Android驱动学习-app调用内核驱动过程(驱动框架回顾)

考研已经过去了，android驱动的学习也断了半年多了，现在重新捡起来学习，回顾一下Android驱动的大体框架。

Android系统的核心是java，其有一个David虚拟机。Android-app操作硬件也相当于是java操作硬件。

在Linux系统上操作硬件是通过open read write等来实现，也就是操作C库。如果java能直接调用C库中的函数，也就解决了app操作硬件的问题。

下面的文章是java调用C/C++库的方法。

链接：JAVA程序通过JNI调用C/C++库

1.方法1——jni调用底层驱动

在android框架中写入c/c++直接调用底层linux驱动，并向上提供jni接口给应用程序：

优点：简单易行；

缺点：主要在于驱动程序，由于在linux中需要遵循GPL协议，需要开源，而许多厂商的一些代码不希望开源。

而且像屏幕等设备可能需要多个app同时操作，这样的话将会导致各种各样的问题。

2.方法2——增加硬件抽象层

将驱动程序一分为二，一部分开源在内核中，一部分不开源在android框架中：

二、举例led android驱动：

从这里我们将看到整个应用框架层到底层驱动的走向。首先，无论是哪种方法，我们都需要实现一个linux驱动以供上层访问led资源。

 同样也是通过jni来加载C库，从而通过调用open等来实现对硬件的操作。Android为了实现多个APP能操作同一个硬件，硬件不由app来直接操作，而是有SystemServer来操作。app需要把请求通过serviceManager发给SystemServer，由SystemServer最终完成对硬件的操作。

这里我们反过来思考一个app操作硬件的过程：

1、app需要申请服务和获得服务getservice。

而这个服务是有接口完成的。所以第一步我们需要建立一个aidl文件，来生成接口类。

frameworks/base/core/java/android/os/ILedService.aidl

同时修改 frameworks/base/Android.mk， 加入新建的aidl文件。

现在以实现一个利用app来通过串口对外发送数据的案例；

1. 首先创建文件  frameworks/base/core/java/android/os/IMySerialService.aidl

package android.os;

/** {@hide} */
interface IMySerialService
{
    int serialOpen( String filename, int flags );
    int serialSetOpt( int fd,int nSpeed,int nBits,char nEvent,int nStop );
    String serialRead( int fd, int len );
    int serialWrite( int fd, String txData );
    void serialClose( int fd );
}

　　同时需要修改Android.mk文件添加我们的aidl文件

2、自动生成ILedService.java

mmm frameworks/base/

编译自动生成

out/target/common/obj/JAVA_LIBRARIES/framework_intermediates/src/core/java/android/os/ILedService.java

ILedService.java文件获得了，现在就需要新建与之对应的java文件，实现java下的对硬件操作的函数。

　　2.运行：mmm frameworks/base/  进行编译，将会生成 out/target/common/obj/JAVA_LIBRARIES/framework_intermediates/src/core/java/android/os/IMySerialService.java 文件。

　　　　下一步就是要实现 ISerialService.java 中被自动创建的接口函数了

3、创建 LedService.java 实现接口函数

创建完LedService.java后将其放到frameworks/base/services/core/java/com/android/server/中，其上层Android.mk会自动包含此java文件。

　　3.  新建文件  frameworks/base/services/core/java/com/android/server/SerialService.java

　　

package com.android.server;

import android.os.IMySerialService;
import android.util.Slog;

public class MySerialService extends IMySerialService.Stub {
    private static final String TAG = "MySerialService";

    public native static int nativeSerialOpen(String filename, int flags ) ;
    public native static int nativeSerialSetOpt(int fd, int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop) ;
    public native static java.lang.String nativeSerialRead(int fd, int len ) ;
    public native static int nativeSerialWrite( int fd, java.lang.String txData ) ;
    public native static void nativeSerialClose(int fd );
    

    public int serialOpen(java.lang.String filename, int flags) throws android.os.RemoteException {
        return nativeSerialOpen(filename,flags);
    }
    public int serialSetOpt(int fd, int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop) throws android.os.RemoteException {
        return nativeSerialSetOpt( fd, nSpeed, nBits, nEvent, nStop );
    }
    public java.lang.String serialRead(int fd, int len) throws android.os.RemoteException {
        return nativeSerialRead( fd, len );
    }
    public int serialWrite(int fd, java.lang.String txData) throws android.os.RemoteException {
        return nativeSerialWrite( fd, txData);
    }
    public void serialClose(int fd) throws android.os.RemoteException {
        nativeSerialClose(fd);
    }
  
}

　　　　public int serialOpen(java.lang.String filename, int flags) throws android.os.RemoteException 

　　　　这些函数的定义在自动生成的IMySerialService.java的最下面，直接拷贝过来实现即可。

4、将服务注册到Service Manager当中

修改frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

这样的话，app就能获得服务，从而实现对SystemServer的通信，从而实现对硬件的操作。现在就是需要对SystemServer进行修改了。

SystemServer对硬件的操作也是jni，所以其也需要加载C/C++库。在Android系统中已经把所有对硬件操作的jni文件打包为一个.so库，所以我们需要做的是在so库中添加我们对硬件的支持。

　　4. 将下面的代码加入到 SystemServer.java 中，这样的话就把服务加入到了ServiceManager

            Slog.i(TAG, "Serial Service");
            ServiceManager.addService("serial", new SerialService());

5、实现com_android_server_LedService.cpp   供 LedService.java使用

将jni文件放到frameworks/base/services/core/jni/目录中。还要注册native接口，在frameworks/base/services/core/jni/onload.cpp中修改。

并修改Android.mk文件，加入com_android_server_LedService.cpp的编译。

同时还要修改onload.cpp，添加 register_android_server_MySerialService(env);  和 函数声明。

#define LOG_TAG "MySerialService"

#include "jni.h"
#include "JNIHelp.h"
#include "android_runtime/AndroidRuntime.h"

#include <utils/misc.h>
#include <utils/Log.h>

#include <stdio.h>

namespace android
{
#if 1
static jstring charTojstring(JNIEnv* env, const char* pat) {
    //定义java String类 strClass
    jclass strClass = (env)->FindClass("Ljava/lang/String;");
    //获取String(byte[],String)的构造器,用于将本地byte[]数组转换为一个新String
    jmethodID ctorID = (env)->GetMethodID(strClass, "<init>", "([BLjava/lang/String;)V");
    //建立byte数组
    jbyteArray bytes = (env)->NewByteArray(strlen(pat));
    //将char* 转换为byte数组
    (env)->SetByteArrayRegion(bytes, 0, strlen(pat), (jbyte*) pat);
    // 设置String, 保存语言类型,用于byte数组转换至String时的参数
    jstring encoding = (env)->NewStringUTF("GB2312");
    //将byte数组转换为java String,并输出
    return (jstring) (env)->NewObject(strClass, ctorID, bytes, encoding);
}

char* jstringToChar(JNIEnv* env, jstring jstr) {
    char* rtn = NULL;
    jclass clsstring = env->FindClass("java/lang/String");
    jstring strencode = env->NewStringUTF("GB2312");
    jmethodID mid = env->GetMethodID(clsstring, "getBytes", "(Ljava/lang/String;)[B");
    jbyteArray barr = (jbyteArray) env->CallObjectMethod(jstr, mid, strencode);
    jsize alen = env->GetArrayLength(barr);
    jbyte* ba = env->GetByteArrayElements(barr, JNI_FALSE);
    if (alen > 0) {
        rtn = (char*) malloc(alen + 1);
        memcpy(rtn, ba, alen);
        rtn[alen] = 0;
    }
    env->ReleaseByteArrayElements(barr, ba, 0);
    return rtn;
}
#endif

jint jniSerialOpen( JNIEnv *env, jobject clazz, jstring filename, jint flags ) 
{
    char *arrChars = jstringToChar(env, filename );
    ALOGI("jniSerialOpen:%s,%d
",arrChars,flags);

    return flags+1;
}
jint jniSerialSetOpt( JNIEnv *env, jobject clazz, jint fd, jint nSpeed, jint nBits, char nEvent, jint nStop) 
{
    ALOGI("jniSerialSetOpt:%d,%c
",fd,nEvent);
    return fd+1;
}
jstring jniSerialRead( JNIEnv *env, jobject clazz, jint fd, jint len )
{
    char arrTx[] = "This is a chars";
    ALOGI("jniSerialRead:%d,%c
",fd,len);
    /* CStr2Jstring */

    return charTojstring(env, arrTx);
}
jint jniSerialWrite( JNIEnv *env, jobject clazz, jint fd, jstring txData ) 
{
    char *arrChars = jstringToChar(env, txData );
    ALOGI("jniSerialWrite:%d,%s
",fd,arrChars);
    
    return 0;
}
void jniSerialClose( JNIEnv *env, jobject clazz, jint fd )
{
    ALOGI("jniSerialClose:%d
",fd);
}

static JNINativeMethod method_table[] = {
    { "nativeSerialOpen", "(Ljava/lang/String;I)I", (void*)jniSerialOpen },
    { "nativeSerialSetOpt", "(IIICI)I", (void*)jniSerialSetOpt },
    { "nativeSerialRead", "(II)Ljava/lang/String;", (void*)jniSerialRead },
    { "nativeSerialWrite", "(ILjava/lang/String;)I", (void*)jniSerialWrite },
    { "nativeSerialClose", "(I)V", (void*)jniSerialClose },

     
};

int register_android_server_MySerialService(JNIEnv *env)
{
    return jniRegisterNativeMethods(env, "com/android/server/MySerialService",
            method_table, NELEM(method_table));
}

};

这里其实已经差不多实现了对硬件的操作，因为我们实现了对cpp文件的调用并打包进系统，cpp文件就能直接加载C库，调用open等函数实现对硬件的操作。

但是这样的话有一个问题，就是如果驱动有点儿问题，我们就需要修改com_android_server_LedService.cpp，并重新编译系统、烧写系统。这样的话不是很方便。我们可以再引入硬件抽象层（HAL），这样更有利于搭建整个系统。

注意：编译的时候使用：

mmm frameworks/base/services/
mmm frameworks/base/
make snod

只执行  mmm frameworks/base/  将不会 frameworks/base/services/ 下修改的文件进行编译。 这个要注意。

 JNI 向上提供本地函数，向下加载HAL文件并调用HAL的函数

HAL负责访问驱动程序执行硬件操作（dlopen）。

这里编译系统，运行app  即可打印出信息（logcat | grep "MySerialSerice"）

APP代码： 需要添加jar包。在 out/target/common/obj/JAVA_LIBRARIES/framework_intermediates/classes.jar

package com.lmissw.serialdevicetest;

import android.os.RemoteException;
import android.support.v7.app.AppCompatActivity;
import android.os.Bundle;
import android.os.IMySerialService;
import android.util.Log;
import android.view.View;
import android.widget.Button;

import static android.os.ServiceManager.getService;

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    Button iButton=null;
    private IMySerialService iSerialService = null;
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        
        iButton = findViewById(R.id.button);
        iButton.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
            public void onClick(View v) {
                iSerialService = IMySerialService.Stub.asInterface(getService("myserial"));
                try {
                    int fd = iSerialService.serialOpen("/dev/s3c2410_serial2",0);
                    iSerialService.serialSetOpt(2,3,4,'t',6);
                    Log.i("serialTest","App serialSetOpt"+fd);
                } catch (RemoteException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

    }
}

 6、实现Hal层程序

JNI 向上提供本地函数，向下加载HAL文件并调用HAL的函数。

HAL负责访问驱动程序并执行硬件操作。而HAL层代码被编程一个.so动态库。

所以JNI加载HAL就是加载动态库，而在linux系统中加载动态库使用的是dlopen。

在Android系统中，不直接使用dlopen，是因为Android对dlopen做了一层封装，使用的是hw_get_module("模块名");

而hw_get_module最终还是调用dlopen，那么就需用从模块名拿到文件名了。

　　模块名 >> 文件名

　　　　在模块名转化为名时，使用的是hw_module_by_class(模块名，NULL)，在其中将name=“模块名”；

　　　　　　然后使用property_get 获得属性值（价值对），先查询ro.hardware.模块名、ro.hardware、ro.product.board、ro.board.platform、ro.arch。上面的每个属性都对应一个subname。

　　　　　　然后使用hw_module_exists 在 HAL_LIBRARY_PATH 环境变量、/vendor/lib/hw、/system/lib/hw 三个文件夹中 判断 "name"."subname".so 文件是否存在。如果都没有则查找 "name".default.so。

　　　　　　如果上述的模块存在，则调用load 加载，在load中使用了dlopen。再使用dlsym("HMI")从so获得名为hw_module_t结构体。然后判断结构体中的名字和name是否一致，一致则表明找到了模块。

JNI怎么使用HAL

　　使用hw_get_module获得一个hw_module_t结构体。调用module中的open函数来获得一个hw_device_t结构体。并且把hw_device_t结构体转换为设备自定义的结构体。自定义的结构体第一个成员是 hw_device_t结构体。

在 hardware/libhardware/include/hardware/ 下创建hal层的头文件，在hardware/libhardware/modules/ 目录下创建一个新的目录用来 存放hal的C文件，并创建一个Android.mk文件。

编译的话用 mmm  hardware/libhardware/modules/+创建的目录名。

/* filename： Android.mk */
LOCAL_PATH := $(call my-dir)

include $(CLEAR_VARS)

LOCAL_MODULE := myserial.default

LOCAL_MODULE_RELATIVE_PATH := hw
LOCAL_C_INCLUDES := hardware/libhardware
LOCAL_SRC_FILES := myserial.c
LOCAL_SHARED_LIBRARIES := liblog
LOCAL_MODULE_TAGS := eng

include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

myserial.c

#define LOG_TAG "MySerialHal"

#include <hardware/myserial.h>
#include <hardware/hardware.h>
#include <cutils/log.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

int halSerialOpen( char* filename, int flags ) 
{
    ALOGI("halSerialOpen:%s,%d
",filename,flags);
    return 0;
}
int halSerialSetOpt( int fd, int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop) 
{
    ALOGI("halSerialSetOpt:%d,%c
",fd,nEvent);
    return 0;
}
char* halSerialRead( int fd, int len )
{
    ALOGI("halSerialRead:%d,%c
",fd,len);
    return 0;
}
int halSerialWrite( int fd, char* txData ) 
{
    ALOGI("halSerialWrite:%d,%s
",fd,txData);
    return 0;
}
void halSerialClose( int fd )
{
    ALOGI("halSerialClose:%d
",fd);
}

struct myserial_device_t myserial_device = {
    .common = {
        .tag = HARDWARE_DEVICE_TAG,
    },
    .serial_open = halSerialOpen,
    .serial_setOpt = halSerialSetOpt,
    .serial_read = halSerialRead,
    .serial_write = halSerialWrite,
    .serial_close = halSerialClose,
};

int serial_open(const struct hw_module_t* module, const char* id,
            struct hw_device_t** device) {
    *device = &myserial_device;
     return 0;
 }

static struct hw_module_methods_t myserial_module_methods = {
    .open = serial_open,
};

struct hw_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {
    .tag = HARDWARE_MODULE_TAG,    
    .name = "myserial Device HAL",   
    .id = "myserial",        //必填
    .methods = &myserial_module_methods, //必填
};

myserial.h

#ifndef _HARDWARE_MYSERIAL_H
#define _HARDWARE_MYSERIAL_H

#include <hardware/hardware.h>

__BEGIN_DECLS

struct myserial_device_t {
    struct hw_device_t common;
    int (*serial_open)( char* filename, int flags ) ;
    int (*serial_setOpt)( int fd, int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop) ;
    char* (*serial_read)( int fd, int len );
    int (*serial_write)( int fd, char* txData ) ;
    void (*serial_close)( int fd );
} ;

__END_DECLS

#endif  // _HARDWARE_MYSERIAL_H

/* filename com_android_server_MySerialService.cpp */
#define LOG_TAG "MySerialService"

#include "jni.h"
#include "JNIHelp.h"
#include "android_runtime/AndroidRuntime.h"

#include <utils/misc.h>
#include <utils/Log.h>
#include <hardware/myserial.h>

#include <stdio.h>

namespace android
{

    struct hw_module_t *module;
    struct hw_device_t* device;
    struct myserial_device_t* serial_dev;

#if 1
static jstring charTojstring(JNIEnv* env, const char* pat) {
    //定义java String类 strClass
    jclass strClass = (env)->FindClass("Ljava/lang/String;");
    //获取String(byte[],String)的构造器,用于将本地byte[]数组转换为一个新String
    jmethodID ctorID = (env)->GetMethodID(strClass, "<init>", "([BLjava/lang/String;)V");
    //建立byte数组
    jbyteArray bytes = (env)->NewByteArray(strlen(pat));
    //将char* 转换为byte数组
    (env)->SetByteArrayRegion(bytes, 0, strlen(pat), (jbyte*) pat);
    // 设置String, 保存语言类型,用于byte数组转换至String时的参数
    jstring encoding = (env)->NewStringUTF("GB2312");
    //将byte数组转换为java String,并输出
    return (jstring) (env)->NewObject(strClass, ctorID, bytes, encoding);
}

static char* jstringToChar(JNIEnv* env, jstring jstr) {
    char* rtn = NULL;
    jclass clsstring = env->FindClass("java/lang/String");
    jstring strencode = env->NewStringUTF("GB2312");
    jmethodID mid = env->GetMethodID(clsstring, "getBytes", "(Ljava/lang/String;)[B");
    jbyteArray barr = (jbyteArray) env->CallObjectMethod(jstr, mid, strencode);
    jsize alen = env->GetArrayLength(barr);
    jbyte* ba = env->GetByteArrayElements(barr, JNI_FALSE);
    if (alen > 0) {
        rtn = (char*) malloc(alen + 1);
        memcpy(rtn, ba, alen);
        rtn[alen] = 0;
    }
    env->ReleaseByteArrayElements(barr, ba, 0);
    return rtn;
}
#endif

jint jniSerialOpen( JNIEnv *env, jobject clazz, jstring filename, jint flags ) 
{
    jint err;
    char *arrChars = jstringToChar(env, filename );
    
    err = hw_get_module("myserial",(hw_module_t const**)&module);
    if (err==0)
    {
        err = module->methods->open( module, NULL, &device );
        if (err==0)
        {
            serial_dev = (struct myserial_device_t*) device;
    
            ALOGI("jniSerialOpen:%s,%d
",arrChars,flags);

            return serial_dev->serial_open(arrChars,flags);
        } else {
            ALOGI("open:error
");   
        }
    } else {
        ALOGI("hw_get_module:error
");
    }
    return -1;
    
}
jint jniSerialSetOpt( JNIEnv *env, jobject clazz, jint fd, jint nSpeed, jint nBits, char nEvent, jint nStop) 
{
    ALOGI("jniSerialSetOpt:%d,%c
",fd,nEvent);
    return serial_dev->serial_setOpt(fd,nSpeed,nBits,nEvent,nStop);
}
jstring jniSerialRead( JNIEnv *env, jobject clazz, jint fd, jint len )
{
    char* arrTx= serial_dev->serial_read(fd,len);
    ALOGI("jniSerialRead:%d,%c
",fd,len);
    
    return charTojstring(env, arrTx);
}
jint jniSerialWrite( JNIEnv *env, jobject clazz, jint fd, jstring txData ) 
{
    char *arrChars = jstringToChar(env, txData );
    ALOGI("jniSerialWrite:%d,%s
",fd,arrChars);
    
    return serial_dev->serial_write(fd,arrChars);
}
void jniSerialClose( JNIEnv *env, jobject clazz, jint fd )
{
    ALOGI("jniSerialClose:%d
",fd);
    serial_dev->serial_close(fd);;
}

static JNINativeMethod method_table[] = {
    { "nativeSerialOpen", "(Ljava/lang/String;I)I", (void*)jniSerialOpen },
    { "nativeSerialSetOpt", "(IIICI)I", (void*)jniSerialSetOpt },
    { "nativeSerialRead", "(II)Ljava/lang/String;", (void*)jniSerialRead },
    { "nativeSerialWrite", "(ILjava/lang/String;)I", (void*)jniSerialWrite },
    { "nativeSerialClose", "(I)V", (void*)jniSerialClose },

     
};

int register_android_server_MySerialService(JNIEnv *env)
{
    return jniRegisterNativeMethods(env, "com/android/server/MySerialService",
            method_table, NELEM(method_table));
}

};

首先 实现一个 hw_module_t结构体，实现一个methods和id，methods中实现open函数，open函数根据传入的名字返回设备自定义的结构体。实现一个设备自定义的结构体，并在设备自定义的结构体中加入需要的函数指针，并在.c文件中实现这些函数。

编译：

mmm frameworks/base/services/
mmm  hardware/libhardware/modules/myserial/
make snod