off(led);
}
private static native boolean _init(); //声明jni库可以提供的方法
private static native boolean _set_on(int led);
private static native boolean _set_off(int led);
}

（4）APP 测试程序（属于APP层）
文件：apps/LedClient/src/com/mokoid/LedClient/LedClient.java

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package com.mokoid.LedClient;
import com.mokoid.server.LedService;// 导入Framework层的LedService
import android.app.Activity;
import android.os.Bundle;
import android.widget.TextView;

public class LedClient extends Activity {
@Override
public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
// Call an API on the library.
LedService ls = new LedService(); //实例化LedService
ls.setOn(1); //通过LedService提供的方法，控制底层硬件
ls.setOff(2);

TextView tv = new TextView(this);
tv.setText("LED 1 is on. LED 2 is off.");
setContentView(tv);
}
}

5、第二种方法：经过Manager调用service
HAL、JNI两层和第一种方法一样，所以后面只分析其他的层次。

（1）Manager （属于Framework层）
APP通过这个Manager和service通讯。

文件：mokoid-read-only /frameworks/base/core/java/mokoid/hardware/LedManager.java

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package mokoid.hardware;
import android.content.Context;
import android.os.Binder;
import android.os.Bundle;
import android.os.Parcelable;
import android.os.ParcelFileDescriptor;
import android.os.Process;
import android.os.RemoteException;
import android.os.Handler;
import android.os.Message;
import android.os.ServiceManager;
import android.util.Log;
import mokoid.hardware.ILedService;

/*
* Class that lets you access the Mokoid LedService.
*/
public class LedManager
{
private static final String TAG = "LedManager";
private ILedService mLedService;
public LedManager() {
mLedService = ILedService.Stub.asInterface(ServiceManager.getService("led"));

/*
*这一步是关键，利用ServiceManager获取到LedService，从而调用它提供的方法。这要求LedService必
*须已经添加到了ServiceManager中，这个过程将在App中的一个service进程中完成。
*/
if (mLedService != null) {
Log.i(TAG, "The LedManager object is ready.");
}
}
public boolean LedOn(int n) {
boolean result = false;
try {
result = mLedService.setOn(n);
} catch (RemoteException e) {
Log.e(TAG, "RemoteException in LedManager.LedOn:", e);
}
return result;
}
public boolean LedOff(int n) {
boolean result = false;
try {
result = mLedService.setOff(n);
} catch (RemoteException e) {
Log.e(TAG, "RemoteException in LedManager.LedOff:", e);
}
return result;
}
}

因为LedService和LedManager在不同的进程，所以要考虑到进程通讯的问题。Manager通过增加一个aidl文件来描述通讯接口。

文件：mokoid-read-only/frameworks/base/core/java/mokoid/hardware/ILedService.aidl

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package mokoid.hardware;
interface ILedService
{
boolean setOn(int led);
boolean setOff(int led);
}
//系统的aidl工具会将ILedService.aidl文件ILedService.java文件，实现了ILedService

（2）SystemServer （属于APP层）
文件：mokoid-read-only/apps/LedTest/src/com/mokoid/LedTest/LedSystemServer.java

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package com.mokoid.LedTest;
import com.mokoid.server.LedService;
import android.os.IBinder;
import android.os.ServiceManager;
import android.util.Log;
import android.app.Service;
import android.content.Context;
import android.content.Intent;

public class LedSystemServer extends Service {
//注意这里的Service是APP中的概念，代表一个后台进程。注意区别和Framework中的service的概念。
@Override
public IBinder onBind(Intent intent) {
return null;
public void onStart(Intent intent, int startId) {
Log.i("LedSystemServer", "Start LedService...");

/* Please also see SystemServer.java for your interests. */
LedService ls = new LedService();
try {
ServiceManager.addService("led", ls); //将LedService添加到ServiceManager中

} catch (RuntimeException e) {
Log.e("LedSystemServer", "Start LedService failed.");
}
}
}

（3）APP 测试程序（属于APP层）
文件：mokoid-read-only/apps/LedTest/src/com/mokoid/LedTest/LedTest.java

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package com.mokoid.LedTest;
import mokoid.hardware.LedManager;
import com.mokoid.server.LedService;
import android.app.Activity;
import android.os.Bundle;
import android.util.Log;
import android.widget.TextView;
import android.widget.Button;
import android.content.Intent;
import android.view.View;

public class LedTest extends Activity implements View.OnClickListener {
private LedManager mLedManager = null;
@Override
public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
// Start LedService in a seperated process.
startService(new Intent("com.mokoid.systemserver"));//开启后台进程
Button btn = new Button(this);
btn.setText("Click to turn LED 1 On");
btn.setOnClickListener(this);
setContentView(btn);
}
public void onClick(View v) {
// Get LedManager.
if (mLedManager == null) {
Log.i("LedTest", "Creat a new LedManager object.");
mLedManager = new LedManager(); //实例化Framework层中的Manager
}
if (mLedManager != null) {
Log.i("LedTest", "Got LedManager object.");
}
/** Call methods in LedService via proxy object
* which is provided by LedManager.
*/
mLedManager.LedOn(1);
TextView tv = new TextView(this);
tv.setText("LED 1 is On.");
setContentView(tv);
}
}

五、实验中需要注意的问题
将下载后的源码放到你的android源码目录下，然后编译系统。本实验用的android版本为2.1。实验的过程中大致出现过以下几个问题：

1、目标系统中没有生成LedClient.apk或LedTest.apk应用程序
编译完成后，没有在目标系统的system/app/目录下找到LedClient.apk或LedTest应用程序。只有通过单独编译LedClient或LedTest才能在目标目录中生成。方法如下：

#mmm mokoid-read-only/apps/LedTest/

检查原因后发现mokoid-read-only/apps/LedTest/Android.mk

LOCAL_MODULES_TAGS :=user

而我们的s5pc100系统在配置时tapas时选择的是eng，所以没有装载到目标系统

所以修改LedTest和LedClient的Android.mk

LOCAL_MODULES_TAGS :=user eng

再次编译即可自动装载到目标系统/system/app/目录下。

2、启动后没有图标，找不到应用程序
目标系统启动后找不到两个应用程序的图标。仔细阅读logcat输出的信息发现：

E/PackageManager( 2717): Package com.mokoid.LedClient requires unavailable shared library com.mokoid.server; failing!

原因是找不到 com.mokoid.server。检查mokoid-read-only/frameworks/base/Android.mk发现系统将LedManager和LedService编译成 mokoid.jar库文件。为了让应用程序可以访问到这个库，需要通过com.mokoid.server.xml 来设定其对应关系。解决方法：拷贝com.mokoid.server.xml到目标系统的system/etc/permissions/目录下

此时两个应用的程序的图标都正常出现了。

3、提示找不到 JNI_OnLoad
按照以前的实验加入下列代码：

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static int registerMethods(JNIEnv* env) {
static const char* const kClassName ="com/mokoid/server/LedService";
jclass clazz;
/* look up the class */
clazz = env->FindClass(kClassName);
if (clazz == NULL) {
LOGE("Can't find class %s\n", kClassName);
return -1;
}
/* register all the methods */
if (env->RegisterNatives(clazz, gMethods,
sizeof(gMethods) / sizeof(gMethods[0])) != JNI_OK)
{
LOGE("Failed registering methods for %s\n", kClassName);
return -1;
}
/* fill out the rest of the ID cache */
return 0;
}
/*
* This is called by the VM when the shared library is first loaded.
*/
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {
JNIEnv* env = NULL;
jint result = -1;
LOGI("JNI_OnLoad LED");
if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
LOGE("ERROR: GetEnv failed\n");
goto fail;
}
assert(env != NULL);
if (registerMethods(env) != 0) {
LOGE("ERROR: PlatformLibrary native registration failed\n");
goto fail;
}
/* success -- return valid version number */
result = JNI_VERSION_1_4;
fail:
return result;
}

4、需要针对你的目标平台修改HAL的Makefile
修改mokoid-read-only/hardware/modules/led/Android.mk

LOCAL_MODULE := led.default

5、在eclipse中编译不了LedSystemServer.java
原因是程序中要用到ServiceManager.addService，这需要系统权限。

解决方法可以把应用程序放入Android源码中编译，并确保以下两点：

（1）在应用程序的AndroidManifest.xml中的manifest节点中加入android:sharedUserId="android.uid.system"这个属性。

（2）修改Android 加入LOCAL_CERTIFICATE := platform.

当然：mokoid工程源码中已经做了这些。

（2）经过Manager调用service

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