Android源代码基于goldfish-android-goldfish-3.4内核硬件抽象层探究 HAL

目的

似乎作为软件开发人员来说，一旦涉及硬件，不管是从心里还是从实际操作上都总有一层厚厚的隔阂，但是要认识Android清晰层次化的认识Android系统，也得咬牙去接触，我终究在等待这么一天：其实它没有想象的那么难，它层次相当分明，有助于们整体上去认识Android系统，更便于我们对源代码的分析。

探究的位置：

学Android 的同学都看过下面一个图：

在上图中，Application层就是一个个应用程序。Framework提供一个java的运行环境以及对功能实现的封装，Runtime/ART是一个java虚拟机，通过它编译java。从Libraries那些名字也可以看出来，这里有很多高端大气库，它是功能实现区，多媒体编解码，浏览器渲染，数据库实现，and so on。Kernel部分负责交互硬件。

再看看站在 HAL的角度重视这个架构：

内核空间中可以有特权操作硬件设备，而用户空间不行，用户空间包含了上层的一些应用层的功能模块，以及面向用户的Application。这样的分层结构实际上在保护移动设备厂商。
Hardware Abstract Layer (HAl) 硬件抽象层运行在用户空间中。

开发Android硬件驱动程序

实现内核驱动模块

目录结构

~/Android/kernel/goldfish-android-goldfish-3.4
- drivers
  - freg
    - freg.h
    - freg.c
    - Kconfig
    - Makefile
      关于命名 freg:
      按照老罗的最高指示：我开发的是一个虚拟的字符硬件设备驱动程序，手里没有任何单片机或者寄存器，当然是开发虚拟的了…实体的玩意儿我也搞不了呀，这个字符硬件虚拟设备只有一个大小为4个字节的可读可写寄存器，叫做fake register,驱动程序命令为freg。

在其目录下创建上述四个文件：

1 2	coffee@ubuntu:~/Android/kernel/goldfish-android-goldfish-3.4/drivers/freg$ ls freg.c freg.h Kconfig Makefile

freg.h

#ifndef _FAKE_REG_H_  
#define _FAKE_REG_H_

#include <linux/cdev.h>
#include <linux/semaphore.h>

//描述虚拟硬件设备在 文件系统中的名称
#define FREG_DEVICE_NODE_NAME  "freg"
#define FREG_DEVICE_FILE_NAME  "freg"
#define FREG_DEVICE_PROC_NAME  "freg"
#define FREG_DEVICE_CLASS_NAME "freg"

//描述虚拟硬件设备
struct fake_reg_dev {
int val;                //虚拟寄存器
struct semaphore sem;   //信号量 实现寄存器的同步访问
struct cdev dev;        //标准 Linux 字符设备结构体变量， 标志该设备类型 是一个 字符设备
};

#endif

freg.c 为驱动程序的实现文件，该程序主要实现了向用户空间提供了三个接口来访问该虚拟设备中的寄存器val

接口1 proc文件系统接口
接口2 设备文件系统接口
接口3 devfs文件系统接口

freg.c

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/device.h>
#include <asm/uaccess.h>

#include "freg.h"

//主设备号 和 从设备号
static int freg_major = 0;
static int freg_minor = 0;

static struct class* freg_class = NULL;
static struct fake_reg_dev* freg_dev = NULL;



//传统的设备文件操作方法
static int freg_open(struct inode* inode, struct file* filp);
static int freg_release(struct inode* inode, struct file* filp);
static ssize_t freg_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);
static ssize_t freg_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);


// 传统的设备文件操作方法表
static struct file_operations freg_fops = {
        .owner = THIS_MODULE,
        .open = freg_open,
        .release = freg_release,
        .read = freg_read,
        .write = freg_write,
};

// devfs 文件系统的设备属性操作方法
static ssize_t freg_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr,  char* buf);
static ssize_t freg_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count);

// devfs 文件系统的设备属性
static DEVICE_ATTR(val, S_IRUGO | S_IWUSR, freg_val_show, freg_val_store);

// 传统的设备文件操作方法实现： 打开 设备
static int freg_open(struct inode* inode, struct file* filp) {
	struct fake_reg_dev* dev;

	dev = container_of(inode->i_cdev, struct fake_reg_dev, dev);
	filp->private_data = dev;

	return 0;
}


// 传统的设备文件操作方法实现： 释放
static int freg_release(struct inode* inode, struct file* filp) {
	return 0;
}


// 传统的设备文件操作方法实现： 读取 val寄存器的值
static ssize_t freg_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {
	ssize_t err = 0;
	struct fake_reg_dev* dev = filp->private_data;

	if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
		return -ERESTARTSYS;
	}

	if(count < sizeof(dev->val)) {
		goto out;
	}

	if(copy_to_user(buf, &(dev->val), sizeof(dev->val))) {
		err = -EFAULT;
		goto out;
	}

	err = sizeof(dev->val);

out:
	up(&(dev->sem));
	return err;
}


// 传统的设备文件操作方法实现： 写 val寄存器
static ssize_t freg_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {
	struct fake_reg_dev* dev = filp->private_data;
	ssize_t err = 0;

	if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
                return -ERESTARTSYS;
        }

        if(count != sizeof(dev->val)) {
                goto out;
        }

	if(copy_from_user(&(dev->val), buf, count)) {
		err = -EFAULT;
		goto out;
	}

	err = sizeof(dev->val);

out:
	up(&(dev->sem));
	return err;
}


// 传统的设备文件操作方法 - 内部使用： 读出 val -- buf缓冲器
static ssize_t __freg_get_val(struct fake_reg_dev* dev, char* buf) {
	int val = 0;

	if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
                return -ERESTARTSYS;
        }

        val = dev->val;
        up(&(dev->sem));

        return snprintf(buf, PAGE_SIZE, "%d\n", val);
}

// 传统的设备文件操作方法 - 内部使用： 写入  buf缓冲器  -- val
static ssize_t __freg_set_val(struct fake_reg_dev* dev, const char* buf, size_t count) {
	int val = 0;

        val = simple_strtol(buf, NULL, 10);

        if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
                return -ERESTARTSYS;
        }

        dev->val = val;
        up(&(dev->sem));

	return count;
}


// devfs 文件系统的设备属性操作方法实现  读出 设备属性val值
static ssize_t freg_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf) {
	struct fake_reg_dev* hdev = (struct fake_reg_dev*)dev_get_drvdata(dev);

        return __freg_get_val(hdev, buf);
}
// devfs 文件系统的设备属性操作方法实现  写入 设备属性val值
static ssize_t freg_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count) {
	 struct fake_reg_dev* hdev = (struct fake_reg_dev*)dev_get_drvdata(dev);

        return __freg_set_val(hdev, buf, count);
}

// devfs 文件系统的设备属性操作方法实现 --内部使用  读出 寄存器 val值 -- 缓冲区
static ssize_t freg_proc_read(char* page, char** start, off_t off, int count, int* eof, void* data) {
	if(off > 0) {
		*eof = 1;
		return 0;
	}

	return __freg_get_val(freg_dev, page);
}

// devfs 文件系统的设备属性操作方法实现  --内部使用 写入 缓冲区 -- 寄存器 val值
static ssize_t freg_proc_write(struct file* filp, const char __user *buff, unsigned long len, void* data) {
	int err = 0;
	char* page = NULL;

	if(len > PAGE_SIZE) {
		printk(KERN_ALERT"The buff is too large: %lu.\n", len);
		return -EFAULT;
	}

	page = (char*)__get_free_page(GFP_KERNEL);
	if(!page) {
                printk(KERN_ALERT"Failed to alloc page.\n");
		return -ENOMEM;
	}

	if(copy_from_user(page, buff, len)) {
		printk(KERN_ALERT"Failed to copy buff from user.\n");
                err = -EFAULT;
		goto out;
	}

	err = __freg_set_val(freg_dev, page, len);

out:
	free_page((unsigned long)page);
	return err;
}


//创建 /proc/freg文件
static void freg_create_proc(void) {
	struct proc_dir_entry* entry;

	entry = create_proc_entry(FREG_DEVICE_PROC_NAME, 0, NULL);
	if(entry) {
//		entry->owner = THIS_MODULE;  // error in here
		entry->read_proc = freg_proc_read;
		entry->write_proc = freg_proc_write;
	}
}
//删除 /proc/freg文件
static void freg_remove_proc(void) {
	remove_proc_entry(FREG_DEVICE_PROC_NAME, NULL);
}

//初始化设备
static int  __freg_setup_dev(struct fake_reg_dev* dev) {
	int err;
	dev_t devno = MKDEV(freg_major, freg_minor);

	memset(dev, 0, sizeof(struct fake_reg_dev));

	cdev_init(&(dev->dev), &freg_fops);
	dev->dev.owner = THIS_MODULE;
	dev->dev.ops = &freg_fops;

	err = cdev_add(&(dev->dev),devno, 1);
	if(err) {
		return err;
	}

    sema_init(&(dev->sem),1);
	dev->val = 0;

	return 0;
}

//模块加载方法
static int __init freg_init(void) {
	int err = -1;
	dev_t dev = 0;
	struct device* temp = NULL;

	printk(KERN_ALERT"Initializing freg device.\n");

	err = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, FREG_DEVICE_NODE_NAME);
	if(err < 0) {
		printk(KERN_ALERT"Failed to alloc char dev region.\n");
		goto fail;
	}

	freg_major = MAJOR(dev);
	freg_minor = MINOR(dev);

	freg_dev = kmalloc(sizeof(struct fake_reg_dev), GFP_KERNEL);
	if(!freg_dev) {
		err = -ENOMEM;
		printk(KERN_ALERT"Failed to alloc freg device.\n");
		goto unregister;
	}

	err = __freg_setup_dev(freg_dev);
	if(err) {
		printk(KERN_ALERT"Failed to setup freg device: %d.\n", err);
		goto cleanup;
	}

	freg_class = class_create(THIS_MODULE, FREG_DEVICE_CLASS_NAME);
	if(IS_ERR(freg_class)) {
		err = PTR_ERR(freg_class);
		printk(KERN_ALERT"Failed to create freg device class.\n");
		goto destroy_cdev;
	}

	temp = device_create(freg_class, NULL, dev, "%s", FREG_DEVICE_FILE_NAME);
	if(IS_ERR(temp)) {
		err = PTR_ERR(temp);
		printk(KERN_ALERT"Failed to create freg device.\n");
		goto destroy_class;
	}

	err = device_create_file(temp, &dev_attr_val);
	if(err < 0) {
		printk(KERN_ALERT"Failed to create attribute val of freg device.\n");
                goto destroy_device;
	}

	dev_set_drvdata(temp, freg_dev);

	freg_create_proc();

	printk(KERN_ALERT"Succedded to initialize freg device.\n");

	return 0;

destroy_device:
	device_destroy(freg_class, dev);
destroy_class:
	class_destroy(freg_class);
destroy_cdev:
	cdev_del(&(freg_dev->dev));
cleanup:
	kfree(freg_dev);
unregister:
	unregister_chrdev_region(MKDEV(freg_major, freg_minor), 1);
fail:
	return err;
}


//模块卸载方法
static void __exit freg_exit(void) {
	dev_t devno = MKDEV(freg_major, freg_minor);

	printk(KERN_ALERT"Destroy freg device.\n");

	freg_remove_proc();

	if(freg_class) {
		device_destroy(freg_class, MKDEV(freg_major, freg_minor));
		class_destroy(freg_class);
	}

	if(freg_dev) {
		cdev_del(&(freg_dev->dev));
		kfree(freg_dev);
	}

	unregister_chrdev_region(devno, 1);
}

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("Fake Register Driver");

module_init(freg_init);
module_exit(freg_exit);

Kconfig

在编译freg之前，我们需要通过 make menuconfig 命令来设置这些选项，指定驱动程序freg的编译方式。
下面的配置文件有三种方式来编译：

建立在内核中
编译成内核模块
不编译到内核中

config FREG
tristate "Fake Register Driver"
default n
help
This is the freg driver for android system.

Makefile

1	obj-$(CONFIG_FREG) += freg.o

修改Kconfig文件

我们需要修改内核的根Kconfig文件，让直行make menuconfig 的时候，让编译系统找到驱动程序freg的Kconfig文件
一般来说，各个CPU体系架构目录下的Kconifg文件都会通过source “drivers/Kconfig” 命令将drivers 目录下的Kconfig文件包含进去。

打开drivers/Kcofig文件添加 source “drivers/freg/Kconfig”

修改内核Makefile文件

不仅是Kconfig需要让编译器找到，新增的驱动的Makefile也要让编译器找到，所以需要修改内核的Makefile文件。
drivers/Makefile下添加

1	obj-$(CONFIG_FREG) += freg/

编译内核驱动程序模块

设置编译选项 make menuconfig

执行 make menuconfig 命令来配置编译方式：
Fake Register Driver 选项

❤ 号表示建立在内核中

M 表示编译成内核模块
exit后执行 make
error1

1 2	In function 'freg_create_proc': error: 'struct proc_dir_entry' has no member named 'owner'

原因：

由错误信息可以看出struct proc_dir_entry结构体中没有找到owner的成员。
看到引用的proc_fs.h头文件，发现里面的struct proc_dir_entry结构体中，是有owner成员的，Linux API 里说在2.6版本，struct proc_dir_entry:owner就已经被移除了
我也尝试注释掉owner使用的代码，跟踪到 freg.c 的create文件：

error2 :

1	implicit declaration of function 'init_MUTEX' [-Werror=implicit-function-declaration]

原因：
在新版本的linux内核中，init_mutex已经被废除了，新版本使用sema_init函数。查了一下早期版本的定义：
新内核中的定义：

/*
 * linux/include/asm-arm/semaphore.h
 */
#ifndef __ASM_ARM_SEMAPHORE_H
#define __ASM_ARM_SEMAPHORE_H

#include <linux/linkage.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/rwsem.h>

#include <asm/atomic.h>
#include <asm/locks.h>

struct semaphore {
    atomic_t count;
    int sleepers;
    wait_queue_head_t wait;
};

#define __SEMAPHORE_INIT(name, cnt)             
{                               
    .count  = ATOMIC_INIT(cnt),             
    .wait   = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER((name).wait),   
}

#define __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,count)
    struct semaphore name = __SEMAPHORE_INIT(name,count)

#define DECLARE_MUTEX(name)     __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,1)
#define DECLARE_MUTEX_LOCKED(name)  __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,0)
static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val)
{
    atomic_set(&sem->count, val);
    sem->sleepers = 0;
    init_waitqueue_head(&sem->wait);
}

static inline void init_MUTEX(struct semaphore *sem)
{
    sema_init(sem, 1);
}
.....
....

老内核中的定义

static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val)
 {
        static struct lock_class_key __key;
        *sem = (struct semaphore) __SEMAPHORE_INITIALIZER(*sem, val);
      lockdep_init_map(&sem->lock.dep_map, "semaphore->lock", &__key, 0);
 }

#define init_MUTEX(sem)         sema_init(sem, 1)//在最新的版本中没有这两个宏定义了
#define init_MUTEX_LOCKED(sem)  sema_init(sem, 0)

extern void down(struct semaphore *sem);
extern int __must_check down_interruptible(struct semaphore *sem);
extern int __must_check down_killable(struct semaphore *sem);
extern int __must_check down_trylock(struct semaphore *sem);
extern int __must_check down_timeout(struct semaphore *sem, long jiffies);
extern void up(struct semaphore *sem);

解决办法：绕过函数 init_MUTEX ,在freg.c中直接调用：sema_init(),不过要添加一个整形参数1

semaphore.h：

static inline void init_MUTEX(struct semaphore *sem)
{
  sema_init(sem, 1);
}

freg.c 修改 init_MUTEX()调用

//初始化设备
static int  __freg_setup_dev(struct fake_reg_dev* dev) {
    int err;
    dev_t devno = MKDEV(freg_major, freg_minor);
    memset(dev, 0, sizeof(struct fake_reg_dev));
    cdev_init(&(dev->dev), &freg_fops);
    dev->dev.owner = THIS_MODULE;
    dev->dev.ops = &freg_fops;

    err = cdev_add(&(dev->dev),devno, 1);
    if(err) {
        return err;
    }   

    sema_init(&(dev->sem),1); //modify init_MUTEX()
    dev->val = 0;

    return 0;
}

编译成功：

内核镜像文件zImage 保存在arch/arm/boot目录下，可以用它来启动Android模拟器

验证内核驱动程序模块

分别验证 proc文件系统接口, devfs 文件系统， dev文件系统来访问虚拟寄存器

首先打开Android模拟器：

1 2	emulator -kernel /kerner/goldfish-android-goldfish-3.4/arch/arm/boot/zImage & adb shell

proc文件系统接口访问虚拟寄存器验证

cd dev //验证驱动程序freg是否成功注册虚拟硬件设备到设备文件系统中
ls freg
freg //有显示说明注册成功

root@generic://proc # cat freg                                                 
0
root@generic://proc # echo '5' > freg  

root@generic://proc # cat freg                                                 
5
//成功显示

devfs 文件系统接口访问虚拟寄存器验证

root@generic://sys/class/freg/freg # cat val                                   
5
root@generic://sys/class/freg/freg # echo '0' > val                            
root@generic://sys/class/freg/freg # cat val                                   
0
//成功显示

开发C程序来验证dev文件系统访问虚拟寄存器的正确性

通过c程序来对寄存器进行读写操作：
编写源文件：

Android/external
- freg
  - freg.c
  - Android.mk

freg.c:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>

#define FREG_DEVICE_NAME "/dev/freg"

int main(int argc, char** argv)
{
 int fd = -1;
 int val = 0;

 fd = open(FREG_DEVICE_NAME, O_RDWR);
 if(fd == -1)
 {   
     printf("Failed to open device %s.\n", FREG_DEVICE_NAME);
     return -1;
 }   

 printf("Read original value:\n");
 read(fd, &val, sizeof(val));
 printf("%d.\n\n", val);

 val = 5;
 printf("Write value %d to %s.\n\n", val, FREG_DEVICE_NAME);
     write(fd, &val, sizeof(val));


 printf("Read the value again:\n");
     read(fd, &val, sizeof(val));
     printf("%d.\n\n", val);

 close(fd);

 return 0;
}

freg.c 源文件的编译脚本文件:Android.mk

LOCAL_PATH := $(call my-dir)
include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_MODULE_TAGS := optional
LOCAL_MODULE := freg
LOCAL_SRC_FILES := $(call all-subdir-c-files)
include $(BUILD_EXECUTABLE)

对于C程序来说，include后面的参数为BUILD_EXECUTABLE 可执行应用模块程序。编译结果在：
out/target/product/generic/system/bin中
编译：

1
2
3

source ./build/envsetup.sh
mmm ./external/freg/
make snod

进入Android系统执行

emulator -kerner /Kernel/goldfish-android-goldfish-3.4/arch/arm/boot/zImage &
adb shell
cd system/bin/
./freg

当我们看到了输出为5 ，说明C程序可以执行，虚拟寄存器正常使用。

开发Android硬件抽象层模块

开发Android硬件访问服务

开发Android应用程序来使用硬件访问服务

声明：相关内容及源代码参考老罗的《Android系统源代码情景分析》感谢老罗！