Android架构分析之使用自定义硬件抽象层(HAL)模块

作者：刘昊昱 

博客：http://blog.csdn.net/liuhaoyutz

Android版本：2.3.7_r1

Linux内核版本：android-goldfish-2.6.29

参考文章：老罗的Android之旅 http://blog.csdn.net/Luoshengyang/?viewmode=contents

 

在上一篇博客《Android架构分析之硬件抽象层(HAL)》中，我们了解了硬件抽象层的基本数据结构和模块编写规则，现在，我们就来看怎样编写一个自定义的硬件抽象层模块并加入到Android系统中，同时，我们还要介绍应用程序怎样使用我们自定义的硬件抽象层模块。

硬件抽象层的作用是给上层应用程序提供一个访问硬件设备的接口，在本文中，我们要操作的硬件设备是在前面博客文章中创建的/dev/example，该设备的内核驱动的实现可以参考《Android架构分析之Android驱动程序开发》一文。

首先，我们来创建自定义的硬件抽象层模块，同硬件设备名一样，将其命名为example，进入hardware/libhardware/include/hardware目录，创建example.h文件，内容如下：

 1#ifndef ANDROID_EXAMPLE_INTERFACE_H
 2#define ANDROID_EXAMPLE_INTERFACE_H
 3
 4#include 
 5
 6__BEGIN_DECLS
 7
 8/**
 9 * The id of this module
10 */
11#define EXAMPLE_HARDWARE_MODULE_ID "example"
12
13/**
14 * The id of this device
15 */
16#define EXAMPLE_HARDWARE_DEVICE_ID "example
17
18struct example_module_t {
19    struct hw_module_t common;
20};
21
22struct example_device_t {
23    struct hw_device_t common;
24    int fd;
25    int (*set_val)(struct example_device_t* dev, int val);
26    int (*get_val)(struct example_device_t* dev, int* val);
27};
28
29__END_DECLS
30
31#endif

18-20行，我们自定义的硬件抽象层模块类型是example_module_t。按照Android的规定，硬件抽象层模块结构体的第一个成员必须是hw_module_t类型。

22-27行，硬件抽象层模块example访问的设备类型是example_device_t。按照Android的规定，设备结构体的第一个成员必须是hw_device_t类型。fd用来保存打开的设备描述符。set_val函数用来向设备寄存器写数据，get_val函数用来读取设备寄存器。

 

接下来，进入hardware/libhardware/modules目录，创建一个example目录，再在example目录下创建Android.mk和example.cpp两个文件。

Android.mk文件内容如下：

1LOCAL_PATH := $(call my-dir)
2include $(CLEAR_VARS)
3LOCAL_MODULE_TAGS := optional
4LOCAL_PRELINK_MODULE := false
5LOCAL_MODULE_PATH := $(TARGET_OUT_SHARED_LIBRARIES)/hw
6LOCAL_SHARED_LIBRARIES := liblog
7LOCAL_SRC_FILES := example.cpp
8LOCAL_MODULE := example.default
9include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

 

第9行，BUILD_SHARED_LIBRARY参数表示将该硬件抽象层模块编译为动态链接库文件。

第8行，表示编译生成的动态链接库名为example.default.so。

第5行，表示生成的动态链接库文件存放在$(TARGET_OUT_SHARED_LIBRARIES)/hw目录下。

 

example.cpp文件内容如下：

  1#define LOG_TAG "ExampleHALStub"
  2
  3#include 
  4#include 
  5
  6#include 
  7#include 
  8
  9#include 
 10#include 
 11
 12#define DEVICE_NAME "/dev/example"
 13#define MODULE_NAME "Example"
 14#define MODULE_AUTHOR "haoyu"
 15
 16static int example_device_open(const struct hw_module_t* module, const char* id, struct hw_device_t** device);
 17static int example_device_close(struct hw_device_t* device);
 18static int example_set_val(struct example_device_t* dev, int val);
 19static int example_get_val(struct example_device_t* dev, int* val);
 20
 21static struct hw_module_methods_t example_module_methods = {
 22    open: example_device_open
 23};
 24
 25struct example_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {
 26    common: {
 27        tag: HARDWARE_MODULE_TAG,
 28        version_major: 1,
 29        version_minor: 0,
 30        id: EXAMPLE_HARDWARE_MODULE_ID,
 31        name: MODULE_NAME,
 32        author: MODULE_AUTHOR,
 33        methods: &example_module_methods,
 34    }
 35};
 36
 37static int example_device_open(const struct hw_module_t* module, const char* id, struct hw_device_t** device) {
 38    if(!strcmp(id, EXAMPLE_HARDWARE_DEVICE_ID)) {
 39        struct example_device_t* dev;
 40
 41        dev = (struct example_device_t*)malloc(sizeof(struct example_device_t));
 42        if(!dev) {
 43            LOGE("Failed to alloc space for example_device_t.");
 44            return -EFAULT;
 45        }
 46
 47        memset(dev, 0, sizeof(struct example_device_t));
 48
 49        dev->common.tag = HARDWARE_DEVICE_TAG;
 50        dev->common.version = 0;
 51        dev->common.module = (hw_module_t*)module;
 52        dev->common.close = example_device_close;
 53        dev->set_val = example_set_val;
 54        dev->get_val = example_get_val;
 55
 56        if((dev->fd = open(DEVICE_NAME, O_RDWR)) == -1) {
 57            LOGE("Failed to open device file /dev/example -- %s.", strerror(errno));
 58            free(dev);
 59            return -EFAULT;
 60        }
 61
 62        *device = &(dev->common);
 63
 64        LOGI("Open device file /dev/example successfully.");
 65
 66        return 0;
 67    }
 68
 69    return -EFAULT;
 70}
 71
 72static int example_device_close(struct hw_device_t* device) {
 73    struct example_device_t* example_device = (struct example_device_t*)device;
 74    if(example_device) {
 75        close(example_device->fd);
 76        free(example_device);
 77    }
 78
 79    return 0;
 80}
 81
 82static int example_set_val(struct example_device_t* dev, int val) {
 83    if(!dev) {
 84        LOGE("Null dev pointer.");
 85        return -EFAULT;
 86    }
 87
 88    LOGI("Set value %d to device file /dev/example.", val);
 89    write(dev->fd, &val, sizeof(val));
 90
 91    return 0;
 92}
 93
 94static int example_get_val(struct example_device_t* dev, int* val) {
 95    if(!dev) {
 96        LOGE("Null dev pointer.");
 97        return -EFAULT;
 98    }
 99
100    if(!val) {
101        LOGE("Null val pointer.");
102        return -EFAULT;
103    }
104
105    read(dev->fd, val, sizeof(*val));
106
107    LOGI("Get value %d from device file /dev/example.", *val);
108
109    return 0;
110}

21-23行，定义了hw_module_methods_t类型变量example_module_methods，hw_module_methods_t类型只有一个成员变量，即open函数，用来打开指定ID的设备，这里指定open成员为example_device_open函数。

25-35行，按照Android的规定，每个硬件抽象层模块都必须定义一个命名为HAL_MODULE_INFO_SYM的自定义结构体类型的变量。这里对其hw_module_t类型的第一个成员变量进行了初始化。

37-70行，定义了example_device_open函数，该函数用来打开第二个参数id指定的设备，初始化对应该设备的hw_device_t变量，并通过第三个参数device返回。第56行，调用open函数打开指定设备，并将设备描述符保存在dev->fd中。

72-100行，有了设备描述符，后面的代码example_device_close、example_set_val、example_get_val三个函数就是通过该文件描述符，分别调用close，write，read函数执行关闭，写和读操作。

 

执行如下命令编译example HAL模块：

# mmm hardware/libhardware/modules/example

# make snod

这样system.img中就包含我们定义的硬件抽象层模块example.default.so了。

 

为了让Android应用程序能够通过硬件抽象层模块对底层硬件进行操作，我们需要使用AIDL语言创建一个硬件访问服务接口。在Android系统中，硬件访问服务接口通常定义在frameworks/base/core/java/android/os目录中，所以我们在这个目录下创建一个IExampleService.aidl文件，其内容如下：

1package android.os;
2
3interface IExampleService {
4        void setVal(int val);
5        int getVal();
6}

这个文件定义了接口IExampleService，该接口提供了两个函数setVal和getVal，后面我们可以看到，应用程序就是通过调用IExampleService接口的setVal和getVal函数，执行对硬件设备的写和读操作。

 

由于硬件访问服务接口IExampleService是使用AIDL语言描述的，因此，我们需要将其添加到编译脚本文件中，这样编译系统才能将其转换为JAVA文件，然后再对它进行编译。进入frameworks/base目录中，打开里面的Android.mk文件，修改LOCAL_SRC_FILES变量的值：

…
192        voip/java/android/net/sip/ISipSessionListener.aidl \
193        voip/java/android/net/sip/ISipService.aidl \
194        core/java/android/os/IExampleService.aidl
…

下面我们就可以执行如下命令对硬件访问服务接口IExampleService进行编译了：

# mmm frameworks/base/

编译后得到的framework.jar文件就包含有IExampleService接口，其实现文件是out/target/common/obj/JAVA_LIBRARIES/framework_intermediates/src/core/java/android/os/IExampleService.java

打开这个文件，可以看到IExampleService继承了android.os.IInterface接口。在IExampleService接口内部，定义了一个Binder本地对象类Stub，它实现了IExampleService接口，并且继承了android.os.Binder类。另外，在IExampleService.Stub类内部，还定义了一个Binder代理对象类Proxy，它同样也实现了IExampleService接口。

 

前面我们实现了硬件访问服务接口，下面我们来实现硬件访问服务。在Android系统中，通常把硬件访问服务实现在frameworks/base/services/java/com/android/server目录中，进入这个目录，创建ExampleService.java文件，其内容如下：

 1package com.android.server;
 2
 3import android.content.Context;
 4import android.os.IExampleService;
 5import android.util.Slog;
 6
 7public class ExampleService extends IExampleService.Stub {
 8    private static final String TAG = "ExampleService";
 9
10    private int mPtr = 0;
11
12    ExampleService() {
13        mPtr = init_native();
14
15        if(mPtr == 0) {
16            Slog.e(TAG, "Failed to initialize example service.");
17        }
18    }
19
20    public void setVal(int val) {
21        if(mPtr == 0) {
22            Slog.e(TAG, "Example service is not initialized.");
23            return;
24        }
25
26        setVal_native(mPtr, val);
27    }
28
29    public int getVal() {
30        if(mPtr == 0) {
31            Slog.e(TAG, "Example service is not initialized.");
32            return 0;
33        }
34
35        return getVal_native(mPtr);
36    }
37
38    private static native int init_native();
39    private static native void setVal_native(int ptr, int val);
40    private static native int getVal_native(int ptr);
41};

硬件访问服务ExampleService继承了IExampleService.Stub类，并且实现了IExampleService接口的成员函数setVal和getVal。其中，成员函数setVal通过调用JNI方法setVal_native来写虚拟硬件设备example的寄存器val，而成员函数getVal调用JNI方法getVal_native来读虚拟硬件设备example的寄存器val。

注意，硬件访问服务ExampleService在启动时，其构造函数的执行，会通过调用JNI方法init_native来打开虚拟硬件设备example，并且获得它的一个句柄值，保存在成员变量mPtr中。如果硬件访问服务ExampleService打开虚拟硬件设备example失败，那么它的成员变量mPtr的值就等于0；否则，就得到一个大于0的句柄值。这个句柄值实际上是指向虚拟硬件设备example在硬件抽象层中的example_device_t对象，硬件访问服务ExampleService的成员函数 setVal和getVal在访问虚拟硬件设备example时，必须要指定这个句柄值，以便硬件访问服务ExampleService的JNI实现可以知道它所要访问的是哪一个硬件设备。

硬件访问服务ExampleService编写完成之后，就可以执行mmm命令来重新编译Android系统的services模块了:

# mmm ./frameworks/base/services/java

编译后得到的services.jar文件就包含有ExampleService类。

硬件访问服务是使用JAVA语言实现的，为了访问硬件，必须通过使用硬件抽象层(HAL)提供的接口，而硬件抽象层模块是使用C++语言实现的，所以我们必须实现硬件访问服务ExampleService的JNI方法。

在Android系统中，通常把硬件访问服务的JNI方法实现在frameworks/base/services/jni目录下，进入这个目录，创建com_android_server_ExampleService.cpp文件，内容如下：

 1#define LOG_TAG "ExampleServiceJNI"
 2
 3#include "jni.h"
 4#include "JNIHelp.h"
 5#include "android_runtime/AndroidRuntime.h"
 6
 7#include 
 8#include 
 9#include 
10#include 
11
12#include 
13
14namespace android
15{
16    static void example_setVal(JNIEnv* env, jobject clazz, jint ptr, jint value) {
17        example_device_t* device = (example_device_t*)ptr;
18        if(!device) {
19            LOGE("Device example is not open.");
20            return;
21        }
22
23        int val = value;
24
25        LOGI("Set value %d to device example.", val);
26
27        device->set_val(device, val);
28    }
29
30    static jint example_getVal(JNIEnv* env, jobject clazz, jint ptr) {
31        example_device_t* device = (example_device_t*)ptr;
32        if(!device) {
33            LOGE("Device example is not open.");
34            return 0;
35        }
36
37        int val = 0;
38
39        device->get_val(device, &val);
40
41        LOGI("Get value %d from device example.", val);
42
43        return val;
44    }
45
46    static inline int example_device_open(const hw_module_t* module, struct example_device_t** device) {
47        return module->methods->open(module, EXAMPLE_HARDWARE_DEVICE_ID, (struct hw_device_t**)device);
48    }
49
50    static jint example_init(JNIEnv* env, jclass clazz) {
51        example_module_t* module;
52        example_device_t* device;
53
54        LOGI("Initializing HAL stub example......");
55
56        if(hw_get_module(EXAMPLE_HARDWARE_MODULE_ID, (const struct hw_module_t**)&module) == 0) {
57            LOGI("Device example found.");
58            if(example_device_open(&(module->common), &device) == 0) {
59                LOGI("Device example is open.");
60                return (jint)device;
61            }
62
63            LOGE("Failed to open device example.");
64            return 0;
65        }
66
67        LOGE("Failed to get HAL stub example.");
68
69        return 0;
70    }
71
72    static const JNINativeMethod method_table[] = {
73        {"init_native", "()I", (void*)example_init},
74        {"setVal_native", "(II)V", (void*)example_setVal},
75        {"getVal_native", "(I)I", (void*)example_getVal},
76    };
77
78    int register_android_server_ExampleService(JNIEnv *env) {
79            return jniRegisterNativeMethods(env, "com/android/server/ExampleService", method_table, NELEM(method_table));
80    }
81};

在函数example_init中，首先通过Android硬件抽象层提供的hw_get_module函数来加载模块ID为EXAMPLE_HARDWARE_MODULE_ID的硬件抽象层模块。函数hw_get_module最终返回一个hw_module_t接口给example_init函数，这个hw_module_t接口实际指向的是自定义的一个硬件抽象层模块对象，即一个example_module_t对象。

函数example_init接着调用函数example_device_open来打开设备ID为EXAMPLE_HARDWARE_DEVICE_ID的硬件设备，而example_device_open函数又是通过调用前面获得的hw_module_t接口的操作方法列表中的open函数来打开指定的硬件设备的。

函数example_init最后把获得的example_device_t接口转换成一个整型句柄，返回给调用者。

函数example_setVal和example_getVal都是首先把参数ptr转换为一个example_device_t接口，然后分别调用它的成员函数set_val和get_val来访问虚拟硬件设备example的寄存器val的值。

文件接着定义了一个JNI方法表method_table，分别将函数example_init、example_setVal和example_getVal的JNI方法注册为init_native、setVal_native和getVal_native。最后调用了jniRegisterNativeMethods函数把JNI方法表method_table注册到Java虚拟机中，以便提供给硬件访问服务ExampleService类使用。

硬件访问服务ExampleService的JNI方法编写完成之后，我们还需要修改frameworks/base/services/jni目录下的onload.cpp文件，在里面增加register_android_server_ExampleService函数的声明和调用，修改方法如下：

……
namespace android {
 ……
int register_android_server_ExampleService(JNIEnv* env);
};
……
extern "C" jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
{
……
    register_android_server_ExampleService(env);
……
}

onload.cpp文件实现在libandroid_servers模块中。当系统加载libandroid_servers模块时，就会调用实现在onload.cpp文件中的JNI_OnLoad函数。这样，就可以将前面定义的三个JNI方法init_native、setVal_native和getVal_native注册到Java虚拟机中。

 

最后，进入到frameworks/base/services/jni目录中，打开里面的Android.mk文件，修改变量LOCAL_SRC_FILES的值，如下：

……
LOCAL_SRC_FILES:= \
……
    com_android_server_ExampleService.cpp \
    onload.cpp
……

下面，我们就可以用mmm命令来重新编译libandroid_servers模块了。

# mmm frameworks/base/services/jni

编译后得到的libandroid_servers.so文件就包含有init_native、setVal_native和getVal_native这三个JNI方法了。

至此，硬件访问服务ExampleService的实现就介绍完了。下面我们继续介绍如何在系统进程System中启动它。

Android系统的硬件访问服务通常是在系统进程System中启动的，而系统进程System是由应用程序孵化器进程Zygote负责启动的。由于应用程序孵化器进程Zygote是在系统启动时启动的，因此，把硬件访问服务运行在系统进程System中，就实现了开机时自动启动。

为了把硬件访问服务ExampleService加入到系统进程System中，进入frameworks/base/services/java/com/android/server目录，修改SystemServer.java文件，在ServerThread类的成员函数run中，添加如下内容：

……
447            try {
448                Slog.i(TAG, "Example Service");
449                ServiceManager.addService("example", new ExampleService());
450            } catch (Throwable e) {
451                Slog.e(TAG, "Failure starting Example Service", e);
452            }
……

系统进程System在启动时，会创建一个ServerThread线程来启动系统中的关键服务，其中就包括一些硬件访问服务。在ServerThread类的成员函数run中，首先创建一个ExampleService实例，然后把它注册到Service Manager中。Service Manager是Android系统的Binder进程间通信机制的一个重要角色，它负责管理系统中的服务对象。注册到Service Manager中的服务对象都有一个对应的名称，使用这些服务的Client进程就是通过这些名称来向Service Manager请求它们的Binder代理对象接口的，以便可以访问它们所提供的服务。硬件访问服务ExampleService注册到Service Manager之后，它的启动过程就完成了。

最后，我们需要执行mmm命令来重新编译services模块。

# mmm frameworks/base/services/java

编译后得到的services.jar文件就包含有硬件访问服务ExampleService，并且在系统启动时，将它运行在系统进程System中。

至此，硬件访问服务ExampleService就完全实现好了。我们可以执行make snod命令来重新打包Android系统镜像文件system.img。

# make snod

下面，我们来编写一个应用程序，利用我们提供的硬件访问服务，通过硬件抽象层模块，对底层硬件执行读写操作。这里我们只给出java源码文件Example.java和布局文件main.xml。

布局文件main.xml的内容如下：

 1
 2
 7    
12        
16        
17        
22        
23    
24     
29        
34        
35        
40        
41        
46        
47    
48

应用程序源码文件Example.java的内容如下：

1package haoyu.hal.example;
 2
 3import android.app.Activity;
 4import android.os.ServiceManager;
 5import android.os.Bundle;
 6import android.os.IExampleService;
 7import android.os.RemoteException;
 8import android.util.Log;
 9import android.view.View;
10import android.view.View.OnClickListener;
11import android.widget.Button;
12import android.widget.EditText;
13
14public class Example extends Activity implements OnClickListener {
15    private final static String LOG_TAG = "haoyu.hal.example.ExampleActivity";
16
17    private IExampleService exampleService = null;
18
19    private EditText valueText = null;
20    private Button readButton = null;
21    private Button writeButton = null;
22    private Button clearButton = null;
23
24    /** Called when the activity is first created. */
25    @Override
26    public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
27        super.onCreate(savedInstanceState);
28        setContentView(R.layout.main);
29
30    exampleService = IExampleService.Stub.asInterface(
31        ServiceManager.getService("example"));
32
33    valueText = (EditText)findViewById(R.id.edit_value);
34    readButton = (Button)findViewById(R.id.button_read);
35    writeButton = (Button)findViewById(R.id.button_write);
36    clearButton = (Button)findViewById(R.id.button_clear);
37
38    readButton.setOnClickListener(this);
39    writeButton.setOnClickListener(this);
40    clearButton.setOnClickListener(this);
41
42        Log.i(LOG_TAG, "Example Activity Created");
43    }
44
45    @Override
46    public void onClick(View v) {
47        if(v.equals(readButton)) {
48        try {
49                int val = exampleService.getVal();
50                String text = String.valueOf(val);
51                valueText.setText(text);
52        } catch (RemoteException e) {
53            Log.e(LOG_TAG, "Remote Exception while reading value from example service.");
54        }
55        }
56        else if(v.equals(writeButton)) {
57        try {
58                String text = valueText.getText().toString();
59                int val = Integer.parseInt(text);
60            exampleService.setVal(val);
61        } catch (RemoteException e) {
62            Log.e(LOG_TAG, "Remote Exception while writing value to example service.");
63        }
64        }
65        else if(v.equals(clearButton)) {
66            String text = "";
67            valueText.setText(text);
68        }
69    }
70}

第17行，定义了IExampleService服务接口类型变量exampleService。

30-31行，取得example服务接口，赋值给exampleService。

49行，调用IExampleService服务接口提供的getVal函数，对底层硬件执行读操作。

60行，调用IExampleService服务接口提供的setVal函数，对底层硬件执行写操作。

 

这里需要说明的是，我在执行应用程序对设备进行读写操作时，出现/dev/example设备不存在的错误提示，而实际上/dev/example设备是正常存在的。这是因为应用程序没有访问/dev/example的权限，为此，我们需要进行如下修改：

打开system/core/rootdir/ueventd.rc文件，在其中添加如下一行内容：

75/dev/example              0666   root       root

这样，我们的应用程序就可以找到/dev/example设备，并对其进行读写操作了。

 

最后，我们从上到下，把执行流程进行一下梳理。

一、应用程序通过IExampleService服务接口提供的getVal/setVal函数来读写设备。

 

二、我们通过AIDL语言定义了IExampleService服务接口。

 

三、有了IExampleService服务接口，我们又在frameworks/base/services/java/com/android/server/ExampleService.java文件中实现了ExampleService服务。该服务通过调用JNI函数getVal_native和setVal_native实现了IExampleService服务接口提供的getVal/setVal函数。另外，ExampleService服务会在系统启动时自动启动，在服务的构造函数中，调用了JNI函数init_native进行初始化。

 

四、ExampleService服务是通过硬件抽象层模块来访问底层硬件的，但是ExampleService服务是用JAVA实现的，硬件抽象层模块是用C++实现的，所以在两者之间，必须有JNI代码。我们在frameworks/base/services/jni/com_android_server_ExampleService.cpp文件中实现了JNI代码，它起到了关联ExampleService服务的JAVA代码和硬件抽象层C++代码的作用，在该文件中，定义了JNI函数init_native、setVal_native、getVal_native。这三个函数其实都是通过调用硬件抽象层模块的相关函数来实现的。其中，init_native函数完成初始化工作，它负责找到硬件抽象层模块example，并打开对应的设备。

 

五、再向下就是按照Android硬件抽象层的规则，编写硬件抽象层模块。在硬件抽象层模块中，通过使用系统调用open、read、write等，完成对底层硬件的打开和读写操作。

 

六、在Linux内核驱动程序中，实现了对底层硬件的打开、读写等操作。