Android HAL

 

作为一个搞android驱动或者说搞底层的人，我觉得对于hal那是必须要掌握的，而且必须达到一定深度，于是我总结了一下，将整个自己的分析思路写下来。 

主要是看android源代码，根据源代码得到的思路。(看源代码比看什么著作书籍都管用) android HAL是什么？为什么有它？ 
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，那么现在为什么那么多此一举把对硬件的操作分为两部分，hal和linux驱动呢？ 
而且hal属于用户空间，linux驱动属于内核空间。其实并不多余。那么为什么要高出这么个东西，理由是很多的： 
1.谷歌搭好了hal的框架，为上层framework打通过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appache协议，这个是可以开源或者不开的。   
搞清楚了hal的存在意义，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hal层中是用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，hal中是用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;  //tag，根据引文注释可以看到必须被初始化为HARDWARE_MODULE_TAG  
    /** major version number for the module */    

uint16_t version_major;//主版本号  
    /** minor version number of the module */     

uint16_t version_minor;//次版本号  
    /** Identifier of module */ 
const char *id;//模块id字符串     http://www.qqtop2.com      /** Name of this module */     

const char *name;//模块名  
    /** Author/owner/implementor of the module */     

const char *author;//作者  
    /** 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 

 

    /** padding to 128 bytes, reserved for future use */    

 uint32_t reserved[32-7];  
} hw_module_t; 
 
 前面tag，name那几个成员属性就不说了，看了注释相信大家都知道了，下面看看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： 
1 typedef struct hw_module_methods_t { 

2     /** Open a specific device */ 
3     int (*open)(const struct hw_module_t* module, const char* id,//打开硬件设备函数指针 
4             struct hw_device_t** device); 

5  

6 } 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。 然后是成员void* dso，它是打开硬件模块相关的额设备之后返回的句柄给它，这个在后面看hw_get_module函数源码的时候你就会明白。 
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：  
 1 /** 
 2  * Every device data structure must begin with hw_device_t  

 3  * followed by module specific public methods and attributes.  

 4  */ 
 5 typedef struct hw_device_t { 
 6     /** tag must be initialized to HARDWARE_DEVICE_TAG */  

 7     uint32_t tag;   //设备tag  

 8     http://mingzi.78name.com  
 9     /** version number for hw_device_t */ 

10     uint32_t version;//版本 

11  
12     /** reference to the module this device belongs to */  

13     struct hw_module_t* module;//本设备归属的硬件模块 

14  
15     /** padding reserved for future use */ 

16     uint32_t reserved[12];//保留 

17  
18     /** Close this device */ 
19     int (*close)(struct hw_device_t* device);//关闭设备的函数指针 

20  
21 } 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。   
恩，到此，hal的主要的两个结构体讲完了，下次我们继续，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。 
上一篇我们分析了android HAL层的主要的两个结构体hw_module_t(硬件模块)和hw_device_t(硬件设备)的成员，下面我们来具体看看上层app到底是怎么实现操作硬件的？ 
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？这也是我们这篇都要说的。   
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 
从这个函数开始，沿着程序执行的流程走下去。 
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：  
 1 int hw_get_module(const char *id, const struct hw_module_t **module)   

 2 { 
 3     int status;  

 4     int i; 
 5     const struct hw_module_t *hmi = NULL; 

 

 

 6     char prop[PATH_MAX];  

 7     char path[PATH_MAX];  

 8  
 9     /* 
10      * Here we rely on the fact that calling dlopen multiple times on 

11      * the same .so will simply increment a refcount (and not load 

12      * a new copy of the library). 
13      * We also assume that dlopen() is thread-safe. 

14      */ 

15  
16     /* Loop through the configuration variants looking for a module */ 

17     for (i=0  i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1  i++) { 

18         if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT) { 
19             if (property_get(variant_keys[i], prop, NULL) == 0) {//获取属性 

20                 continue; 21             } 
22             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so", 

23                     HAL_LIBRARY_PATH1, id, prop); 
24             if (access(path, R_OK) == 0) break;//检查system路径是否有库文件 

25  
26             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so", 

27                      HAL_LIBRARY_PATH2, id, prop); 
28             if (access(path, R_OK) == 0) break;//检查vender路径是否有库文件 
29         } else { 
30             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.default.so",//如果都没有，则使用缺省的 
31                      HAL_LIBRARY_PATH1, id); 

32             if (access(path, R_OK) == 0) break; 

33         } 

34     } 

35  
36     status = -ENOENT; 
37     if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1) { 
38         /* load the module, if this fails, we're doomed, and we should not try 

39          * to load a different variant. */ 
40         status = load(id, path, module);//装载库，得到module 

41     } 

42  
43     return status; 

44 } 
 

 看第一行我们知道有两个参数，第一参数id就是要获取的硬件模块的id，第二个参数module就是我们想得到的硬件模块结构体的指针。 
所以可以看出，上层首先给hal需要获取的硬件模块的id，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。 下面看看怎么找的。 
17行有个for循环，上限是HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1，那么这个HAL_VARIANT_KEYS_COUNT是什么呢？查看同文件下找到有： static const int HAL_VARIANT_KEYS_COUNT =     (sizeof(variant_keys)/sizeof(variant_keys[0])); 
原来它是ariant_keys这个数组的元素个数。那么这个数组又是什么呢？在本文件找，有：  
/** 
 * 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" }; 
 
可以看到它其实是个字符串数组。站且不知道干什么的。继续看hw_get_module函数，进入for循环里面，看22行，其实它是将HAL_LIBRARY_PATH1, id, prop这三个串拼凑一个路径出来， 
HAL_LIBRARY_PATH1定义如下： 

/** Base path of the hal modules */ 
#define HAL_LIBRARY_PATH1 "/system/lib/hw" #define HAL_LIBRARY_PATH2 "/vendor/lib/hw" 
id是上层提供的，prop这个变量的值是前面19行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。 
假如在获取到的prop值是tout，需要获取的硬件模块的id是leds，那么最后path组成的串是/system/lib/hw/leds.tout.so。 
后面24行access是检查这个路径下是否存在，如果有就break，跳出循环。如果没有，继续走下面， 
可以看到下面几行和刚才形式差不多， 
snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",  HAL_LIBRARY_PATH2, id, prop); if (access(path, R_OK) == 0) break;//检查vender路径是否有库文件 
结合 HAL_LIBRARY_PATH2 为"/vendor/lib/hw"，假设同样获取到的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
/ender/lib/hw/leds.tout.so,然后在判断文件是否存在。如果存在跳出循环。 从以上分析，其实这就是hal层搜索动态共享库的方式，从中我们可以得到两点： 1.动态共享库一般放在 "/system/lib/hw"和"/vendor/lib/hw"这两个路径下。 2.动态库的名称是以"id.variant.so"的形式命名的，其中id为上层提供，中间variant为变种名称，是岁系统平台变化的。 
接着，从29到32行我们可以看到，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。 
37行， if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1)，如果i小于变种名称数组的话，表示找到了对应的库，那么38行load(id, path, module);//装载库，得到module。  
以上就对hal层搜索库的规则搞清楚了。