【Android】HAL层浅析

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我是靠谱客的博主机灵月光，这篇文章主要介绍【Android】HAL层浅析，现在分享给大家，希望可以做个参考。

- 一、HAL层的前世今生
- 二、HAL层的通用结构剖析
- 三、一个例子
- 四、击破Audio HAL Module
- 五、小的总结

一、HAL层的前世今生

HAL（Hardware Abstraction Layer），硬件抽象层。由于部分硬件厂商不想把自己的核心代码公开，如果把代码放在内核空间里就需要遵循GUN License，会损害厂家的利益。所以，Google为了响应厂家在Android的架构里提出HAL的概念，把对硬件的支持分为用户空间和内核空间，而HAL层就属于这里面的用户空间，该部分代码遵循Apache License，所以厂家可以把核心的代码实现在HAL层，无需对外开放源代码。
HAL层的新旧架构
- 上层通过jni直接调用so库，在so库中实现底层驱动的操作（Module）
- 上层查找已经注册的Stub，返回硬件对象的操作接口，后续直接通过接口操作硬件（ModuleStub）

二、HAL层的通用结构剖析

通用的321架构
HAL层的主要框架是由三个结构体，两个常量，一个函数构成，所有的硬件抽象模块都是必须遵循321架构，在此基础上扩展自有的功能。
- 三个结构体

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//文件位置：hardware/libhardware/include/hardware/hardware.h
/**
* Every hardware module must have a data structure named HAL_MODULE_INFO_SYM
* and the fields of this data structure must begin with hw_module_t
* followed by module specific information.
*/
typedef struct hw_module_t {
/** tag must be initialized to HARDWARE_MODULE_TAG */
uint32_t tag;
......
typedef struct hw_module_methods_t {
/** Open a specific device */
int (*open)(const struct hw_module_t* module, const char* id,
struct hw_device_t** device);
} hw_module_methods_t;
/**
* Every device data structure must begin with hw_device_t
* followed by module specific public methods and attributes.
*/
typedef struct hw_device_t {
/** tag must be initialized to HARDWARE_DEVICE_TAG */
uint32_t tag;
......

hw_module_methods_t是封装在hw_module_t里的，里面提供的一个open方法需要具体的实现模块去重载；hw_module_t里面有很多关于模块的信息需要在初始化的时候去填充，非常关键的一个就是重载hw_module_methods_t中的open函数；hw_device_t里主要是和硬件设备相关的一些操作，各硬件模块需要继承该结构体。
- 两个常量和一个函数

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//文件位置：hardware/libhardware/include/hardware/hardware.h
/**
* Name of the hal_module_info
*/
#define HAL_MODULE_INFO_SYM HMI
/**
* Name of the hal_module_info as a string
*/
#define HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR "HMI"
/**
* Get the module info associated with a module by id.
*
* @return: 0 == success, <0 == error and *module == NULL
*/
int hw_get_module(const char *id, const struct hw_module_t **module);

HAL_MODULE_INFO_SYM和HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR与HAL的模块入口有关，在上层调用hw_get_module时，通过模块ID和对应的HMI（通过dlopen/dlsym进行映射）结构体找到模块入口，然后通过之前重载的open函数，就可以获得设备的操作接口（hw_device_t），之后就可以通过module访问模块实现的相关函数

三、一个例子

编程的学习从HelloWorld开始，那嵌入式应该就是从点灯开始。
下面我们就先从一个简单的LED模块的例子，来全面的的理解下HAL的基础框架。
这里写图片描述
在前面提到了三个结构体，各实现模块需要去继承并客制化自己的操作接口。我们可以从图中看到LED模块遵循该准则，其中hw_module_methods_t是封装在hw_module_t里的，具体的关系图如下：

- 头文件的代码实现：

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//文件位置：hardware/modules/include/mokoid/led.h
struct led_module_t {
//结构体继承
struct hw_module_t common;
int (*init_led)(struct led_control_device_t *dev);
};
struct led_control_device_t {
//结构体继承
struct hw_device_t common;
int fd; /* file descriptor of LED device */
//硬件模块的客制化操作
/* supporting control APIs go here */
int (*set_on)(struct led_control_device_t *dev, int32_t led);
int (*set_off)(struct led_control_device_t *dev, int32_t led);
int (*set_name)(struct led_control_device_t *dev, char *name);
};
/*****************************************************************************/
//ID hw_get_module的时候会使用
#define LED_HARDWARE_MODULE_ID "led"
/** helper APIs */
static inline int led_control_open(const struct hw_module_t* module,
struct led_control_device_t** device) {
return module->methods->open(module,
LED_HARDWARE_MODULE_ID, (struct hw_device_t**)device); //注意指针类型的转换

源文件的代码实现：

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//文件位置：hardware/modules/led/led.cpp
int led_device_open(const struct hw_module_t* module, const char* name,
struct hw_device_t** device)
{
struct led_control_device_t *dev;
dev = (struct led_control_device_t *)malloc(sizeof(*dev));
memset(dev, 0, sizeof(*dev));
dev->common.tag = HARDWARE_DEVICE_TAG;
dev->common.version = 0;
dev->common.module = const_cast<struct hw_module_t *>(module);
dev->common.close = led_device_close;
dev->set_on = led_on;
dev->set_off = led_off;
*device = &dev->common;
//返回通用的device结构体，这就是device通用结构体必须放在开头的原因
/* open device file */
dev->fd = open("/dev/cdata-test", O_RDWR);
success:
return 0;
}
......
struct hw_module_methods_t led_module_methods = {
open: led_device_open
//重载open函数
};
/**
* instance of led_module_t
*/
const struct led_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {
//HAL_MODULE_INFO_SYM结构体名字，dlopen/dlsym依赖于该符号进行映射
common: {
tag: HARDWARE_MODULE_TAG,
version_major: 1,
version_minor: 0,
id: LED_HARDWARE_MODULE_ID,
//模块ID
name: "Sample LED Stub",
author: "The Mokoid Open Source Project",
methods: &led_module_methods,
//关联hw_module_methods_t
},
.......
};

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//文件位置：hardware/modules/led/led.cpp
int led_device_open(const struct hw_module_t* module, const char* name,
struct hw_device_t** device)
{
struct led_control_device_t *dev;
dev = (struct led_control_device_t *)malloc(sizeof(*dev));
memset(dev, 0, sizeof(*dev));
dev->common.tag = HARDWARE_DEVICE_TAG;
dev->common.version = 0;
dev->common.module = const_cast<struct hw_module_t *>(module);
dev->common.close = led_device_close;
dev->set_on = led_on;
dev->set_off = led_off;
*device = &dev->common;
//返回通用的device结构体，这就是device通用结构体必须放在开头的原因
/* open device file */
dev->fd = open("/dev/cdata-test", O_RDWR);
success:
return 0;
}
......
struct hw_module_methods_t led_module_methods = {
open: led_device_open
//重载open函数
};
/**
* instance of led_module_t
*/
const struct led_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {
//HAL_MODULE_INFO_SYM结构体名字，dlopen/dlsym依赖于该符号进行映射
common: {
tag: HARDWARE_MODULE_TAG,
version_major: 1,
version_minor: 0,
id: LED_HARDWARE_MODULE_ID,
//模块ID
name: "Sample LED Stub",
author: "The Mokoid Open Source Project",
methods: &led_module_methods,
//关联hw_module_methods_t
},
.......
};

上层的调用

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//文件位置：frameworks/base/service/jni/com_mokoid_server_LedService.cpp
static jboolean
mokoid_init(JNIEnv *env, jclass clazz)
{
led_module_t* module;
LOGI("LedService JNI: mokoid_init() is invoked.");
if (hw_get_module(LED_HARDWARE_MODULE_ID, (const hw_module_t**)&module) == 0) {
LOGI("LedService JNI: LED Stub found.");
if (led_control_open(&module->common, &sLedDevice) == 0) { //后续对硬件的操作可以直接操作sLedDevice
LOGI("LedService JNI: Got Stub operations.");
return 0;
}
}
LOGE("LedService JNI: Get Stub operations failed.");
return -1;
}

大体的调用关系如下：
这里写图片描述

四、击破Audio HAL Module

在了解了LED模块的HAL框架之后，同样的，其他模块也都是按照这一个套路，只是有些模块功能复杂一点，对接口的封装程度更高而已。
下面我们就稍微分析一下audio模块的HAL框架，老样子我们还是先上图：
这里写图片描述
从图中我们可以了解到，audio模块对通用结构体的封装程度跟高，对于设备操作这一块的接口又重新定义了AudioHardwareInterface、AudioStreamIn、AudioStreamOut等通用接口，让子类去继承和实现。但是，一层层的解剖我们还是可以看到前面提到的321架构。

注：以下代码基于android4.4分析，不同的版本可能文件存放的路径和实现方式稍有差异

头文件的代码实现：

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//文件位置：hardware/libhardware/include/hardware/audio.h
......
#define AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_PRIMARY "primary"
#define AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_A2DP "a2dp"
#define AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_USB "usb"
#define AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_REMOTE_SUBMIX "r_submix"
#define AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_CODEC_OFFLOAD "codec_offload"
......
struct audio_module {
struct hw_module_t common;
};
struct audio_hw_device {
struct hw_device_t common;
uint32_t (*get_supported_devices)(const struct audio_hw_device *dev);
int (*init_check)(const struct audio_hw_device *dev);
int (*set_voice_volume)(struct audio_hw_device *dev, float volume);
int (*set_master_volume)(struct audio_hw_device *dev, float volume);
int (*get_master_volume)(struct audio_hw_device *dev, float *volume);
int (*set_mode)(struct audio_hw_device *dev, audio_mode_t mode);
int (*set_mic_mute)(struct audio_hw_device *dev, bool state);
int (*get_mic_mute)(const struct audio_hw_device *dev, bool *state);
int (*set_parameters)(struct audio_hw_device *dev, const char *kv_pairs);
char * (*get_parameters)(const struct audio_hw_device *dev,
const char *keys);
......
static inline int audio_hw_device_open(const struct hw_module_t* module,
struct audio_hw_device** device)
{
return module->methods->open(module, AUDIO_HARDWARE_INTERFACE,
(struct hw_device_t**)device);
}
static inline int audio_hw_device_close(struct audio_hw_device* device)
{
return device->common.close(&device->common);
}

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//文件位置：hardware/libhardware/include/hardware/audio.h
......
#define AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_PRIMARY "primary"
#define AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_A2DP "a2dp"
#define AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_USB "usb"
#define AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_REMOTE_SUBMIX "r_submix"
#define AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_CODEC_OFFLOAD "codec_offload"
......
struct audio_module {
struct hw_module_t common;
};
struct audio_hw_device {
struct hw_device_t common;
uint32_t (*get_supported_devices)(const struct audio_hw_device *dev);
int (*init_check)(const struct audio_hw_device *dev);
int (*set_voice_volume)(struct audio_hw_device *dev, float volume);
int (*set_master_volume)(struct audio_hw_device *dev, float volume);
int (*get_master_volume)(struct audio_hw_device *dev, float *volume);
int (*set_mode)(struct audio_hw_device *dev, audio_mode_t mode);
int (*set_mic_mute)(struct audio_hw_device *dev, bool state);
int (*get_mic_mute)(const struct audio_hw_device *dev, bool *state);
int (*set_parameters)(struct audio_hw_device *dev, const char *kv_pairs);
char * (*get_parameters)(const struct audio_hw_device *dev,
const char *keys);
......
static inline int audio_hw_device_open(const struct hw_module_t* module,
struct audio_hw_device** device)
{
return module->methods->open(module, AUDIO_HARDWARE_INTERFACE,
(struct hw_device_t**)device);
}
static inline int audio_hw_device_close(struct audio_hw_device* device)
{
return device->common.close(&device->common);
}

源文件的代码实现

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//文件位置：hardware/rk29/audio/audio_hw_hal.cpp
static struct hw_module_methods_t legacy_audio_module_methods = {
open: legacy_adev_open
};
struct legacy_audio_module HAL_MODULE_INFO_SYM = {
module: {
common: {
tag: HARDWARE_MODULE_TAG,
module_api_version: AUDIO_MODULE_API_VERSION_0_1,
hal_api_version: HARDWARE_HAL_API_VERSION,
id: AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID,
name: "LEGACY Audio HW HAL",
author: "The Android Open Source Project",
methods: &legacy_audio_module_methods,
dso : NULL,
reserved : {0},
},
},
};

上层调用
下图时，audio初始化的大体时序图，我们可以看到在AudioPolicyManagerBase会执行load模块的策略，然后让AudioFlinger去执行对应的操作。

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//文件位置：frameworks/av/services/audioflinger/AudioFlinger.cpp
static int load_audio_interface(const char *if_name, audio_hw_device_t **dev)
{
const hw_module_t *mod;
int rc;
rc = hw_get_module_by_class(AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID, if_name, &mod);
ALOGE_IF(rc, "%s couldn't load audio hw module %s.%s (%s)", __func__,
AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID, if_name, strerror(-rc));
if (rc) {
goto out;
}
rc = audio_hw_device_open(mod, dev);
ALOGE_IF(rc, "%s couldn't open audio hw device in %s.%s (%s)", __func__,
AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID, if_name, strerror(-rc));
if (rc) {
goto out;
}
if ((*dev)->common.version != AUDIO_DEVICE_API_VERSION_CURRENT) {
ALOGE("%s wrong audio hw device version %04x", __func__, (*dev)->common.version);
rc = BAD_VALUE;
goto out;
}
return 0;
out:
*dev = NULL;
return rc;
}

最后我们再来深究以下，为什么模块的结构体必须命名成HAL_MODULE_INFO_SYM，也就是字符串”HMI”

这个原理我们就需要跟踪下hw_get_module的源码实现了

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int hw_get_module_by_class(const char *class_id, const char *inst,
const struct hw_module_t **module)
{
int status;
int i;
const struct hw_module_t *hmi = NULL;
char prop[PATH_MAX];
char path[PATH_MAX];
char name[PATH_MAX];
if (inst)
snprintf(name, PATH_MAX, "%s.%s", class_id, inst);
else
strlcpy(name, class_id, PATH_MAX);
/*
* Here we rely on the fact that calling dlopen multiple times on
* the same .so will simply increment a refcount (and not load
* a new copy of the library).
* We also assume that dlopen() is thread-safe.
*/
/* Loop through the configuration variants looking for a module */
for (i=0 ; i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1 ; i++) {
if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT) {
if (property_get(variant_keys[i], prop, NULL) == 0) {
continue;
}
snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",
HAL_LIBRARY_PATH2, name, prop);
if (access(path, R_OK) == 0) break;
snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",
HAL_LIBRARY_PATH1, name, prop);
if (access(path, R_OK) == 0) break;
} else {
snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.default.so",
HAL_LIBRARY_PATH2, name);
if (access(path, R_OK) == 0) break;
snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.default.so",
HAL_LIBRARY_PATH1, name);
if (access(path, R_OK) == 0) break;
}
}
status = -ENOENT;
if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1) {
/* load the module, if this fails, we're doomed, and we should not try
* to load a different variant. */
status = load(class_id, path, module);
}

return status;
}

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int hw_get_module_by_class(const char *class_id, const char *inst,
const struct hw_module_t **module)
{
int status;
int i;
const struct hw_module_t *hmi = NULL;
char prop[PATH_MAX];
char path[PATH_MAX];
char name[PATH_MAX];
if (inst)
snprintf(name, PATH_MAX, "%s.%s", class_id, inst);
else
strlcpy(name, class_id, PATH_MAX);
/*
* Here we rely on the fact that calling dlopen multiple times on
* the same .so will simply increment a refcount (and not load
* a new copy of the library).
* We also assume that dlopen() is thread-safe.
*/
/* Loop through the configuration variants looking for a module */
for (i=0 ; i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1 ; i++) {
if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT) {
if (property_get(variant_keys[i], prop, NULL) == 0) {
continue;
}
snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",
HAL_LIBRARY_PATH2, name, prop);
if (access(path, R_OK) == 0) break;
snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",
HAL_LIBRARY_PATH1, name, prop);
if (access(path, R_OK) == 0) break;
} else {
snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.default.so",
HAL_LIBRARY_PATH2, name);
if (access(path, R_OK) == 0) break;
snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.default.so",
HAL_LIBRARY_PATH1, name);
if (access(path, R_OK) == 0) break;
}
}
status = -ENOENT;
if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1) {
/* load the module, if this fails, we're doomed, and we should not try
* to load a different variant. */
status = load(class_id, path, module);
}

return status;
}

该函数，通过查找动态库的配置路径，最后调用load函数，我们继续往下追查

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static int load(const char *id,
const char *path,
const struct hw_module_t **pHmi)
{
int status;
void *handle;
struct hw_module_t *hmi;
/*
* load the symbols resolving undefined symbols before
* dlopen returns. Since RTLD_GLOBAL is not or'd in with
* RTLD_NOW the external symbols will not be global
*/
handle = dlopen(path, RTLD_NOW);
//打开动态库，返回文件句柄
if (handle == NULL) {
char const *err_str = dlerror();
ALOGE("load: module=%sn%s", path, err_str?err_str:"unknown");
status = -EINVAL;
goto done;
}
/* Get the address of the struct hal_module_info. */
const char *sym = HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR;
//HMI符号字符串
hmi = (struct hw_module_t *)dlsym(handle, sym);
if (hmi == NULL) {
ALOGE("load: couldn't find symbol %s", sym);
status = -EINVAL;
goto done;
}
/* Check that the id matches */
if (strcmp(id, hmi->id) != 0) {
ALOGE("load: id=%s != hmi->id=%s", id, hmi->id);
status = -EINVAL;
goto done;
}
hmi->dso = handle;
/* success */
status = 0;
done:
if (status != 0) {
hmi = NULL;
if (handle != NULL) {
dlclose(handle);
handle = NULL;
}
} else {
ALOGV("loaded HAL id=%s path=%s hmi=%p handle=%p",
id, path, *pHmi, handle);
}
*pHmi = hmi;
//获取module的入口
return status;
}

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static int load(const char *id,
const char *path,
const struct hw_module_t **pHmi)
{
int status;
void *handle;
struct hw_module_t *hmi;
/*
* load the symbols resolving undefined symbols before
* dlopen returns. Since RTLD_GLOBAL is not or'd in with
* RTLD_NOW the external symbols will not be global
*/
handle = dlopen(path, RTLD_NOW);
//打开动态库，返回文件句柄
if (handle == NULL) {
char const *err_str = dlerror();
ALOGE("load: module=%sn%s", path, err_str?err_str:"unknown");
status = -EINVAL;
goto done;
}
/* Get the address of the struct hal_module_info. */
const char *sym = HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR;
//HMI符号字符串
hmi = (struct hw_module_t *)dlsym(handle, sym);
if (hmi == NULL) {
ALOGE("load: couldn't find symbol %s", sym);
status = -EINVAL;
goto done;
}
/* Check that the id matches */
if (strcmp(id, hmi->id) != 0) {
ALOGE("load: id=%s != hmi->id=%s", id, hmi->id);
status = -EINVAL;
goto done;
}
hmi->dso = handle;
/* success */
status = 0;
done:
if (status != 0) {
hmi = NULL;
if (handle != NULL) {
dlclose(handle);
handle = NULL;
}
} else {
ALOGV("loaded HAL id=%s path=%s hmi=%p handle=%p",
id, path, *pHmi, handle);
}
*pHmi = hmi;
//获取module的入口
return status;
}

该函数，通过dlopen/dlsym完成module的符号映射，而其中的dlsym就是根据字符”HMI”去查找对应的module。

动态库跟踪
我们知道linux下的elf文件有符号表相关的结构，而hal层编译出来的so文件就是elf文件。
所以，我们通过命令查看so文件：readelf -s audio.primary.default.so

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Symbol table '.dynsym' contains 16 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 00000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 00000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __cxa_finalize
2: 00000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __cxa_atexit
3: 00000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __aeabi_unwind_cpp_pr0
4: 00000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND strcmp
5: 00000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND calloc
6: 00000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __aeabi_unwind_cpp_pr1
7: 00000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __popcountsi2
8: 00000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __aeabi_uidiv
9: 00000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND usleep
10: 00000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND strdup
11: 00000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND free
12: 00002008 128 OBJECT GLOBAL DEFAULT 15 HMI
13: 00002088 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS _edata
14: 00002088 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_start
15: 00002088 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS _end

里面HMI的符号，就是我们初始化的硬件模块结构体，dlopen/dlsym可以通过该符号找到模块的入口函数。
到此，基本分析完成了，对于elf文件结构的知识，建议阅读《程序员的自我修养》

五、小的总结

最近，一直在阅读音频部分相关的源码，包括android和linux下的一些音频框架。
稍微总结几点源码阅读的个人建议（可能不全，欢迎补充）
1. 提前了解一些UML类图、时序图等的表现规则
- 网上包括书上很多的文章都是基于这些图来分析的
2. 多画图，多总结，从简单到复杂
- 感觉图形表达出来的东西非常直观，容易快速的形成概念
- 当然，更细节的东西还是要一步步去啃代码
- 阅读源码过程，注定枯燥无味，但是图形的表示方法可以让过程稍微有趣点
- 我们可以从一个小的功能点切入，然后再扩展到整个系统
3. 结合编译脚本，建立代码关系
- 比如，android基于每个小模块都有一个mk文件，可以从脚本里了解到一些关联的模块
4. 睡前不要看代码！