• 转：ANDROID音频系统散记之四：4.0音频系统HAL初探

    昨天（2011-11-15）发布了Android4.0的源码，今天download下来，开始挺进4.0时代。简单看了一下，发现音频系统方面与2.3的有较多地方不同，下面逐一描述。

    一、代码模块位置

    1、AudioFlinger

     
    1. frameworks/base/services/audioflinger/  
    2. +-- Android.mk  
    3. +-- AudioBufferProvider.h  
    4. +-- AudioFlinger.cpp  
    5. +-- AudioFlinger.h  
    6. +-- AudioMixer.cpp  
    7. +-- AudioMixer.h  
    8. +-- AudioPolicyService.cpp  
    9. +-- AudioPolicyService.h  
    10. +-- AudioResampler.cpp  
    11. +-- AudioResamplerCubic.cpp  
    12. +-- AudioResamplerCubic.h  
    13. +-- AudioResampler.h  
    14. +-- AudioResamplerSinc.cpp  
    15. +-- AudioResamplerSinc.h  
    AudioFlinger相关代码，好像这部分与2.3相差不大，至少接口是兼容的。值得注意的是：2.3位于这里的还有AudioHardwareGeneric、AudioHardwareInterface、A2dpAudioInterface等一系列接口代码，现在都移除了。实际上，这些接口变更为legacy（有另外更好的实现方式，但也兼容之前的方法），取而代之的是要实现hardware/libhardware/include/hardware/audio.h提供的接口，这是一个较大的变化。
     
    两种Audio Hardware HAL接口定义：
    1/ legacy：hardware/libhardware_legacy/include/hardware_legacy/AudioHardwareInterface.h
    2/ current：hardware/libhardware/include/hardware/audio.h

    2、audio_hw

     
    1. hardware/libhardware_legacy/audio/  
    2. +-- A2dpAudioInterface.cpp  
    3. +-- A2dpAudioInterface.h  
    4. +-- Android.mk  
    5. +-- AudioDumpInterface.cpp  
    6. +-- AudioDumpInterface.h  
    7. +-- AudioHardwareGeneric.cpp  
    8. +-- AudioHardwareGeneric.h  
    9. +-- AudioHardwareInterface.cpp  
    10. +-- AudioHardwareStub.cpp  
    11. +-- AudioHardwareStub.h  
    12. +-- audio_hw_hal.cpp  
    13. +-- AudioPolicyCompatClient.cpp  
    14. +-- AudioPolicyCompatClient.h  
    15. +-- audio_policy_hal.cpp  
    16. +-- AudioPolicyManagerBase.cpp  
    17. +-- AudioPolicyManagerDefault.cpp  
    18. +-- AudioPolicyManagerDefault.h  
    上面提及的AudioHardwareGeneric、AudioHardwareInterface、A2dpAudioInterface等都放到libhardware_legacy里。
    事实上legacy也要封装成current中的audio.h，确切的说需要一个联系legacy interface和not legacy interface的中间层，这里的audio_hw_hal.cpp就充当这样的一个角色了。因此，我们其实也可以把2.3之前的alsa_sound这一套东西也搬过来。
     
    1. hardware/libhardware/modules/audio/  
    2. +-- Android.mk  
    3. +-- audio_hw.c  
    4. +-- audio_policy.c  
    这是一个stub（类似于2.3中的AudioHardwareStub），大多数函数只是简单的返回一个值，并没有实际操作，只是保证Android能得到一个audio hardware hal实例，从而启动运行，当然声音没有输出到外设的。在底层音频驱动或audio hardware hal还没有实现好的情况下，可以使用这个stub device，先让Android跑起来。
     
    1. device/samsung/tuna/audio/  
    2. +-- Android.mk  
    3. +-- audio_hw.c  
    4. +-- ril_interface.c  
    5. +-- ril_interface.h  
    这是Samsung Tuna的音频设备抽象层，很有参考价值，计划以后就在它的基础上进行移植。它调用tinyalsa的接口，可见这个方案的底层音频驱动是alsa。
     

    3、tinyalsa

     
    1. external/tinyalsa/  
    2. +-- Android.mk  
    3. +-- include  
    4. |   +-- tinyalsa  
    5. |       +-- asoundlib.h  
    6. +-- mixer.c      ##类alsa-lib的control，作用音频部件开关、音量调节等  
    7. +-- pcm.c        ##类alsa-lib的pcm，作用音频pcm数据回放录制  
    8. +-- README  
    9. +-- tinycap.c    ##类alsa_arecord  
    10. +-- tinymix.c    ##类alsa_amixer  
    11. +-- tinyplay.c   ##类alsa_aplay  
    在2.3时代，Android还隐晦把它放在android2.3.1-gingerbread/device/samsung/crespo/libaudio，现在终于把alsa-lib一脚踢开，小三变正室了，正名tinyalsa。
    这其实是历史的必然了，alsa-lib太过复杂繁琐了，我看得也很不爽；更重要的商业上面的考虑，必须移除被GNU GPL授权证所约束的部份，alsa-lib并不是个例。

    注意：上面的hardware/libhardware_legacy/audio/、hardware/libhardware/modules/audio/、device/samsung/tuna/audio/是同层的。之一是legacy audio，用于兼容2.2时代的alsa_sound；之二是stub audio接口；之三是Samsung Tuna的音频抽象层实现。调用层次：AudioFlinger -> audio_hw -> tinyalsa。
     

    二、Audio Hardware HAL加载

     

    1、AudioFlinger

     
    1. //加载audio hardware hal  
    2. static int load_audio_interface(const char *if_name, const hw_module_t **mod,  
    3.                                 audio_hw_device_t **dev)  
    4. {  
    5.     int rc;  
    6.       
    7.     //根据classid和if_name找到指定的动态库并加载，这里加载的是音频动态库，如libaudio.primary.tuna.so  
    8.     rc = hw_get_module_by_class(AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID, if_name, mod);  
    9.     if (rc)  
    10.         goto out;  
    11.   
    12.     //加载好的动态库模块必有个open方法，调用open方法打开音频设备模块  
    13.     rc = audio_hw_device_open(*mod, dev);  
    14.     LOGE_IF(rc, "couldn't open audio hw device in %s.%s (%s)",  
    15.             AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID, if_name, strerror(-rc));  
    16.     if (rc)  
    17.         goto out;  
    18.   
    19.     return 0;  
    20.   
    21. out:  
    22.     *mod = NULL;  
    23.     *dev = NULL;  
    24.     return rc;  
    25. }  
    26.   
    27. //音频设备接口，hw_get_module_by_class需要根据这些字符串找到相关的音频模块库  
    28. static const char *audio_interfaces[] = {  
    29.     "primary", //主音频设备，一般为本机codec  
    30.     "a2dp",    //a2dp设备，蓝牙高保真音频  
    31.     "usb",     //usb-audio设备，这个东东我2.3就考虑要实现了，现在终于支持了  
    32. };  
    33. #define ARRAY_SIZE(x) (sizeof((x))/sizeof(((x)[0])))  
    34.   
    35. // ----------------------------------------------------------------------------  
    36.   
    37. AudioFlinger::AudioFlinger()  
    38.     : BnAudioFlinger(),  
    39.         mPrimaryHardwareDev(0), mMasterVolume(1.0f), mMasterMute(false), mNextUniqueId(1),  
    40.         mBtNrecIsOff(false)  
    41. {  
    42. }  
    43.   
    44. void AudioFlinger::onFirstRef()  
    45. {  
    46.     int rc = 0;  
    47.   
    48.     Mutex::Autolock _l(mLock);  
    49.   
    50.     /* TODO: move all this work into an Init() function */  
    51.     mHardwareStatus = AUDIO_HW_IDLE;  
    52.   
    53.     //打开audio_interfaces数组定义的所有音频设备  
    54.     for (size_t i = 0; i < ARRAY_SIZE(audio_interfaces); i++) {  
    55.         const hw_module_t *mod;  
    56.         audio_hw_device_t *dev;  
    57.   
    58.         rc = load_audio_interface(audio_interfaces[i], &mod, &dev);  
    59.         if (rc)  
    60.             continue;  
    61.   
    62.         LOGI("Loaded %s audio interface from %s (%s)", audio_interfaces[i],  
    63.              mod->name, mod->id);  
    64.         mAudioHwDevs.push(dev); //mAudioHwDevs是一个Vector，存储已打开的audio hw devices  
    65.   
    66.         if (!mPrimaryHardwareDev) {  
    67.             mPrimaryHardwareDev = dev;  
    68.             LOGI("Using '%s' (%s.%s) as the primary audio interface",  
    69.                  mod->name, mod->id, audio_interfaces[i]);  
    70.         }  
    71.     }  
    72.   
    73.     mHardwareStatus = AUDIO_HW_INIT;  
    74.   
    75.     if (!mPrimaryHardwareDev || mAudioHwDevs.size() == 0) {  
    76.         LOGE("Primary audio interface not found");  
    77.         return;  
    78.     }  
    79.   
    80.     //对audio hw devices进行一些初始化，如mode、master volume的设置  
    81.     for (size_t i = 0; i < mAudioHwDevs.size(); i++) {  
    82.         audio_hw_device_t *dev = mAudioHwDevs[i];  
    83.   
    84.         mHardwareStatus = AUDIO_HW_INIT;  
    85.         rc = dev->init_check(dev);  
    86.         if (rc == 0) {  
    87.             AutoMutex lock(mHardwareLock);  
    88.   
    89.             mMode = AUDIO_MODE_NORMAL;  
    90.             mHardwareStatus = AUDIO_HW_SET_MODE;  
    91.             dev->set_mode(dev, mMode);  
    92.             mHardwareStatus = AUDIO_HW_SET_MASTER_VOLUME;  
    93.             dev->set_master_volume(dev, 1.0f);  
    94.             mHardwareStatus = AUDIO_HW_IDLE;  
    95.         }  
    96.     }  
    97. }  

    以上对AudioFlinger进行的分析，主要是通过hw_get_module_by_class()找到模块接口名字if_name相匹配的模块库，加载，然后audio_hw_device_open()调用模块的open方法，完成音频设备模块的初始化。
     
    留意AudioFlinger的构造函数只有简单的私有变量的初始化操作了，把音频设备初始化放到onFirstRef()，Android终于改进了这一点，好的设计根本不应该把可能会失败的操作放到构造函数中。onFirstRef是RefBase类的一个虚函数，在构造sp的时候就会被调用。因此，在构造sp<AudioFlinger>的时候就会触发onFirstRef方法，从而完成音频设备模块初始化。
     

    2、hw_get_module_by_class

     
    我们接下来看看hw_get_module_by_class，实现在hardware/libhardware/ hardware.c中，它作用加载指定名字的模块库（.so文件），这个应该是用于加载所有硬件设备相关的库文件，并不只是音频设备。
    1. int hw_get_module_by_class(const char *class_id, const char *inst,  
    2.                            const struct hw_module_t **module)  
    3. {  
    4.     int status;  
    5.     int i;  
    6.     const struct hw_module_t *hmi = NULL;  
    7.     char prop[PATH_MAX];  
    8.     char path[PATH_MAX];  
    9.     char name[PATH_MAX];  
    10.   
    11.     if (inst)  
    12.         snprintf(name, PATH_MAX, "%s.%s", class_id, inst);  
    13.     else  
    14.         strlcpy(name, class_id, PATH_MAX);  
    15.           
    16.     //这里我们以音频库为例，AudioFlinger调用到这个函数时，  
    17.     //class_id=AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID="audio"，inst="primary"(或"a2dp"或"usb")  
    18.     //那么此时name="audio.primary"  
    19.   
    20.     /* 
    21.      * Here we rely on the fact that calling dlopen multiple times on 
    22.      * the same .so will simply increment a refcount (and not load 
    23.      * a new copy of the library). 
    24.      * We also assume that dlopen() is thread-safe. 
    25.      */  
    26.   
    27.     /* Loop through the configuration variants looking for a module */  
    28.     for (i=0 ; i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1 ; i++) {  
    29.         if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT) {  
    30.               //通过property_get找到厂家标记如"ro.product.board=tuna"，这时prop="tuna"  
    31.             if (property_get(variant_keys[i], prop, NULL) == 0) {  
    32.                 continue;  
    33.             }  
    34.             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",  
    35.                      HAL_LIBRARY_PATH2, name, prop); //#define HAL_LIBRARY_PATH2 "/vendor/lib/hw"  
    36.             if (access(path, R_OK) == 0) break;  
    37.   
    38.             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",  
    39.                      HAL_LIBRARY_PATH1, name, prop); //#define HAL_LIBRARY_PATH1 "/system/lib/hw"  
    40.             if (access(path, R_OK) == 0) break;  
    41.         } else {  
    42.             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.default.so", //如没有指定的库文件，则加载default.so，即stub-device  
    43.                      HAL_LIBRARY_PATH1, name);  
    44.             if (access(path, R_OK) == 0) break;  
    45.         }  
    46.     }  
    47.     //到这里，完成一个模块库的完整路径名称，如path="/system/lib/hw/audio.primary.tuna.so"  
    48.     //如何生成audio.primary.tuna.so？请看相关的Android.mk文件，其中有定义LOCAL_MODULE := audio.primary.tuna  
    49.   
    50.     status = -ENOENT;  
    51.     if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1) {  
    52.         /* load the module, if this fails, we're doomed, and we should not try 
    53.          * to load a different variant. */  
    54.         status = load(class_id, path, module); //加载模块库  
    55.     }  
    56.   
    57.     return status;  
    58. }  
     
    load()函数不详细分析了，它通过dlopen加载库文件，然后dlsym找到hal_module_info的首地址。我们先看看hal_module_info的定义：
    1. /** 
    2.  * Every hardware module must have a data structure named HAL_MODULE_INFO_SYM 
    3.  * and the fields of this data structure must begin with hw_module_t 
    4.  * followed by module specific information. 
    5.  */  
    6. typedef struct hw_module_t {  
    7.     /** tag must be initialized to HARDWARE_MODULE_TAG */  
    8.     uint32_t tag;  
    9.   
    10.     /** major version number for the module */  
    11.     uint16_t version_major;  
    12.   
    13.     /** minor version number of the module */  
    14.     uint16_t version_minor;  
    15.   
    16.     /** Identifier of module */  
    17.     const char *id;  
    18.   
    19.     /** Name of this module */  
    20.     const char *name;  
    21.   
    22.     /** Author/owner/implementor of the module */  
    23.     const char *author;  
    24.   
    25.     /** Modules methods */  
    26.     struct hw_module_methods_t* methods;  
    27.   
    28.     /** module's dso */  
    29.     void* dso;  
    30.   
    31.     /** padding to 128 bytes, reserved for future use */  
    32.     uint32_t reserved[32-7];  
    33.   
    34. } hw_module_t;  
    35.   
    36. typedef struct hw_module_methods_t {  
    37.     /** Open a specific device */  
    38.     int (*open)(const struct hw_module_t* module, const char* id,  
    39.             struct hw_device_t** device);  
    40.   
    41. } hw_module_methods_t;  
    这个结构体很重要，注释很详细。dlsym拿到这个结构体的首地址后，就可以调用Modules methods进行设备模块的初始化了。设备模块中，都应该按照这个格式初始化好这个结构体，否则dlsym找不到它，也就无法调用Modules methods进行初始化了。
     
    例如，在audio_hw.c中，它是这样定义的：
    1. static struct hw_module_methods_t hal_module_methods = {  
    2.     .open = adev_open,  
    3. };  
    4.   
    5. struct audio_module HAL_MODULE_INFO_SYM = {  
    6.     .common = {  
    7.         .tag = HARDWARE_MODULE_TAG,  
    8.         .version_major = 1,  
    9.         .version_minor = 0,  
    10.         .id = AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID,  
    11.         .name = "Tuna audio HW HAL",  
    12.         .author = "The Android Open Source Project",  
    13.         .methods = &hal_module_methods,  
    14.     },  
    15. };  

    3、audio_hw

     
    好了，经过一番周折，又dlopen又dlsym的，终于进入我们的audio_hw。这部分没什么好说的，按照hardware/libhardware/include/hardware/audio.h定义的接口实现就行了。这些接口全扔到一个结构体里面的，这样做的好处是：不必用大量的dlsym来获取各个接口函数的地址，只需找到这个结构体即可，从易用性和可扩充性来说，都是首选方式。
     
    接口定义如下：
    1. struct audio_hw_device {  
    2.     struct hw_device_t common;  
    3.   
    4.     /** 
    5.      * used by audio flinger to enumerate what devices are supported by 
    6.      * each audio_hw_device implementation. 
    7.      * 
    8.      * Return value is a bitmask of 1 or more values of audio_devices_t 
    9.      */  
    10.     uint32_t (*get_supported_devices)(const struct audio_hw_device *dev);  
    11.   
    12.     /** 
    13.      * check to see if the audio hardware interface has been initialized. 
    14.      * returns 0 on success, -ENODEV on failure. 
    15.      */  
    16.     int (*init_check)(const struct audio_hw_device *dev);  
    17.   
    18.     /** set the audio volume of a voice call. Range is between 0.0 and 1.0 */  
    19.     int (*set_voice_volume)(struct audio_hw_device *dev, float volume);  
    20.   
    21.     /** 
    22.      * set the audio volume for all audio activities other than voice call. 
    23.      * Range between 0.0 and 1.0. If any value other than 0 is returned, 
    24.      * the software mixer will emulate this capability. 
    25.      */  
    26.     int (*set_master_volume)(struct audio_hw_device *dev, float volume);  
    27.   
    28.     /** 
    29.      * setMode is called when the audio mode changes. AUDIO_MODE_NORMAL mode 
    30.      * is for standard audio playback, AUDIO_MODE_RINGTONE when a ringtone is 
    31.      * playing, and AUDIO_MODE_IN_CALL when a call is in progress. 
    32.      */  
    33.     int (*set_mode)(struct audio_hw_device *dev, int mode);  
    34.   
    35.     /* mic mute */  
    36.     int (*set_mic_mute)(struct audio_hw_device *dev, bool state);  
    37.     int (*get_mic_mute)(const struct audio_hw_device *dev, bool *state);  
    38.   
    39.     /* set/get global audio parameters */  
    40.     int (*set_parameters)(struct audio_hw_device *dev, const char *kv_pairs);  
    41.   
    42.     /* 
    43.      * Returns a pointer to a heap allocated string. The caller is responsible 
    44.      * for freeing the memory for it. 
    45.      */  
    46.     char * (*get_parameters)(const struct audio_hw_device *dev,  
    47.                              const char *keys);  
    48.   
    49.     /* Returns audio input buffer size according to parameters passed or 
    50.      * 0 if one of the parameters is not supported 
    51.      */  
    52.     size_t (*get_input_buffer_size)(const struct audio_hw_device *dev,  
    53.                                     uint32_t sample_rate, int format,  
    54.                                     int channel_count);  
    55.   
    56.     /** This method creates and opens the audio hardware output stream */  
    57.     int (*open_output_stream)(struct audio_hw_device *dev, uint32_t devices,  
    58.                               int *format, uint32_t *channels,  
    59.                               uint32_t *sample_rate,  
    60.                               struct audio_stream_out **out);  
    61.   
    62.     void (*close_output_stream)(struct audio_hw_device *dev,  
    63.                                 struct audio_stream_out* out);  
    64.   
    65.     /** This method creates and opens the audio hardware input stream */  
    66.     int (*open_input_stream)(struct audio_hw_device *dev, uint32_t devices,  
    67.                              int *format, uint32_t *channels,  
    68.                              uint32_t *sample_rate,  
    69.                              audio_in_acoustics_t acoustics,  
    70.                              struct audio_stream_in **stream_in);  
    71.   
    72.     void (*close_input_stream)(struct audio_hw_device *dev,  
    73.                                struct audio_stream_in *in);  
    74.   
    75.     /** This method dumps the state of the audio hardware */  
    76.     int (*dump)(const struct audio_hw_device *dev, int fd);  
    77. };  
    78. typedef struct audio_hw_device audio_hw_device_t;  
     
    注：这是比较标准的C接口设计方法了，但是个人感觉还是用C++比较好，直观易读。2.3之前都是用C++实现这些接口设计的，到了4.0，不知道为何采纳用C？不会理由是做底层的不懂C++吧？！

    三、Audio Hardware HAL的legacy实现

     
    之前提到两种Audio Hardware HAL接口定义：
    1/ legacy：hardware/libhardware_legacy/include/hardware_legacy/AudioHardwareInterface.h
    2/ current：hardware/libhardware/include/hardware/audio.h
    前者是2.3及之前的音频设备接口定义，后者是4.0的接口定义。

    为了兼容以前的设计，4.0实现一个中间层：hardware/libhardware_legacy/audio/audio_hw_hal.cpp，结构与其他的audio_hw.c大同小异，差别在于open方法：
    1. static int legacy_adev_open(const hw_module_t* module, const char* name,  
    2.                             hw_device_t** device)  
    3. {  
    4.     ......  
    5.   
    6.     ladev->hwif = createAudioHardware();  
    7.     if (!ladev->hwif) {  
    8.         ret = -EIO;  
    9.         goto err_create_audio_hw;  
    10.     }  
    11.   
    12.     ......  
    13. }  
    看到那个熟悉的createAudioHardware()没有？这是以前我提到的Vendor Specific Audio接口，然后新的接口再调用ladev->hwif的函数就是了。
    因此老一套的alsa-lib、alsa-utils和alsa_sound也可以照搬过来，这里的文件被编译成静态库的，因此你需要修改alsa_sound里面的Android.mk文件，链接这个静态库。还有alsa_sound的命名空间原来是“android”，现在需要改成“android_audio_legacy”。

    四、a2dp Audio HAL的实现

     
    4.0的a2dp audio hal放到bluez里实现了，我找了好一会才找到：
    external/Bluetooth/bluez/audio/android_audio_hw.c
    大致与上面提到的audio_hw.c类似，因为都是基于audio.h定义的接口来实现的。
    如果需要编译这个库，须在BoardConfig.mk里定义：
    BOARD_HAVE_BLUETOOTH := true

    开始还提到现在支持3种audio设备了，分别是primary、a2dp和usb。目前剩下usb audio hal我没有找到，不知是否需要自己去实现？其实alsa-driver都支持大部分的usb-audio设备了，因此上层也可调用tinyalsa的接口，就像samsung tuna的audio_hw.c那样。

    五、音质改进？？？

     
    可使用audio echo cancel和更好的resampler（SRC）？？？

    --to be continued…
     
    转自：http://blog.csdn.net/azloong/article/details/6978484
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