硬件抽象层是介于android内核kernel和上层之间的抽象出来的一层结构。他是对linux驱动的一个封装,对上层提供统一接口,上层应用不必知道下层硬件具体怎么实现工作的,它屏蔽了底层的实现细节。
它在整个android架构中的位置如下图所示:
传统的linux对硬件的操作基本上在内核空间的linux驱动程序中实现了,那么现在为什么要多此一举把对硬件的操作分为HAL和linux驱动两部分呢?而且HAL是属于用户空间,linux驱动属于内核空间。
其实并不多余,理由是很多的:
1.谷歌搭好了HAL的框架,为上层framework通过JNI调用HAL提供了统一的API,硬件开发商或者移植人员只需要按照框架开发即可,无需话费精力在与上层的交互上的实现上,将精力放在hal层本身的实现上即可。
2.从商业角度,许多硬件厂商不愿意将自己硬件相关一些核心的东西开源出去,假如将对自己硬件的驱动程序全部放入内核空间驱动程序实现,那么必须遵循GPL协议,是必需开源的。有了HAL层之后,他们可以把一些核心的算法之类的东西的实现放在HAL层,而HAL层位于用户空间,不属于linux内核,和android源码一样遵循的是Apache协议,这个是可以不用开源的。
以上就是HAL层存在的意义,下面来根据HAL层源码分析一下HAL到底是怎么样个架构和实现原理,深入剖析一下。
android HAL层的代码主要位于/hardware/libhardware下面我们从上往下走。
在HAL层中,各类硬件的都是以硬件模块的形式描述的,是用hw_module_t结构体来描述的,而每一类硬件模块中又有各个独立的硬件,是用hw_device_t结构体来描述的。
上层app通过JNI调用硬件时,首先得获取到hw_module_t结构体,也即是硬件模块,有了这个才能再对硬件进行操作。那么我们来看看看看这两个结构体定义是什么样子的。
它们的定义在/hardware/libhardware/include/hardware/hardware.h里面。
A. hw_module_t表示硬件模块,它主要包含了一些硬件模块的信息,结构体的定义:
/** * 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; /** * 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 */ struct hw_module_methods_t* methods;//硬件模块方法结构体 /** module's dso */ void* dso;//打开硬件模块的库时得到的句柄 #ifdef __LP64__ uint64_t reserved[32-7]; #else /** padding to 128 bytes, reserved for future use */ uint32_t reserved[32-7]; #endif } hw_module_t;
B. 下面我们再来看看hw_device_t结构体,这个结构体主要是用来描述模块中硬件设备的属性信息什么的。一个硬件模块可能有多个硬件设备。比如说,传感器模块,sensor_module,是一个硬件模块,但是手机中的传感器就对应的有好多种,比如加速度acc_sensor,磁传感器M_sensor等,那么他们都属于sensor_module,但是他们有都有自己的hw_device_t结构体来描述。hw_device_t定义如下:
/** * 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 */ struct hw_module_t* module;//本设备归属的硬件模块 /** padding reserved for future use */ #ifdef __LP64__ uint64_t reserved[12]; #else uint32_t reserved[12]; #endif /** Close this device */ int (*close)(struct hw_device_t* device);//关闭设备的函数指针 } hw_device_t;
其中,第三个成员module指向的是这个设备归属的硬件模块结构体。
最后一个函数指针close指向的肯定是关闭设备的函数。
到此,HAL的主要的两个结构体讲完了,下面我们继续,将结合源码,看看hal层到底是怎么工作的,看看上层怎么获取到硬件模块,硬件设备的,到底是怎么加载解析动态共享库的。
我们知道,一些硬件厂商不愿意将自己的一些核心代码开放出去,所以将这些代码放到HAL层,但是怎么保证它不开放呢?HAL层代码不是也让大家知道下载吗?其实硬件厂商的HAL核心代码是以共享库的形式出现的,每次在需要的时候,HAL会自动加载调用相关共享库。那么是怎么加载找到某一硬件设备对应的共享库的呢?这也是我们都要说的。
上层APP通过JNI调用HAL层的hw_get_module函数获取硬件模块,这个函数是上层与HAL打交道的入口。所以如果我们以程序调用执行的流程去看源码的话,这个函数就是HAL层第一个被调用的函数,下面我们就
沿着程序执行的流程走下去。比如说在frameworks\native\services\sensorservice\SensorDevice.cpp中
SensorDevice::SensorDevice() : mSensorDevice(0), mSensorModule(0) { status_t err = hw_get_module(SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID, (hw_module_t const**)&mSensorModule); ALOGE_IF(err, "couldn't load %s module (%s)", SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID, strerror(-err)); if (mSensorModule) { err = sensors_open_1(&mSensorModule->common, &mSensorDevice); ALOGE_IF(err, "couldn't open device for module %s (%s)", SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID, strerror(-err)); if (mSensorDevice) { if (mSensorDevice->common.version == SENSORS_DEVICE_API_VERSION_1_1 || mSensorDevice->common.version == SENSORS_DEVICE_API_VERSION_1_2) { ALOGE(">>>> WARNING <<< Upgrade sensor HAL to version 1_3"); } sensor_t const* list; ssize_t count = mSensorModule->get_sensors_list(mSensorModule, &list); mActivationCount.setCapacity(count); Info model; for (size_t i=0 ; i<size_t(count) ; i++) { mActivationCount.add(list[i].handle, model); mSensorDevice->activate( reinterpret_cast<struct sensors_poll_device_t *>(mSensorDevice), list[i].handle, 0); } } } }
这里调用hw_get_module()得到硬件模块结构体hw_module_t.有了hw_module_t,通过其内部的method open就能打开硬件模块对应的设备了,通过结构体中的一些方法就能操作硬件设备了。
接下来我们看hw_get_module函数具体是怎么实现的,
hw_get_module函数定义在hardware\libhardware\hardware.c中,打开这个文件可以看到定义如下:
int hw_get_module(const char *id, const struct hw_module_t **module) { return hw_get_module_by_class(id, NULL, module); }
这是其函数原型,传入的参数id对应硬件设备的id,这是一个字符串,比如我们比较熟悉的sensor的id是SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID,这个跟HAL_MODULE_INFO_SYM结构体中id的定义一样,这个将在下面讲到。hw_get_module函数根据这个id去查找匹配和这个id对应的硬件模块结构体的。如果找到了对应的hw_module_t结构体,会将其指针放入*module中。
然后我们进入hw_get_module_by_class()看看它具体实现:
int hw_get_module_by_class(const char *class_id, const char *inst, const struct hw_module_t **module) { int i = 0; char prop[PATH_MAX] = {0}; char path[PATH_MAX] = {0}; char name[PATH_MAX] = {0}; char prop_name[PATH_MAX] = {0}; if (inst) snprintf(name, PATH_MAX, "%s.%s", class_id, inst); else strlcpy(name, class_id, PATH_MAX);//拷贝hardware id,name为sensor /* * 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. */ /* First try a property specific to the class and possibly instance */ snprintf(prop_name, sizeof(prop_name), "ro.hardware.%s", name);//先尝试获取ro.hardware.sensor的属性值 if (property_get(prop_name, prop, NULL) > 0) { if (hw_module_exists(path, sizeof(path), name, prop) == 0) {//查看是否存在对应的库 goto found; } } /* Loop through the configuration variants looking for a module */ for (i=0 ; i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT; i++) { if (property_get(variant_keys[i], prop, NULL) == 0) {//获取数组variant_keys里面的属性值 continue; } if (hw_module_exists(path, sizeof(path), name, prop) == 0) { goto found; } } /* Nothing found, try the default */ //当所有变种名称形式的包都不存在时,就以"id.default.so"形式包名查找是否存在 if (hw_module_exists(path, sizeof(path), name, "default") == 0) { goto found; } return -ENOENT; found: /* load the module, if this fails, we're doomed, and we should not try * to load a different variant. */ return load(class_id, path, module);//装载库,得到module }
prop这个变量的值是前面property_get(variant_keys[i], prop, NULL)函数获取到的,其实这个函数是通过ariant_keys数组的属性查找到系统中对应的变种名称。不同的平台获取到prop值是不一样的。然后将参数传入hw_module_exists()函数进行判断该库是否存在。
hw_module_exists如下:
/* * Check if a HAL with given name and subname exists, if so return 0, otherwise * otherwise return negative. On success path will contain the path to the HAL. */ static int hw_module_exists(char *path, size_t path_len, const char *name, const char *subname) { snprintf(path, path_len, "%s/%s.%s.so",//查找动态链接库的两个路径 vendor/lib/hw/ system/lib/hw HAL_LIBRARY_PATH2, name, subname); if (access(path, R_OK) == 0) return 0; snprintf(path, path_len, "%s/%s.%s.so", HAL_LIBRARY_PATH1, name, subname); if (access(path, R_OK) == 0) return 0; return -ENOENT; }
该函数先拼凑出path,结合 HAL_LIBRARY_PATH2 为"/vendor/lib/hw",假设获取到的prop值是tout,需要获取的硬件模块的id是leds,这种情况下path拼出来的值是/vender/lib/hw/leds.tout.so,然后在判断文件是否存在。存在返回0.
variant_keys定义如下:
/** * There are a set of variant filename for modules. The form of the filename * is "<MODULE_ID>.variant.so" so for the led module the Dream variants * of base "ro.product.board", "ro.board.platform" and "ro.arch" would be: * * led.trout.so * led.msm7k.so * led.ARMV6.so * led.default.so */ static const char *variant_keys[] = { "ro.hardware", /* This goes first so that it can pick up a different file on the emulator. */ "ro.product.board", "ro.board.platform", "ro.arch" };
上述代码主要是搜索库并获取动态链接库的路径,然后调用load函数去加载指定路径下的库文件,load函数是关键所在。下面我们看看load():
/** * Load the file defined by the variant and if successful * return the dlopen handle and the hmi. * @return 0 = success, !0 = failure. */ static int load(const char *id, const char *path, const struct hw_module_t **pHmi)//传入硬件模块id和库所在路径,获取到硬件模块结构体 { int status = -EINVAL; void *handle = NULL; struct hw_module_t *hmi = NULL; /* * 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);//打开动态连接库 if (handle == NULL) { char const *err_str = dlerror(); ALOGE("load: module=%s\n%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;//这个变量很重要,HMI就是模块结构的符号标志 hmi = (struct hw_module_t *)dlsym(handle, sym);//根据符号返回符号对应的地址 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) {//匹配解析出硬件模块的id和传入我们实际想要得到的模块id是否一致。 ALOGE("load: id=%s != hmi->id=%s", id, hmi->id); status = -EINVAL; goto done; } hmi->dso = handle;//将打开库得到的句柄传给硬件模块的dso /* 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;//返回找到的模块结构,赋值给module return status; }
可以看到load函数传入的几个参数,第一个参数就是需要加载的硬件模块对应动态库的硬件模块的id,
第二个参数就是动态库存放的路径,就是在hw_get_module函数前部分搜索库得到的path,
第三个参数就是我们需要得到的硬件模块结构体,通过它传给hw_get_module,hw_get_module函数在通过参数传给jni。
首先调用dlopen打开共享库,该函数通过传入的库的路径找到库,并且打开它,传回一个操作句柄handle,然后再调用dlsym函数解析这个打开的库,得到库中包含的对应的硬件模块结构体,并将它返回回来。所有硬件厂商或者硬件移植者都必须根据HAL的这个架构去实现填充这个和自己硬件相关的硬件模块结构体hw_module_t,供使用。
通过dlsym解析之后就得到了hw_module_t,将从库中解析得到的结构体中的id和传入的id做比较,看是否一致。如果一致则证明就是得到正确的硬件模块了。
最后将hw_module_t结构体指针传给第三个参数,传给hw_get_module函数。
提醒一下,HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR这个宏很重要:
/** * Name of the hal_module_info as a string */ #define HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR "HMI"
硬件抽象层中的每一个模块都必须存在一个导出符号HAL_MODULE_IFNO_SYM,即“HMI”,它指向一个自定义的硬件抽象层模块结构体。以sensor为例,在\hardware\libhardware\modules\sensors\multihal.cpp下
struct sensors_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = { common :{ tag : HARDWARE_MODULE_TAG, version_major : 1, version_minor : 1, id : SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID, name : "MultiHal Sensor Module", author : "Google, Inc", methods : &sensors_module_methods, dso : NULL, reserved : {0}, }, get_sensors_list : module__get_sensors_list };
这里定义了一个名为HAL_MODULE_INFO_SYM的sensors_module_t的结构体,事实上每个硬件模块都必须定义一个变量名为HAL_MODULE_INFO_SYM的结构体,而且common成员为hw_module_t类型(这段话在定义hw_module_t结构体时有说明)。注意这里的HAL_MODULE_INFO_SYM变量必须为这个名字,这样编译器才会将这个结构体的导出符号变为“HMI”,dlsym函数才能找到这个结构体,才能根据符号返回符号对应的模块地址。
另外在hw_module_t结构体中定义了struct hw_module_methods_t* methods; hw_module_methods_t
这个指针methods它指向的是与本硬件模块相关的方法的结构体,里面不用看可以猜出肯定有一些函数指针,但是它里面只有一个函数指针。可以看看定义:
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;
我们可以看到确实只有一个函数指针,open它是打开硬件模块中硬件设备的函数。
以sensors为例,在hardware\libhardware\modules\sensors\multihal.cpp中有关于sensors打开设备的方法定义代码如下
static struct hw_module_methods_t sensors_module_methods = { open : open_sensors };
我们进入open_sensors,看看其具体实现:
static int open_sensors(const struct hw_module_t* hw_module, const char* name, struct hw_device_t** hw_device_out) { ALOGV("open_sensors begin..."); lazy_init_modules(); // Create proxy device, to return later. sensors_poll_context_t *dev = new sensors_poll_context_t(); memset(dev, 0, sizeof(sensors_poll_device_1_t)); dev->proxy_device.common.tag = HARDWARE_DEVICE_TAG; dev->proxy_device.common.version = SENSORS_DEVICE_API_VERSION_1_3; dev->proxy_device.common.module = const_cast<hw_module_t*>(hw_module); dev->proxy_device.common.close = device__close; dev->proxy_device.activate = device__activate; dev->proxy_device.setDelay = device__setDelay; dev->proxy_device.poll = device__poll; dev->proxy_device.batch = device__batch; dev->proxy_device.flush = device__flush; dev->nextReadIndex = 0; // Open() the subhal modules. Remember their devices in a vector parallel to sub_hw_modules. for (std::vector<hw_module_t*>::iterator it = sub_hw_modules->begin(); it != sub_hw_modules->end(); it++) { sensors_module_t *sensors_module = (sensors_module_t*) *it; struct hw_device_t* sub_hw_device; int sub_open_result = sensors_module->common.methods->open(*it, name, &sub_hw_device); if (!sub_open_result) { if (!HAL_VERSION_IS_COMPLIANT(sub_hw_device->version)) { ALOGE("SENSORS_DEVICE_API_VERSION_1_3 is required for all sensor HALs"); ALOGE("This HAL reports non-compliant API level : %s", apiNumToStr(sub_hw_device->version)); ALOGE("Sensors belonging to this HAL will get ignored !"); } dev->addSubHwDevice(sub_hw_device); } } // Prepare the output param and return *hw_device_out = &dev->proxy_device.common; ALOGV("...open_sensors end"); return 0; }
可以看到里面对设备的一些赋值
以上是我这两天学习硬件抽象层知识的一些总结。