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 <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

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