• Android HAL模块实现


    1. HAL介绍

    Android的HAL(Hardware Abstract Layer硬件抽象层)是为了保护一些硬件提供商的知识产权而提出的。是为了避开linux的GPL束缚。

    思路是把控制硬件的动作都放到了Android HAL中,而linux driver仅仅完毕一些简单的数据交互作用,甚至把硬件寄存器空间直接映射到user space。而Android是基于Aparch的license,因此硬件厂商能够仅仅提供二进制代码,所以说Android仅仅是一个开放的平台,并非一个开源的平台。

    总结下来,Android HAL存在的原因主要有:

    1. 并非全部的硬件设备都有标准的linux kernel的接口
    2. KERNEL DRIVER涉及到GPL的版权。

      某些设备制造商并不原因公开硬件驱动,所以才去用HAL方式绕过GPL。

    3. 针对某些硬件,Android有一些特殊的需求。
    4. 不同的平台厂商可在遵循HAL调用接口的前提下实现自己的HAL,不会影响到上层的调用者,这样减少了模块间的耦合度,能够让平台开发人员仅仅关心HAL本身的实现就可以。

    下图是HAL在android系统中所处的位置:

    android HAL

    从这张图中能够看出,HAL把内核和framework隔离开来,使上层的开发能够不依赖内核与驱动的实现。在android源代码中,HAL大致位于以下几个位置:

    1. libhardware_legacy/ - 旧的架构、採取链接库模块的模式进行。
    2. libhardware/ - 新架构、调整为 HAL stub 的概念。

    3. ril/ - Radio Interface Layer。
    4. msm7k  QUAL平台相关。

    主要包括下面一些模块:Gps、Vibrator、Wifi、Copybit、Audio、Camera、Lights、Ril、Gralloc等。

    2. HAL的两种实现方式

    下图分别为旧的HAL实现与新的HAL实现框图:

    HAL legacy

    HAL

    libhardware_legacy 是将 *.so 文件当作shared library来使用,在runtime(JNI 部份)以 direct function call 使用 HAL module。通过直接函数调用的方式,来操作驱动程序。

    当然,应用程序也能够不须要通过 JNI 的方式进行,直接载入 *.so (dlopen)的做法调用*.so 里的符号(symbol)也是一种方式。总而言之是没有经过封装,上层能够直接操作硬件。

    现 在的 libhardware 作法。就有「stub」的味道了。HAL stub 是一种代理人(proxy)的概念,stub 尽管仍是以 *.so檔的形式存在,但 HAL 已经将 *.so 档隐藏起来了。

    Stub 向 HAL「提供」操作函数(operations)。而 runtime 则是向 HAL 取得特定模块(stub)的 operations。再 callback 这些操作函数。这样的以 indirect function call 的实作架构。让HAL stub 变成是一种「包括」关系,即 HAL 里包括了许很多多的 stub(代理人)。Runtime 仅仅要说明「类型」。即 module ID,就能够取得操作函数。对于眼下的HAL,能够觉得Android定义了HAL层结构框架,通过几个接口訪问硬件从而统一了调用方式。

    由上可大致看出这两种实现方式的优劣:

    HAL_legacy方式的HAL是一个模块,採用共享库形式,在编译时会调用到。因为採用function call形式调用,因此可被多个进程使用。但会被mapping到多个进程空间中,造成浪费,同一时候须要考虑代码是否能安全重入的问题(thread safe)。而新式的HAL採用HAL module和HAL stub结合形式,HAL stub不是一个share library,编译时上层仅仅拥有訪问HAL stub的函数指针,并不须要HAL stub。

    上层通过HAL module提供的统一接口获取并操作HAL stub,so文件仅仅会被mapping到一个进程,也不存在反复mapping和重入问题。

    3. HAL模块的结构与编写方法

    HAL模块主要有二个结构:

    struct hw_module_t-代表抽象硬件模块,包括硬件模块的一些基本信息,比如版本,开发人员等,另一个成员函数结构体。

    struct hw_module_methods_t ,里面仅仅有一个用于打开抽象硬件设备hw_device_t的open函数指针。

    struct hw_device_t-代表抽象硬件设备。里面包括了版本。一个关闭硬件的close函数指针,以及一个指向hw_module_t的结构的指针。

    这两个结构的定义在hardware/libhardware/include/hardware/hardware.h里面。在实现自己的hw module与hw device结构时,第一个成员变量必须是这两个结构。以达到类似C++中的继承的目的。

    这两个结构的定义例如以下所看到的:

    typedef struct hw_module_t {
        /** tag must be initialized to HARDWARE_MODULE_TAG */
        uint32_t tag;
    
        /**
         * The API version of the implemented module. The module owner is
         * responsible for updating the version when a module interface has
         * changed.
         *
         * The derived modules such as gralloc and audio own and manage this field.
         * The module user must interpret the version field to decide whether or
         * not to inter-operate with the supplied module implementation.
         * For example, SurfaceFlinger is responsible for making sure that
         * it knows how to manage different versions of the gralloc-module API,
         * and AudioFlinger must know how to do the same for audio-module API.
         *
         * The module API version should include a major and a minor component.
         * For example, version 1.0 could be represented as 0x0100. This format
         * implies that versions 0x0100-0x01ff are all API-compatible.
         *
         * In the future, libhardware will expose a hw_get_module_version()
         * (or equivalent) function that will take minimum/maximum supported
         * versions as arguments and would be able to reject modules with
         * versions outside of the supplied range.
         */
        uint16_t module_api_version;
    #define version_major module_api_version
        /**
         * version_major/version_minor defines are supplied here for temporary
         * source code compatibility. They will be removed in the next version.
         * ALL clients must convert to the new version format.
         */
    
        /**
         * The API version of the HAL module interface. This is meant to
         * version the hw_module_t, hw_module_methods_t, and hw_device_t
         * structures and definitions.
         *
         * The HAL interface owns this field. Module users/implementations
         * must NOT rely on this value for version information.
         *
         * Presently, 0 is the only valid value.
         */
        uint16_t hal_api_version;
    #define version_minor hal_api_version
    
        /** Identifier of module */
        const char *id;
    
        /** Name of this module */
        const char *name;
    
        /** Author/owner/implementor of the module */
        const char *author;
    
        /** Modules methods */
       <strong> struct hw_module_methods_t* methods;</strong>
    
        /** module's dso */
       <strong> void* dso;</strong>
    
        /** padding to 128 bytes, reserved for future use */
        uint32_t reserved[32-7];
    
    } hw_module_t;
    
    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;
    
        /**
         * Version of the module-specific device API. This value is used by
         * the derived-module user to manage different device implementations.
         *
         * The module user is responsible for checking the module_api_version
         * and device version fields to ensure that the user is capable of
         * communicating with the specific module implementation.
         *
         * One module can support multiple devices with different versions. This
         * can be useful when a device interface changes in an incompatible way
         * but it is still necessary to support older implementations at the same
         * time. One such example is the Camera 2.0 API.
         *
         * This field is interpreted by the module user and is ignored by the
         * HAL interface itself.
         */
        uint32_t version;
    
        /** reference to the module this device belongs to */
        <strong>struct hw_module_t* module;</strong>
    
        /** padding reserved for future use */
        uint32_t reserved[12];
    
        /** Close this device */
        <strong>int (*close)(struct hw_device_t* device);</strong>
    
    } hw_device_t;
    

    4. 硬件模块库的使用

    硬件模块库的装载与解析由hardware.c中的hw_get_module函数完毕,它先依照一定的规则选择然后载入硬件模块库,然后由HAL_MODULE_INFO_SYM解析出库中的全局变量名。得到硬件模块库指针(hw_module_t结构)。然后返回给调用者。

    以下以camera为样例来说明怎样使用HAL层。

    在系统启动创建CameraService对象时。其函数onFirstRef被调用,在它里面,通过hw_get_module(CAMERA_HARDWARE_MODULE_ID, (const hw_module_t**)&mModule)函数获取camera的抽象硬件模块camera_module。其过程如上所说,通过Camera的HAL动态库然后解析HAL_MODULE_INFO_SYM符号得到全局变量,然后通过获取到的抽象硬件模块结构获取系统拥有的Camera数量等。详细代码參见CameraService.cpp。

    当中camera_module即camera HAL的抽象硬件模块。其定义例如以下(camera_common.h):

    typedef struct camera_module {
        hw_module_t common;
    
        /**
         * get_number_of_cameras:
         *
         * Returns the number of camera devices accessible through the camera
         * module.  The camera devices are numbered 0 through N-1, where N is the
         * value returned by this call. The name of the camera device for open() is
         * simply the number converted to a string. That is, "0" for camera ID 0,
         * "1" for camera ID 1.
         *
         * The value here must be static, and cannot change after the first call to
         * this method
         */
        int (*get_number_of_cameras)(void);
    
        /**
         * get_camera_info:
         *
         * Return the static camera information for a given camera device. This
         * information may not change for a camera device.
         *
         */
        int (*get_camera_info)(int camera_id, struct camera_info *info);
    
        /**
         * set_callbacks:
         *
         * Provide callback function pointers to the HAL module to inform framework
         * of asynchronous camera module events. The framework will call this
         * function once after initial camera HAL module load, after the
         * get_number_of_cameras() method is called for the first time, and before
         * any other calls to the module.
         *
         * Version information (based on camera_module_t.common.module_api_version):
         *
         *  CAMERA_MODULE_API_VERSION_1_0, CAMERA_MODULE_API_VERSION_2_0:
         *
         *    Not provided by HAL module. Framework may not call this function.
         *
         *  CAMERA_MODULE_API_VERSION_2_1:
         *
         *    Valid to be called by the framework.
         *
         */
        int (*set_callbacks)(const camera_module_callbacks_t *callbacks);
    
        /**
         * get_vendor_tag_ops:
         *
         * Get methods to query for vendor extension metadata tag information. The
         * HAL should fill in all the vendor tag operation methods, or leave ops
         * unchanged if no vendor tags are defined.
         *
         * Version information (based on camera_module_t.common.module_api_version):
         *
         *  CAMERA_MODULE_API_VERSION_1_x/2_0/2_1:
         *    Not provided by HAL module. Framework may not call this function.
         *
         *  CAMERA_MODULE_API_VERSION_2_2:
         *    Valid to be called by the framework.
         */
        void (*get_vendor_tag_ops)(vendor_tag_ops_t* ops);
    
        /* reserved for future use */
        void* reserved[8];
    } camera_module_t;
    

    由其定义看到,其第一个成员为hw_module_t common,即上面说的自己的硬件抽象模块必须包括hw_module结构。达到“继承”的目的。另外定义了几个自己的成员变量,比方获取camera个数。及camera信息等。

    使用hw_get_module获取到的camera_module_t变量位于平台的camera HAL实现库中。不同的厂家可能文件名称字有所不同,可是肯定会实现以下类似的结构(CameraHAL.cpp)。

    camera_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM __attribute__ ((visibility("default"))) = {
        common : {
            tag                : HARDWARE_MODULE_TAG,
            module_api_version : CAMERA_MODULE_API_VERSION_2_0,
            hal_api_version    : HARDWARE_HAL_API_VERSION,
            id                 : CAMERA_HARDWARE_MODULE_ID,
            name               : "Default Camera HAL",
            author             : "The Android Open Source Project",
            methods            : &gCameraModuleMethods,
            dso                : NULL,
            reserved           : {0},
        },
        get_number_of_cameras : get_number_of_cameras,
        get_camera_info       : get_camera_info,
        set_callbacks         : set_callbacks
    };
    

    有了Camera的HAL层的硬件抽象模块camera_module。就能够通过camera_module获取到硬件抽象设备camera_device_t。只是它封装在CameraHardwareInterface中,在连接一个camera时(CameraService的connect函数,最后调到CameraClient::initialize)。将先创建CameraHardwareInterface对象,然后在其初始化函数中得到camera_device_t:int rc = module->methods->open(module, mName.string(), (hw_device_t **)&mDevice);这个open函数就是gCameraModuleMethods里面的open函数,事实上现例如以下所看到的:

    int Camera::open(const hw_module_t *module, hw_device_t **device)
    {
        ALOGI("%s:%d: Opening camera device", __func__, mId);
        CAMTRACE_CALL();
        pthread_mutex_lock(&mMutex);
        if (mBusy) {
            pthread_mutex_unlock(&mMutex);
            ALOGE("%s:%d: Error! Camera device already opened", __func__, mId);
            return -EBUSY;
        }
    
        // TODO: open camera dev nodes, etc
        mBusy = true;
        mDevice.common.module = const_cast<hw_module_t*>(module);
        *device = &mDevice.common;
    
        pthread_mutex_unlock(&mMutex);
        return 0;
    }
    

    这里面就返回了camera_device_t,而此结构的初始化在构造函数中:

    </pre>
    <pre>Camera::Camera(int id)
      : mId(id),
        mStaticInfo(NULL),
        mBusy(false),
        mCallbackOps(NULL),
        mStreams(NULL),
        mNumStreams(0),
        mSettings(NULL)
    {
        pthread_mutex_init(&mMutex, NULL);
        pthread_mutex_init(&mStaticInfoMutex, NULL);
    
        memset(&mDevice, 0, sizeof(mDevice));
        mDevice.common.tag    = HARDWARE_DEVICE_TAG;
        mDevice.common.version = CAMERA_DEVICE_API_VERSION_3_0;
        mDevice.common.close  = close_device;
        mDevice.ops           = const_cast<camera3_device_ops_t*>(&sOps);
        mDevice.priv          = this;
    }
    

    至此,CameraService就得到了Camera的HAL层的硬件抽象模块camera_module_t和抽象设备camera_device_t。有了这两个结构,上层就能够使用camera的功能了。以上代码基于android4.4/hardware/libhardware/modules/camera,使用的是c++的方式实现。不同硬件厂家的实现方式可能不同。但同样的是都必须实现这两个结构。

    5. 总结

    1. HAL通过hw_get_module来获取hw_module_t结构。
    2. HAL通过hw_module_t->methods->open获取hw_device_t指针,并在在open中初始化hw_device_t中的结构。包含函数指针(close操作)等。
    3. 两个重要结构:

    hw_module_t:硬件抽象模块,能够用hw_get_module获取到。

    当中又包括了一个hw_module_methods_t结构,当中定义了打开设备open方法。

    hw_device_t:硬件抽象设备。主要定义了硬件相关的一些函数。參数等。此结构通过hw_module_methods_t里面定义的open函数获取。

    以上大致就是android hal模块的内容,下一篇会以android的一个重要的HAL模块gralloc来看看其详细的实现。

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