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  •    3年前 (2015-07-03)  安卓框架 |   12 条评论  158 
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    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仅仅完成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,因此硬件厂商可以只提供二进制代码,所以说Android只是一个开放的平台,并不是一个开源的平台。

    总结下来,Android HAL存在的原因主要有:

    1. 并不是所有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,这样降低了模块间的耦合度,可以让平台开发者只关心HAL本身的实现即可。

    下图是HAL在android系统中所处的位置:

    Android HAL模块实现

    从这张图中可以看出,HAL把内核和framework隔离开来,使上层的开发可以不依赖内核与驱动的实现。在android源码中,HAL大致位于下面几个位置:

    1. libhardware_legacy/ - 旧的架构、采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。

    主要包含以下一些模块: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:

    Android HAL模块实现

    Android HAL模块实现

    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,应用程序也可以不需要通过 JNI 的方式进行,直接加载 *.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,上层可以直接操作硬件。

    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 虽然仍是以 *.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。这种以 indirect function call 的实作架构,让HAL stub 变成是一种「包含」关系,即 HAL 里包含了许许多多的 stub(代理人)。Runtime 只要说明「类型」,即 module ID,就可以取得操作函数。对于目前的HAL,可以认为Android定义了HAL层结构框架,通过几个接口访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,采用共享库形式,在编译时会调用到。由于采用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,同时需要考虑代码能否安全重入的问题(thread safe)。而新式的HAL采用HAL module和HAL stub结合形式,HAL stub不是一个share library,编译时上层只拥有访问HAL stub的函数指针,并不需要HAL stub。上层通过HAL module提供的统一接口获取并操作HAL stub,so文件只会被mapping到一个进程,也不存在重复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,包含硬件模块的一些基本信息,例如版本号,开发者等,还有一个成员函数结构体。

    struct hw_module_methods_t ,里面只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,里面包含了版本号,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。

    这两个结构的定义如下所示:

    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函数完成,它先按照一定的规则选择然后加载硬件模块库,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。

    下面以camera为例子来说明如何使用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。具体代码参见CameraService.cpp。

    其中camera_module即camera HAL的抽象硬件模块,其定义如下(camera_common.h):

    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含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,比如获取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字有所不同,但是肯定会实现下面类似的结构(CameraHAL.cpp)。

    有了Camera的HAL层的硬件抽象模块camera_module,就可以通过camera_module获取到硬件抽象设备camera_device_t,不过它封装在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,其实现如下所示:

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

    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,上层就可以使用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,但相同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,包括函数指针(close操作)等。
    3. 两个重要结构:

    hw_module_t:硬件抽象模块,可以用hw_get_module获取到。其中又包含了一个hw_module_methods_t结构,其中定义了打开设备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,参数等。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来看看其具体的实现。

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    Android HAL模块实现

     

     

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