Kernel

Для многих разработчиков приложений далеко не секрет, что экосистема Android не предполагает написание полностью нативных приложений: в этой платформе очень многое завязано на Java и без ART можно запустить только простые службы без какого-либо интерфейса. Однако, есть один способ писать практически под «голый» Linux, не перекомпилируя ядро и при этом пользоваться самыми интересными фишками устройства без оверхеда в виде тяжелого Android: ускорение 3D-графики (OpenGLES), микшер звука, ввод с различных устройств, OTG, Wi-Fi и если очень постараться — даже 3G. Это открывает множество разных интересных применений старым устройствам: «железо» смартфонов зачастую гораздо мощнее современных недорогих одноплатников. Сегодня я покажу вам, как написать и запустить программу, которая полностью написанное на C без Android, на No-Name Android-смартфоне практически без модификаций. Интересно? Жду вас в статье!

❯ Что нам нужно знать?

Даже относительно старые устройства флагманского сегмента обладают весьма неплохими характеристиками. Зачастую они гораздо мощнее современных дешевых одноплатников и могут выполнять самые разные задачи: эмуляция консолей, работа в качестве плееров, да даже просто сделать настольные часики самому было бы здорово. Но есть одно но — это Android. Платформа от Google может тормозить даже на достаточно мощном железе, что резко ограничивает потенциально возможные применения подобных гаджетов. Да и многие программисты не особо хотят заморачиваться и учить API Android для реализации каких-то своих проектов.

Но конечно же, есть один способ писать нативные программы, при этом используя все ресурсы смартфона/планшета. Для этого нужно понимание, как работает процесс загрузки на многих Android-гаджетах:

1. Первичный загрузчик (BootROM) инициализирует какую-то часть периферии и загружает вторичный загрузчик (U-boot/LK).

2. Вторичный загрузчик, используя определенные аргументы (например зажата ли какая-то кнопка) выбирает, с какого раздела грузить ядро системы.

3. После загрузки ядра Linux и подключения ramdisk начинается выполнение процессов системы.

Как раз в третьем пункте и лежит ключ к способу, который будем использовать мы. Дело в том, что в смартфоне обычно есть несколько boot-разделов и у каждого свой образ ядра Linux со своим ramdisk. Первый из них — это знакомый моддерамboot.img, который отвечает за загрузку системы и инициализирует железо/монтирует разделы/подготавливает окружение к работе (.rc файлы) и запускает главный процесс Android —zygote. При этом используется собственная реализация init от Android.

Второй, не менее знакомый многим раздел —recovery, отвечает за так называемый режим восстановления, в котором мы можем сбросить данные до заводских настроек/очистить кэши или прошить кастомную прошивку. Вероятно, многие из вас замечали, насколько быстро ваш девайс загружает этот режим, гораздо быстрее, чем загрузка обычного Android. И именно в его реализацию нам нужнозаглянуть(я намеренно выбрал бранч версии 2.3 — т.е Gingerbread для простоты):

А recovery оказывается самой обычной нативной программой, написанной на C со своим небольшим фреймворком для работы с графикой и вводом. В процессе загрузки режима recovery, скрипт запускает одноименную программу в /sbin/, благодаря которому мы видим простую и понятную менюшку. Так почему бы не использовать этот раздел в своих целях и не написать какую-нибудь нативную программу самому?

Как я уже говорил выше, в этом режиме доступны многие аппаратные возможности вашего смартфона, за исключением модема. Используя полученную информацию, предлагаю написать наше небольшое приложение под Android-смартфон без Android сами!

❯ Подготавливаем окружение

В первую очередь, хотелось бы отметить, что программы под «голый» смартфон можно писать не только на C/C++. Нам доступен как минимум FPC, который довольно давно умеет компилировать голые бинарники под Android. Кроме того, мы можем портировать маленькие embedded-версии интерпретаторов таких языков, как lua, micropython и duktape (JS).

Однако в случае нативных программ, есть два важных правила, которые необходимо понимать. Во-первых, в Android используется собственную реализацию стандартной библиотеки libc — bionic, в то время как на десктопных дистрибутивах используется glibc. Между собой они не совместимы — именно поэтому вы не можете просто взять и запустить консольную программу для Raspberry Pi, например.

А второе правило заключается в том, что начиная с версии 4.1, Androidтребует, чтобы все нативные программы были скомпилированы в режиме -fPIE — т. е. выходной код должен не зависеть от адреса загрузки программы в виртуальную память. Для этого достаточно добавить ключ -fPIE, однако учтите, что если вы разрабатываете программу под Android 4.0 и ниже, то fPIE наоборот необходимо убрать — старые версии Androidнеподдерживают такой способ генерации кода и будут вылетать с Segmentation fault.

Для разработки нам понадобится ndk — там есть все необходимые заголовочники и компиляторы для нашей работы. Я используюndk r9c, поскольку в свежих версиях Google регулярно может что-то сломать.
ndk-build, к сожалению, здесь работать не будет, поэтому Makefile придется написать самому. Я составил полностью рабочий Makefile, который без проблем скомпилирует валидную программу, вам остаётся лишь поменять NDK_DIR.

NDK_DIR = D:/android-ndk-r11c/

TOOLCHAIN_DIR = $(NDK_DIR)toolchains/arm-linux-androideabi-4.9/prebuilt/windows-x86_64/bin/

GCC = $(TOOLCHAIN_DIR)arm-linux-androideabi-g++

PLAT_DIR = $(NDK_DIR)platforms/android-17/arch-arm/usr/

LINK_LIBS = -l:libEGL.so -l:libGLESv1_CM.so

OUTPUT_NAME = cmdprog

build:

$(GCC) -I $(PLAT_DIR)include/ -L $(PLAT_DIR)lib/ -fPIE -Wl,-dynamic-linker=/sbin/linker $(LINK_LIBS) -static -o $(OUTPUT_NAME) main.cpp micro2d.cpp

После этого пишем простенькую программу, которая должна вывести «Test» и компилируем её.

❯ Деплоим на устройство

Несмотря на то, что грузиться мы будем в режим recovery, нам всё равно будет доступен adb, через который мы сможем запускать и отлаживать нашу программу. Это очень удобно, однако по умолчанию adb включен только в TWRP, который нужно сначала найти или портировать под ваш девайс (на большинство старых брендовых устройств порты есть, на нонейм придется портировать самому — гайды есть в интернете). Под ваше устройство есть TWRP? Отлично, распаковываете recovery.img с помощью так называемой «кухни» (MTKImgTools как вариант):

Открываете init.recovery.service.rc и убираете оттуда запуск одноименной службы (можно просто оставить файл пустым).

Запаковываем образ обратно тем же MTKImgTools и прошиваем флэшером для вашего устройства — в моём случае, это SP Flash Tool (MediaTek):

Заходим в режим рекавери и видим зависшую заставку устройства и звук подключения устройства к ПК. Если у вас установлены драйвера, то вы сможете без проблем зайти в adb shell и попасть в терминал для управления устройством. Теперь можно закинуть программу — прямо в корень рамдиска (записывается программа в ОЗУ, но при переполнении, телефон уйдет в ребут — осторожнее с этим). Пишем:

adb push cmdprog /: adb shell chmod 777 cmdprog ./cmdprog

И видим результат. Наша программа запускается и работает!

Это просто отлично. Однако я ведь обещал вам, что мы напишем программу, которая сможет выводить графику и обрабатывать ввод, предлагаю перейти к практической реализации!

❯ Выводим графику

Для вывода графики без оконных систем, мы будем использовать API фреймбуфера Linux, которое позволяет нам получить прямой доступ к массиву пикселей на экране. Однако учтите, что этот способ полностью программный и может оказаться тормозным для вашего приложения: скорость работы прямо-пропорциональна разрешению дисплея вашего устройства. Чем выше разрешение, тем ниже филлрейт. В моём случае, матрица была с разрешением 960x540, 32млн цветов, IPS — очень недурно, согласны?

Фреймбуфер Linux может работать с самыми разными форматами пикселя, имейте это ввиду. На некоторых устройствах может быть 16-битный формат (262 тысячи цветов, RGB565), на моём же оказался 32х-битный с выравниванием по строкам (имейте это также ввиду). 32х битный формат. Работать с ним легко: открываем устройство /dev/graphics/fb0, получаем параметры (разрешение, формат пикселя), делаем mmap для отображения буфера с пикселями на экране в память нашего процесса и выделяем второй буфер для двойной буферизации дабы избежать неприятных мерцаний.

void m2dAllocFrameBuffer()

{

fbDev = open(PRIMARY_FB, O_RDWR);

fb_var_screeninfo vInfo; fb_fix_screeninfo fInfo;

ioctl(fbDev, FBIOGET_VSCREENINFO, &vInfo);

ioctl(fbDev, FBIOGET_FSCREENINFO, &fInfo); fbDesc.width = vInfo.xres;

fbDesc.height = vInfo.yres;

fbDesc.pixels = (unsigned char*)mmap(0, fInfo.smem_len, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fbDev, 0); f

bDesc.length = fInfo.smem_len; fbDesc.lineLength = fInfo.line_length;

backBuffer = (unsigned char*)malloc(fInfo.smem_len); memset(backBuffer, 128, fInfo.smem_len);

printf("Framebuffer is %s %ix%ix%i\n", (char*)&fInfo.id, fbDesc.width, fbDesc.height, vInfo.bits_per_pixel, fInfo.type);

}

Если не сделать предыдущий шаг и запускать нашу программу параллельно с recovery, то они обе будут пытаться друг друга «перекрыть» — эдакий race condition:

После этого пишем простенькие функции для блиттинга картинок (в том числе с альфа-блендингом). В инлайнах и критичных к скорости функциям лучше не делать условия на проверку границ нашего буфера — лучше «отрезать» ненужное еще на этапе просчета ширины/высоты:

__inline void pixelAt(int x, int y, byte r, byte g, byte b, float alpha)

{

if(x < 0 || y < 0 || x >= fbDesc.width || y >= fbDesc.height) return;

unsigned char* absPtr = &backBuffer[(y * fbDesc.lineLength) + (x * 4)];

if(alpha >= 0.99f)

{

absPtr[0] = b;

absPtr[1] = g;

absPtr[2] = r;

}

else {

absPtr[0] = (byte)(b * alpha + absPtr[0] * (1.0f - alpha));

absPtr[1] = (byte)(g * alpha + absPtr[1] * (1.0f - alpha));

absPtr[2] = (byte)(r * alpha + absPtr[2] * (1.0f - alpha));

} absPtr[3] = 255; }

for(int i = 0; i < image->height; i++)

{

for(int j = 0; j < image->width; j++)

{

byte* ptr = &image->pixels[((image->height - i) * image->width + j) * 3]; pixelAt(x + j, y + i, ptr[0], ptr[1], ptr[2], alpha);

}

}

И загрузчик TGA:

CImage* m2dLoadImage(char* fileName) {

FILE* f = fopen(fileName, "r");

printf("m2dLoadImage: Loading %s\n", fileName);

if(!f)

{

printf("m2dLoadImage: Failed to load %s\n", fileName);

return 0;

}

CTgaHeader hdr;

fread(&hdr, sizeof(hdr), 1, f);

if(hdr.paletteType)

{

printf("m2dLoadImage: Palette images are unsupported\n");

return 0;

}

if(hdr.bpp != 24) {

printf("m2dLoadImage: Unsupported BPP\n");

return 0;

}

byte* buf = (byte*)malloc(hdr.width * hdr.height * (hdr.bpp / 8));

assert(buf);

fread(buf, hdr.width * hdr.height * (hdr.bpp / 8), 1, f);

fclose(f);

CImage* ret = (CImage*)malloc(sizeof(CImage));

ret->width = hdr.width;

ret->height = hdr.height;

ret->pixels = buf;

printf("m2dLoadImage: Loaded %s %ix%i\n", fileName, ret->width, ret->height);

return ret;

}

И попробуем вывести картинку:

m2dInit();

test = m2dLoadImage("test.tga");

test2 = m2dLoadImage("habr.tga");

while(1)

{

m2dClear();

m2dDrawImage(test, 0, 0, 1.0f);

m2dDrawImage(test2, tsX - (test2->width / 2), tsY - (test2->height / 2), 0.5f);

m2dFlush();

}

Не забываем про порядок пикселей в TGA (BGR, вместо RGB), меняем канали b и r местами в pixelAt и наслаждаемся картинкой на большом и классном IPS-дисплее:

Производительность отрисовки не очень высокая, однако если оптимизировать код (копировать непрозрачные картинки сразу сканлайнами и убрать проверки в инлайнах), то будет немного шустрее. Google для подобных целей сделали собственный простенький софтрендер —libpixelflinger.

Есть вариант для быстрой и динамичной графики: использовать GLES, который без проблем доступен и из recovery. Однако, насколько мне известно (в исходники драйверов посмотреть не могу), указать фреймбуфер в качестве окна не получится, поэтому в качестве Surface для рендертаргета у нас будет служить Pixmap (так называемый off-screen rendering), которому нужно задать правильный формат пикселя (см. документацию EGL). Рисуем туда картинку с аппаратным ускорением и затем просто копируем в фреймбуфер с помощью memcpy.

❯ Обработка нажатий

Однако, ни о каких GUI-программах не идёт речь, если мы не умеет обрабатывать нажатия на экране с полноценным мультитачем! Благо, даже механизм обработки событий в Linux очень простой и приятный: мы точно также открываем устройство и просто читаем из него события в фиксированную структуру. Эта черта мне очень нравится в архитектуре Linux!

Каждое устройство, которое может передавать данные о нажатиях, находится в папке /dev/input/ и имеет имя вида event. Как узнать нужный нам event? Нам нужен mtk-tpd — реализация драйвера тачскрина от MediaTek (у вашего чипсета может быть по своему), для этого загружаемся в Android и пишем getevent. Он покажет доступные в системе устройства ввода — в моём случае, это event2:

Из event можно читать как в блокирующем, так и не в блокирующем режиме, нам нужен второй. Более того, в них можно инжектить события, что я показывал в статье про создание своей консоли из планшета с нерабочим тачскрином:

// Open input device evDev = open(INPUT_EVENT_TPD, O_RDWR | O_NONBLOCK);

После этого, читаем события с помощью read и обрабатываем их. На устройствах с резистивным тачскрином, передается просто ABS_POSITION_X, на устройствах с поддержкой нескольких касаний — используетсяпротокол MT. Когда пользователь нажал на экран, посылается нажатие BTN_TOUCH с значением 1, а когда отпускает — соответственно BTN_TOUCH с значением 0. Разные драйверы тачскрина используют разные координатные системы (насколько я понял), в случае MediaTek — это абсолютные координаты на дисплее (вплоть до ширины и высоты). На данный момент, я реализовал поддержку только одного касания, но при желании можно добавить трекинг нескольких нажатий:

void m2dUpdateInput()

{

input_event ev;

int ret = 0;

while((ret = read(evDev, &ev, sizeof(input_event)) != -1))

{

if(ev.code == ABS_MT_POSITION_X) tsState.x = ev.value;

if(ev.code == ABS_MT_POSITION_Y) tsState.y = ev.value;

if(ev.code == BTN_TOUCH) tsState.isPressed = ev.value == 1;

}

tsState.cb(tsState.isPressed, tsState.x, tsState.y); }

Теперь мы можем «возить» логотип Хабра по всему экрану:

void onTouchUpdate(bool isTouching, int x, int y) {

if(isTouching)

{

tsX = x;

tsY = y;

}

}

int main(int argc, char** argv) {

printf("Test\n");

m2dInit();

test = m2dLoadImage("test.tga");

test2 = m2dLoadImage("habr.tga");

printf("Volume: %i %i\n", vol, muteState);

m2dAttachTouchCallback(&onTouchUpdate);

while(1) {

m2dUpdateInput();

m2dClear();

m2dDrawImage(test, 0, 0, 1.0f);

m2dDrawImage(test2, tsX - (test2->width / 2), tsY - (test2->height / 2), 0.5f);

m2dFlush();

}

return 0;

}

В целом, это уже можно назвать минимально-необходимым минимумом для взаимодействия с устройством и использованию всех его возможностей на максимум без Android. Более того, такой метод заработает почти на любом устройстве, в том числе и китайских NoName, где ни о каких исходниках ядра и речи нет. Теперь вы можете попытаться использовать ваше старое Android-устройство для чего-нибудь полезного без необходимости изучать API Android.

❯ Звук, модем и другие возможности

Для звука нам придётся использовать ALSA — поскольку эта подсистема звука сейчас используется в большинстве устройств на Linux. Судя по всему, тут есть режим эмуляции старого и удобного OSS, поскольку устройства /dev/snd/dsp присутствует. Однако, вывод в него какого либо PCM-потока не даёт ничего, поэтому нам пригодится ALSA-lib.

Другой вопрос касается модема и сети. И если Wi-Fi ещё можно поднять (wpa_supplicant можно взять из раздела /system/), то с модемом будут проблемы — нет единого протокола по общению с ним и кое-где, чтобы его заставить работать, нужно будет немного попотеть. Не стесняйтесь изучать исходники ядра (MediaTek охотно делится реализацией вообще всего — там и RIL, и драйвер общения с модемом) и смотреть интересующие вас фишки!

❯ Заключение

Как мы с вами видим, у старых девайсов все еще есть перспективы стать полезными в какой-либо сфере даже без Android на борту. На тех устройствах, где нет порта Ubuntu или обычного десктопного Linux, всё равно сохраняется возможность писать нативные программы и попытаться приносить пользу.

Не стесняйтесь лезть и изучать вендорские исходники — это даёт понимание, как работают устройства изнутри. Собственно, благодаря такому ежедневному копанию исходников системы и появилась данная статья! :)

Хочу представить вам плеер и синтезатор для системного спикера, написанный на Rust.

Поддерживает воспроизведение MP3, WAV, FLAC, трекерной музыки - и вообще всего, что может быть сконвертировано библиотекой ffmpeg в WAV-PCM. Для улучшения качества звука поддерживает обработку звука с помощью фильтров: например, фильтры высоких и низких частот, а также извлечение из сигнала самых значимых гармоник с помощью преобразования Фурье.

Также поддерживается многоканальное воспроизведение собственной музыки, написанной в текстовом виде в специальном формате.

Ссылка на GitHub: https://github.com/HoShiMin/BeeSynth

Как это работает: доступ к спикеру осуществляется с помощью так называемых портов ввода-вывода - специального интерфейса в процессоре, выделенного для работы с чипсетом и периферийными устройствами. Этот интерфейс сводится к двум машинным инструкциям: in и out, которые обычно доступны только в режиме ядра (Ring0) - в привилегированном режиме, к которому у пользовательских программ доступа нет. А значит, нам нужен драйвер, который или откроет для нашей программы доступ к портам в пользовательский режим (юзермод, он же Ring3), или будет служить «мостиком» между Ring3 и Ring0, позволяя юзермоду отправлять запросы в ядро и работать с портами оттуда.

В проекте поддерживаются оба способа при использовании драйвера InpOut:
1. Отправляем ему запросы на работу с портами.
2. С его помощью патчим уровень привилегий, с которым наш поток может работать с портами, с Ring0 на Ring3 - таким образом, поток получает возможность работать с портами из юзермода напрямую - без необходимости запрашивать драйвер.

Научились работать со спикером: теперь необходимо понять, что играть. Самый удобный формат для воспроизведения - WAV, т.к. представляет собой массив сэмплов фиксированной длительности. Каждый сэмпл - амплитуда сигнала в момент времени, соответствующий номеру сэмпла в массиве. Поэтому все музыкальные форматы мы предварительно конвертируем в WAV с помощью библиотеки ffmpeg.

Спикер имеет только два состояния: напряжение приложено (мембрана поднята вверх) и напряжение снято (мембрана опущена). Таким образом, мы можем воспроизводить звук с глубиной дискретизации всего в 1 бит, в отличие от типовых WAV-файлов с глубиной дискретизации в 16 бит, поэтому нужен такой алгоритм ресэмплинга, который позволит добиться приемлемого качества звука. И здесь возможны варианты: можно использовать широтно-импульсную модуляцию (PWM), чтобы научить мембрану занимать промежуточные положения между 0 и 1, настолько быстро подавая и снимая напряжение, чтобы мембрана не успевала доходить до граничных положений, но сделать это очень сложно из-за различий в физических свойствах разных спикеров в разных компьютерах. Поэтому в проекте реализован другой подход: положение переключается на каждый амплитудный пик или на каждую амплитудную впадину в сигнале, что даёт уверенное качество звука и хорошую громкость.

Остался последний штрих: можно улучшить качество звука, отрезав самые низы, которые спикер не воспроизведёт, и верхи, которые приводят к шуму. Сделать это можно, используя фильтры низких и высоких частот.

В итоге мы можем воспроизводить любой звук в относительно хорошем качестве. Технические детали и более подробное описание можно найти в README на страничке проекта на гитхабе.

К сожалению, в наше время многие старые, но весьма неплохие по характеристикам гаджеты отправляются напрямую в помойку, и их владельцы не подозревают, что им можно найти применение. Сервер, мультимедийная-станция, да даже просто как TV-приставка — люди в упор не замечают сфер, где старенький планшет мог бы быть полезен. Но как быть, если посвящаешь жизнь портативным гаджетам, кодингу и копанию в железе? Правильно: сделать довольно мощную игровую консоль из старого планшета самому! Сегодня вам расскажу, как я сделал свою портативную приставку из планшета с нерабочим тачскрином, Raspberry Pi Pico и 8 кнопок! За рабочим результатом прячется несколько дней работы: поиск UART на плате, разработка контроллера геймпада на базе RPi Pico, написание приложения-сервиса, которое слушает события и отправляет их в подсистему ввода Linux в обход Android. Интересно? Тогда жду вас под катом!

❯ Мотивация

Прошло уже практически 10 лет с того момента, как у меня появилась моя первая портативная консоль. Несмотря на то, что я был заядлым ПК-игроком, я уже успел посмотреть на PS3 и PSP, но денег на их покупку у меня особо не было, да и к тому времени уже был в наличии Android-планшет. Но к моему 13-летию в 2014 году, когда я ходил и выбирал себе будущий девайс на день рождения, отец и мама решили подарить мне мою первую портативную консоль. Изначально, я уговаривал её купить мне целых два девайса, но бюджет был ограничен 4.000 рублей, а я хотел взять смартфон Fly IQ239 и консоль JXD S601 одновременно:

Однако, увидев здоровую 7-дюймовую консоль в магазине TREC (думаю, жители южной части РФ помнят такой), мама уговорила меня взять именно её, мотивируя это «ну и чего ты будешь тыкаться в этот мелкий экран? Возьми большую». После покупки гаджета, я был доволен: играл какие-то игрушки с ретро-платформ, устанавливал игры на Android, сидел в ВК через Kate Mobile. Что еще нужно было школяру? Однако, планшет прожил у меня недолго: с очередного лага я психанул и ударил по нему кулачком, унеся на тот свет и дисплей и тачскрин. Так консолька и пролежала в подвале около 8 лет. Впрочем, мне продолжали импонировать подобные устройства и в прошлом году я купил и написал про несколько подобных девайсов.

Несколько месяцев назад, мой читатель Кирилл Севостьянов с Хабра прислал мне HTC HD2 в качестве донора и планшет Prestigio PMP7170B3G, который был рабочим, но… у него отказал тачскрин. Я всё думал, чего бы с ним сделать и решил реализовать игровую консольку своими руками из подручных средств. Идея крутилась в голове довольно давно, но реализовал я её только сейчас.

❯ Что нам нужно сделать?

Итак, что должно быть у портативной консоли? Чипсет, дисплей, звук, ОС — это всё нам уже предоставляет планшет. Нам остаётся лишь сделать свой геймпад. Давайте подумаем, что нам будет нужно для того, чтобы его сделать и передавать от него события на планшет:

• Контроллер для геймпада: тут нам подойдет практически любой микроконтроллер, который работает от 3.3в. Выбор большой: Arduino Pro Mini 3.3v, ESP32, RPi Pico. Я остановился на последнем: недавно я взял себе две штучки «пощупать» их — и они мне очень понравились!

• Физический интерфейс: с планшетом нужно как-то общаться. У нас есть три варианта: USB (не факт, что поддержка преобразователей включена в ядре), UART и SPI/I2C на пятачках тачскрина (потребуют написания драйвера т. к. в android-устройствах нет прямого доступа к SPI/I2C из userland'а). Я остановился на UART: его легко найти на большинстве китайских планшетов, а если не получилось — то на помощь может прийти схема платы.

• Программная реализация: как это будет работать? Я решил реализовать геймпад в виде сервиса на Android, который слушает состояния кнопок с UART и «инжектит» события напрямую в драйвер ввода. Таким образом, поддержка нашего геймпада появляется даже в самой системе — можно управлять менюшкой или приложениями как с клавиатуры!

  
  С планом определились, пора начать с программной части: сначала нам обязательно понадобится ROOT-доступ. Его получение на разных девайсах отличается — на prestigio уже был порт CWM и я просто поставил SuperSU. Без ROOT доступа мы не сможем использовать UART!

Теперь нам нужно найти пятачки UART на плате. Разведен он не везде, но в случае устройств на MediaTek — почти всегда, ещё и пятачки подписаны. На моём планшете он нашёлся сразу: был между двух металлических экранов и соответствовал 4-ому каналу UART. Получить к нему доступ можно в /dev/ttyMT3. Я использую ESP32 в качестве UART преобразователя: подпаиваемся к RX/TX, запускаем putty и заходим в adb shell. Определяем бодрейт (скорость) нашего UART порта — на MediaTek он обычно равен 921600, на других чипсетах — 115200. Пытаемся что-то вывести и хоба — мы уже можем «поболтать» с планшетом!

❯ Приложение-сервис

Итак, у нас уже есть доступ к UART и мы можем общаться с планшетом из внешнего мира. Но получить события с кнопок пол дела, нужно их ещё и послать в систему. Для этого есть целых три способа:

1. InputManager.injectInputEvent — именно этим методом пользуется команда input, которую вы можете использовать через adb. Но увы, он работает только при наличие разрешения INJECT_EVENTS, который доступен только системным приложениям — находятся они в /system/app и подписаны тем же сертификатом, что и остальная прошивка.

2. Модуль uinput дает возможность создать виртуальное устройство ввода и посылать события из userland'а — т. е. из прикладного приложения. У моего планшета было устройство /dev/uinput, но lsmod показывал, что сам модуль не загружен. Так что отметаем — он есть не везде.

3. Прямой инжект событий в character устройство — весьма грязный хак, который позволяет инжектить события, не притворяясь системным приложением, но имеет некоторые ограничения. Именно его я и выбрал и о ограничениях ниже.

Сначала нам нужно узнать, какие кнопки поддерживают загруженные устройства ввода в системе. Для этого используем команду getevent -li. Там есть разные устройства ввода, в том числе и тачскрин (если вам нужно симулировать нажатия на экран), мне же подошёл драйвер физических кнопок mtk-kpd. Он занимается обработкой кнопок громкости, включения и т. п. Тут важно обратить внимание на то, что если попытаться послать кнопку, которое устройство не реализует (например пробел), то ничего не произойдет:

Инжект событий я писал на C, т. к. это требовало прямой записи input_event, а в Java прокинул его через Jni. Концепция простая: открываем устройство /dev/input/event2 и посылаем в него события ввода и синхронизации (это обязательно!), которые затем Android читает и обрабатывает:

#include <linux/uinput.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <android/log.h>

#include <jni.h>

int uinput;

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL Java_com_monobogdan_inputservicebridge_InputNative_init(JNIEnv *env, jclass clazz) {

uinput = open("/dev/input/event2", O_WRONLY);

__android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG , "Test", uinput >= 0 ? "Open event OK" : "Failed to open event"); }

void emit(int fd, int type, int code, int val) {

struct input_event ie; ie.type = type;

ie.code = code; ie.value = val;

ie.time.tv_sec = 0;

ie.time.tv_usec = 0;

write(fd, &ie, sizeof(ie)); }

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL Java_com_monobogdan_inputservicebridge_InputNative_sendKeyEvent(JNIEnv *env, jclass clazz, jint key_code, jboolean pressed) {

__android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG , "Test", "Send");

emit(uinput, EV_KEY, key_code, (bool)pressed ? 1 : 0);

emit(uinput, EV_SYN, SYN_REPORT, 0);

}

Основной обработкой занимается сервис, который я реализовал в отдельном потоке: он слушает события с UART и посылает соответствующие изменения состояния через sendKeyEvent. На вход приходят простые сообщения вида:

U L где U/D — нажато, не нажато, а L — однобайтовый идентификатор кнопки. В случае L — это влево, R — вправо и т. п. Вся доступная раскладка хранится в словаре. Причём само чтение из UART реализовано костылем с чтением «чужого» stdout, т. к. android-приложения не умеют сами по себе работать с root правами. В теории, это могло дать неприятный оверхед, но на практике никакого серьезного инпут лага это не создает. Не забываем сделать устройство event записываемым — ставим ему права 777:

package com.monobogdan.inputservicebridge;

public class InputListener extends Service {

private static final int tty = 3;

private InputManager iManager;

private Map<Character, Integer> keyMap;

private Method injectMethod;

private Process runAsRoot(String cmd)

{

try {

return Runtime.getRuntime().exec(new String[] { "su", "-c", cmd });

}

catch (IOException e)

{

e.printStackTrace();

return null;

}

}

@override

public void onCreate() {

super.onCreate();

// According to linux key map (input-event-codes.h)

keyMap = new HashMap<>();

keyMap.put('U', 103);

keyMap.put('D', 108);

keyMap.put('L', 105);

keyMap.put('R', 106);

keyMap.put('E', 115);

keyMap.put('B', 158);

keyMap.put('A', 232);

keyMap.put('C', 212);

InputNative.init();

try {

runAsRoot("chmod 777 /dev/input/event2").waitFor();

} catch (InterruptedException e) {

throw new RuntimeException(e);

}

Executors.newSingleThreadExecutor().execute(new Runnable() {

@override

public void run() {

Process proc = runAsRoot("cat /dev/ttyMT" + tty);

BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(proc.getInputStream()));

while(true)

{

try {

String line = reader.readLine();

if(line != null && line.length() > 0) {

Log.i("Hi", "run: " + line);

boolean pressing = line.charAt(0) == 'D';

int keyCode = keyMap.get(line.charAt(2));

Log.i("TAG", "run: " + keyCode);

InputNative.sendKeyEvent(keyCode, pressing);

}

}

catch(IOException e)

{

e.printStackTrace();

}

/*try {

Thread.sleep(1000 / 30);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}*/

}

}

});

}

@override

public IBinder onBind(Intent intent) {

return null;

}

}

Таким образом, если мы отправляем с ПК «D L» — система считает, что мы зажали стрелку влево, а U L — считает что мы отпустили. Но если mtk-kpd поддерживает стрелки и еще некоторые действия без каких либо проблем, то enter в список обрабатываемых кнопок не входит: придется мудрить! И тут нам приходит на помощь механизм трансляции кодов кнопок в действия: они хранятся в специальных файлах .kl в /system/usr/keylayout/. Я назначил DPAD_CENTER на… кнопку регулировки громкости звука! Ну, а почему бы и нет. :) Таким образом можно переназначить уже имеющиеся кнопки громкости на, например, start/select.

❯ Геймпад

После того, как сервис был готов и отлажен, нужно было реализовать хардварную часть проекта — сам геймпад. В качестве контроллера я, как уже говорил, выбрал Raspberry Pi Pico на базе МК RP2040 — бодреньком контроллере с двумя ARM Cortex-M0 ядрами. Стоит копейки, а в отличии от ESP'шек, его SDK не такое перегруженное и выглядит более приближенным к bare-metal.

На данный момент, я решил развести все кнопки на бредборде — макетной плате без пайки, т. к. макеток для пайки у меня под рукой не было. Сделал примитивный геймпад:

Развел на соответствующие GPIO:

И написал примитивную прошивку, которая отслеживает состояние кнопок. В прошивке точно так же есть словарь, задающий ассоциацию между физическими пинами и «виртуальными» кнопками. При нажатии или отжатии кнопки, программа изменяет стейт и отсылает новое состояние планшету.

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include "pico/stdlib.h"

#include "pico/time.h"

#include "hardware/uart.h"

struct keyMap

{

int gpio;

char key;

bool pressed;

int lastTick;

};

keyMap keys[] = {

{

15,

'L',

false,

0

},

{

14,

'U',

false,

0

},

{

13,

'D',

false,

0

},

{

12,

'R',

false,

0

},

{

11,

'E',

false,

0

},

{

10,

'B',

false,

0

},

{

20,

'A',

false,

0

},

{

21,

'C',

false,

0

}

};

#define KEY_NUM 8

int main() {

stdio_init_all();

uart_init(uart0, 921600);

gpio_set_function(PICO_DEFAULT_UART_TX_PIN, GPIO_FUNC_UART);

gpio_set_function(PICO_DEFAULT_UART_RX_PIN, GPIO_FUNC_UART);

sleep_ms(1000); // Allow serial monitor to settle

for(int i = 0; i < KEY_NUM; i++)

{

gpio_init(keys[i].gpio);

gpio_set_dir(keys[i].gpio, false);

gpio_pull_up(keys[i].gpio);

}

while(true)

{

int now = time_us_32();

for(int i = 0; i < KEY_NUM; i++)

{

char buf[5];

buf[1] = ' ';

buf[3] = '\n';

buf[4] = 0;

if(!gpio_get(keys[i].gpio) && !keys[i].pressed && now - keys[i].lastTick > 15500)

{

buf[0] = 'D';

buf[2] = keys[i].key;

puts(buf);

keys[i].lastTick = now;

keys[i].pressed = true;

continue;

}

if(gpio_get(keys[i].gpio) && keys[i].pressed && now - keys[i].lastTick > 15500)

{

buf[0] = 'U';

buf[2] = keys[i].key;

puts(buf);

keys[i].pressed = false;

keys[i].lastTick = now;

}

}

}

}

Собираем всё вместе и тестируем. Хоба, всё работает, мы можем перемещаться по менюшке используя наш геймпад!

А почему бы не попробовать поиграть в какую-нибудь игру? Ну мы же консоль вроде делаем: берём эмулятор NES, биндим кнопки в настройках и наслаждаемся игрой в Марио!

❯ Заключение

Реализация этого проекта заняла у меня не так уж и много времени: всего около 3-х дней работы по вечерам. Вероятно кто-то спросит: «а чего ты просто Bluetooth геймпад не купил?». Так это не прикольно ведь. Гораздо приятнее играть в девайс, к которому ты приложил руку сам. Более того, не у всех старых планшетов есть BT. Обошёлся на данной стадии проект недорого: планшет мне подарили бесплатно (точно также у вас дома может лежать подобный), RPi Pico — 350 рублей, кнопки по 10 рублей/штучка.

В целом, я сам по себе обожаю копаться в различных железках и их софтварной части (вспомнить хотя-бы статью про перекомпиляциюu-boot из вендорских исходников для нонейм консоли), а созидать что-то свое вообще вызывает какие-то нереальные всплески эндорфина — оно и понятно! :)

Однако несмотря на то, что мы уже имеем рабочий «прототип», проект далёк от завершения: я намерен довести его до конца и окончательно перевоплотить старый планшет в автономную игровую консоль (и рассказать об этом во второй части статьи). Для этого мне понадобится распечатать корпус и кнопки на 3D-принтере. К сожалению, у меня в городе ни у кого особо нет 3D-принтеров, поэтому начну копить на Ender 3, а от вас, читателей, с удовольствием почитаю мнение в комментариях и советы касательно выбора принтера!

Статья подготовлена при поддержке TimeWeb Cloud. Подписывайтесь на меня и @Timeweb.Cloud, чтобы не пропускать еженедельные статьи про моддинг различных гаджетов!

В ядро Linux 6.0, релиз которого ожидается в следующий понедельник, принято изменение, решающее проблемы с производительностью систем на процессорах AMD Zen. Источником падения производительности оказался код, добавленный 20 лет назад для обхода аппаратной проблемы в некоторых чипсетах. Аппаратная проблема давно устранена и не проявляется в актуальных чипсетах, но старый обход проблемы был забыт и стал источником снижения производительности на системах на базе современных CPU AMD. Новые системы с CPU Intel старый обходной манёвр не затрагивает, так как доступ к ACPI в них осуществляется при помощи отдельного драйвера intel_idle, а не общего драйвера processor_idle.

Обходной манёвр был добавлен в ядро в марте 2002 года для блокирования проявления ошибки в чипсетах, связанной с отсутствием должной установки состояние простоя (idle) из-за задержки обработки сигнала STPCLK#. Для обхода проблемы в реализации ACPI добавлялась дополнительная инструкция WAIT, замедляющая процессор чтобы чипсет успевал перейти в состояние простоя. При проведении профилирования с использованием инструкций IBS (Instruction-Based Sampling) на процессорах AMD Zen3 было выявлено, что процессор проводит значительное время, выполняя заглушку, которая приводит к неверной трактовке состояния нагрузки на процессор и выставлению более глубоких режимов сна (C-State) обработчиком cpuidle.

Подобное поведение отражается в снижении производительности при нагрузках, в которых часто чередуются состояния простоя (idle) и активности (busy). Например, при использовании патча, отключающего обходной манёвр, средние показатели теста tbench увеличиваются с 32191 MB/s до 33805 MB/s.