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Android跨平台移植经验之谈

原创：M_r_D
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Part 1

元旦休息，闲来无事，又暂无睡意，写点东西捣鼓捣鼓吧！学的东西多了，就怕忘记以前的知识，所以还是记下来比较好。正所谓，好记性不如烂笔头！目前做的一个项目是移植android4.2，所以刚好可以把移植的经验跟大家分享分享，共同进步。尽管界面还没启动起来，但相信到那一天应该不远了。
标题自称为跨平台移植，那么究竟怎样跨平台了呢？出于公司利益的考虑，这里只透露一点点吧！我们现在所用的cpu（面向嵌入式）是公司自主研发的，市场上暂时还没有，其指令架构不同于市场上任何的cpu架构，例如arm、mips等。由于google谷歌官方不支持我们的cpu架构，而我们又想跑android系统，所以就需要把它移植到我们的平台上。架构不同，必然要使用不同的编译器，公司也自己开发了一个编译器。
android使用的kernel也是linux，所以在移植android之前，必须先把linux kernel移植好，这部份工作由kernel团队的成员完成，我很少参与，这里大概说个情况吧。首先就是要选择kernel的版本，在google官方，JellyBean（android 4.x版本的代号）搭配的kernel是3.0.x版本的，所以android4.2至少应该选择一个3.0或以上的kernel。我们选择的是3.4，为何要选择如此高版本的kernel？因为android与kernel的版本更新太快了，我们不想google官方出一个新版本，我们就要重新移植一次kernel，所以就选择版本比较高的kernel，用来兼容未来的android版本。版本定下来后，还要考虑用哪里的linux源代码，因为目前支持android的kernel有多种多样，这些都是被各大芯片厂商或者手机厂商修改过的，所以要选择最合适自己架构的kernel。kernel源码下载下来后，把里面架构相关的代码修改成自己平台的代码，其实主要是汇编级的代码。修改完毕后，做一个根文件系统，让kernel能启动到shell。最后就是开发各种驱动，不断地支持android的移植工作。
对于android这边的工作，首先下载4.2的源码，用git管理，源码里面有多个分支，我们一般不会跟着master分支走，因为master分支每天都有更新，很难维护。一般checkout到某个分支上，例如android-4.2_r1。android4.2里面支持3种架构：arm、mips、x86，它们的代码都混杂在一起，编译系统是如何区分它们的？是通过android自己的Makefile区分的，在一些目录下面的Android.mk文件中，可以看到里面有语句判断是哪个架构的；还有，在一些头文件（xx.h）里面也能看到#ifdef或者#ifndef等，这些架构信息都是在编译时通过读取环境变量得到的，编译系统会根据不同的环境变量来编译需要的代码。所以，我们需要修改android的编译脚本，把自己的架构添加进去，具体修改的地方有build/和device/目录下的编译脚本等。修改后的效果是，在编译前，执行source build/envsetup.sh，然后lunch，能看到自己的平台，这是最基本的一步。跟着，我们要了解有哪些模块涉及到架构相关的代码。经过一番摸索，终于知道了有哪些模块跟架构相关，这里给各位看官列出来：
1、bionic：仿生库，其实这个不用说大家也知道，bionic提供libc、libstdc++等函数库以及一些系统调用，里面很多头文件都由kernel导过来，所以必然有架构相关代码。要想android能够跑起来，bionic一定要移植成功。其实bionic的移植工作非常困难，公司是由一个有多年工具链开发经验的同事完成的。
2、llvm：一个编译器的后端，前端是clang。clang是apple公司开发的一款编译器，貌似性能要比gcc好。llvm也会在GPU那一块用到。
3、v8：JavaScript引擎，在浏览器中用到，分为解析执行和编译执行，解析执行时会产生汇编代码，所以要修改汇编代码生成器。
4、libbcc：RenderScript需要依赖于libbcc和llvm。
5、RenderScript：由于2和4的原因，所以RenderScript也涉及架构相关的代码。RenderScript是一个3D的画图库，功能类似于openGL，虽然没有openGL强大，但是其开发流程比较简单，而且拥有高性能的3D渲染效果。主要用在动态壁纸的实现等。
6、dalvik：android的java虚拟机，这家伙也是一大块啊，涉及很多编译原理。它支持3种模式：portable，fast，jit。
可能还有些跟架构相关的模块没列出来，本人目前只记得这些了，欢迎补充！android的启动不需要依赖于上面所有的模块，所以我们的计划是先把必须的模块移植好，先让系统起来。在上面的模块中，我们只需要移植好bionic和dalvik就能把系统运行起来。
必要的架构相关的模块移植好后，下一步要做的是编译一个android的最小系统，并把镜像做出来。编译的话，只能编到哪里出错就解决哪里的问题了。如果人手足够的话，可以把最小系统的模块分工好，让其他人员一个模块一个模块地扫过去，把不能编译的都修复好。修复的内容主要是，缺少架构的定义，缺少头文件，缺少某些变量和宏的定义等。这些一般都是修改一些xx.mk文件添加架构支持，或者在bionic中导入所需要的头文件，定义变量、宏等。这样分工，能加快进展速度。
最小系统编译完成后，就要做image，烧到SD卡或者nanflash中启动，什么样的根文件系统格式配什么样的镜像，大家要弄清楚。
启动的第一步当然是启动init进程，接着是把必要的服务运行起来，直到shell能用。这时，就能调试servicemanager和surfaceflinger等服务了，幸运的话，一般起来都不会有太大的问题。surfaceflinger可以用bootanimation验证它的功能，如果看到android的文字logo，就证明surfaceflinger能工作。如果shell都不能启动的话，可以跑一下在android源码中system/extra/tests下面的测试程序，主要是测试kernel是否为启动android作了足够的准备。在jni层的服务都能启动后，接下来就是调试zygote了，zygote里面开始进入java世界，调试zygote是最难的一关，总会遇到各种segmentfault，很恐怖的说。。。。。
目前的进展只到这里，等到系统的界面出来后再跟大家接着分享吧！！


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Part 2
经过一翻折腾后，终于看到界面了，尽管很难看！呵呵！导致这一问题的原因是RenderScript没移植好，另外，还有部分的服务没启动起来。接下来是把其它服务和模块逐一地移植上去，启动界面的过程中遇到挺多问题的，有空再跟大家分享！先上图！左边紫色那块的数字是时间9：xx。


问题：

启动界面遇到一个最重要的错误是产生了不对齐的地址访问，这个不对齐的地址访问会导致segment fault（段错误），打印的log如下：
page_fault() #2: sending SIGSEGV to ActivityManager for invalid read access from
31f90000 (epc == 2fdbceb4, ra == 2b9993b4)
F/libc(272): Failed while talking to debuggerd: Bad file number
I/DEBUG(43): *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** ***
I/DEBUG(43): Build fingerprint: 'Android/mini_duck/duck:4.2/JOP40C/eng.zengdaquan.20130104.113607:eng/test-keys'
I/DEBUG(43): Revision: '0'
I/DEBUG(43): pid: 272, tid: 287, name: ActivityManager>>> system_server <<<
I/DEBUG(43): signal 11 (SIGSEGV), code 1 (SEGV_MAPERR), fault addr 31f90000
I/DEBUG(43):zr 00000000at 00000007v0 00060000v1 555b9c80
I/DEBUG(43):a0 555ba070a1 b8500001a2 321071cda3 00000001
I/DEBUG(43):t0 31e83ed0t1 2e69b308t2 2d634a70t3 2e68cf52
I/DEBUG(43):t4 00000000t5 ffffffect6 00000001t7 00000001
I/DEBUG(43):s0 00000000s1 555b9c18s2 00000008s3 00000018
I/DEBUG(43):s4 00000000s5 00000000s6 31e83e90s7 00000000
I/DEBUG(43):t8 fffffffft9 2fdbceb0k0 00000000k1 00000000
I/DEBUG(43):gp 2baa17d0sp 31f9fb50s8 0000004cra 2b9993b4
I/DEBUG(43):hi 00554909lo 00000000 bva 2ab9d3c0 epc 2fdbceb4
I/DEBUG(43):
I/DEBUG(43): backtrace:
I/DEBUG(43):#00pc 0003ceb4/system/lib/libjavacore.so
I/DEBUG(43):#01pc 000293b0/system/lib/libdvm.so (dvmPlatformInvoke+340)
I/DEBUG(43):
I/DEBUG(43): stack:
I/DEBUG(43):31f9fb10003fffff
I/DEBUG(43):31f9fb140000b97a
I/DEBUG(43):31f9fb180000c680
I/DEBUG(43):31f9fb1c2bef11c0/dev/ashmem/dalvik-heap (deleted)
I/DEBUG(43):31f9fb2000001204
I/DEBUG(43):31f9fb2400000000
I/DEBUG(43):31f9fb2800000000
I/DEBUG(43):31f9fb2c00000000
I/DEBUG(43):31f9fb3000000000
I/DEBUG(43):31f9fb3400000000
I/DEBUG(43):31f9fb3800000000
I/DEBUG(43):31f9fb3c00000000
I/DEBUG(43):31f9fb4000000001
I/DEBUG(43):31f9fb442ba9c1c8/system/lib/libdvm.so (gDvm+896)
I/DEBUG(43):31f9fb4800000001
I/DEBUG(43):31f9fb4c00000000
I/DEBUG(43):#0031f9fb502b9e4948/system/lib/libdvm.so (dvmCallJNIMethod(unsigned int const*, JValue*, Method const*, Thread*)+488)
I/DEBUG(43):................
I/DEBUG(43):#0131f9fb502b9e4948/system/lib/libdvm.so (dvmCallJNIMethod(unsigned int const*, JValue*, Method const*, Thread*)+488)
I/DEBUG(43):31f9fb54555b9c18[heap]
I/DEBUG(43):31f9fb582fdbceb0/system/lib/libjavacore.so
I/DEBUG(43):31f9fb5c2d547f00/dev/ashmem/dalvik-LinearAlloc (deleted)
I/DEBUG(43):31f9fb60555b9c18[heap]
I/DEBUG(43):31f9fb64555b9c08[heap]
I/DEBUG(43):31f9fb6800000000
...


从中可以看到”epc 2fdbceb4“这条信息，表示发生错误的pc指向2fdbceb4，这是谁的空间呢，再看
I/DEBUG(43): backtrace:
I/DEBUG(43):#00pc 0003ceb4/system/lib/libjavacore.so
I/DEBUG(43):#01pc 000293b0/system/lib/libdvm.so (dvmPlatformInvoke+340)
这3行信息，pc是从#01跳到#00的，而#00的pc偏移量刚好是epc的最后几位，所以libjavacore.so就是发生错误的动态库。用objdump反汇编libjavacore.so，查看偏移量指向的指令是

3ceb4:60660000ld.w$3,0($6)
这条指令的意思是读取6号寄存器偏移量为0的内容，放到3号寄存器，我们可以从上面打印的log中看到6号寄存器的内容是321071cd，16进制的，最后一位d表示13，是基地址，我现在用的cpu不支持不对齐的访问，所以就产生了segment fault。
如何处理这个错误！？
首先是调查哪句代码产生了不对齐的访问，用命令“addr2line -e libjavacore.so 3ceb4”可以跟踪到具体哪行代码（addr2line的使用请参考其它资料，这里不再说明）。查看到的代码是libcore/luni/src/main/native/libcore_io_Memory.cpp:284
283 static jint Memory_peekInt(JNIEnv*, jclass, jint srcAddress, jboolean swap) {
284jint result = *cast(srcAddress);
285if (swap) {
286result = bswap_32(result);
287}
288return result;
289 }

284行是jint result = *cast(srcAddress)，上面说到读取6号寄存器时产生了错误，6号寄存器是a2，也就是函数的第3个参数，这里srcAddress刚好是第3个参数，所以符合产生错误的逻辑。既然直接读取srcAddress的值会产生不对齐的访问，那么我们就换另外一种方式去读取。有那些方式可以避免不对齐的访问呢？可以用memcpy，它读取内容的方式是一个字节一个字节的读取的，不理会地址是否对齐。所以用它来间接读取srcAddress就能解决这一问题，代码修改后如下：
static jint Memory_peekInt(JNIEnv*, jclass, jint srcAddress, jboolean swap) {
jint result;
memcpy((void*)&result, (void*)(srcAddress),sizeof(jint));
if (swap) {
result = bswap_32(result);
}
return result;
}

其实，这只是一个暂时的解决办法，不对齐的操作应该还是在kernel里面处理的，现在只能等到kernel团队的人有空的时候再做修改。
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Part 3

修了一个bug之后，能显示成这样子了，没有显示背景主要是因为wallpaper service没启动好。Go ahead~




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Part 4

架构相关的模块移植好之后，剩下的都是一些很零散的问题，例如android跟kernel的磨合，驱动的debug，android自身的各种服务和它们之间的机制问题等！只能一个一个地去修bug了！目前android系统已基本上运行起来！

【Android跨平台移植经验之谈】到此，本文也应该到了收笔之处。感谢大家一直以来的关注和支持！

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