Android HAL实例解析

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。

                   图3.1   旧HAL架构                             图3.2  新HAL架构

      libhardware_legacy 是将 *.so 文件当作shared library来使用，在runtime（JNI 部份）以 direct function call 使用 HAL module。通过直接函数调用的方式，来操作驱动程序。当然，应用程序也可以不需要通过 JNI 的方式进行，直接加载 *.so （dlopen）的做法调用*.so 里的符号（symbol）也是一种方式。总而言之是没有经过封装，上层可以直接操作硬件。

    现在的libhardware 架构，就有stub的味道了。HAL stub 是一种代理人（proxy）的概念，stub 虽然仍是以 *.so檔的形式存在，但HAL已经将 *.so 档隐藏起来了。Stub 向 HAL提供操作函数（operations），而 runtime 则是向 HAL 取得特定模块（stub）的 operations，再 callback 这些操作函数。这种以 indirect function call 的架构，让HAL stub 变成是一种包含关系，即 HAL 里包含了许许多多的 stub（代理人）。Runtime 只要说明类型，即 module ID，就可以取得操作函数。对于目前的HAL，可以认为Android定义了HAL层结构框架，通过几个接口访问硬件从而统一了调用方式。

    下面结合实例来分析HAL编程方法。

四、mokoid 工程代码下载与结构分析1、mokid项目概述

    modkoid工程提供了一个LedTest示例程序，是台湾的Jollen用于培训的。对于理解android层次结构、Hal编程方法都非常有意义。

2、下载方法

    #svn checkout http://mokoid.googlecode.com/svn/trunk/mokoid-read-only

3、结构分析

|-- Android.mk  

|-- apps      //两种应用测试方法

|   |-- Android.mk

|   |-- LedClient    //直接调用service来调用jni

|   |   |-- AndroidManifest.xml

|   |   |-- Android.mk

|   |   `-- src

|   |       `-- com

|   |           `-- mokoid

|   |               `-- LedClient

|   |                   `-- LedClient.java     //第1种方式应用程序实现代码

|   `-- LedTest        //通过manager来调用jni

|       |-- AndroidManifest.xml

|       |-- Android.mk

|       `-- src

|           `-- com

|               `-- mokoid

|                   `-- LedTest

|                       |-- LedSystemServer.java  //开启了一个后台service，下文会有解释

|                       `-- LedTest.java    //第2种方式应用程序实现代码

|-- dma6410xp   //这个目录可以不要

|   |-- AndroidBoard.mk

|   |-- AndroidProducts.mk

|   |-- BoardConfig.mk

|   |-- dma6410xp.mk

|   |-- init.dma6410xp.rc

|   |-- init.goldfish.sh

|   `-- init.rc

|-- frameworks     //框架代码

|   |-- Android.mk

|   `-- base

|       |-- Android.mk

|       |-- core

|       |   `-- java

|       |       `-- mokoid

|       |           `-- hardware

|       |               |-- ILedService.aidl

|       |               `-- LedManager.java     //实现了Manager，给第2种方法用

|       `-- service  

|           |-- Android.mk

|           |-- com.mokoid.server.xml

|           |-- java

|           |   `-- com

|           |       `-- mokoid

|           |           `-- server

|           |               `-- LedService.java    //Framework service代码

|           `-- jni

|               |-- Android.mk

|               `-- com_mokoid_server_LedService.cpp  //jni代码

|-- hardware

|   |-- Android.mk

|   |-- libled

|   |   |-- Android.mk

|   |   `-- libled.c

|   `-- modules

|       |-- Android.mk

|       |-- include

|       |   `-- mokoid

|       |       `-- led.h

|       `-- led

|           |-- Android.mk

|           `-- led.c       //led stub 硬件控制代码

`-- README.txt

 

    Android的HAL的实现需要通过JNI(Java Native Interface)，JNI简单来说就是java程序可以调用C/C++写的动态链接库，这样的话，HAL可以使用C/C++语言编写，效率更高。在Android下访问HAL大致有以下两种方式：

  （1）Android的app可以直接通过service调用.so格式的jni

 

 

 

（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

 

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

#define LOG_TAG "MokoidLedStub"
#include
#include
#include
#include
#include
//#include
#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

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

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

 

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

 

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

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

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

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：

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