ANDROID音频系统散记之四：4.0音频系统HAL初探

ANDROID音频系统散记之四：4.0音频系统HAL初探

分类： Android2011-11-16 20:48 5757人阅读 评论(26) 收藏 举报

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

 
[plain] view plaincopy
  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/ 非legacy：hardware/libhardware/include/hardware/audio.h

2、audio_hw

 
[plain] view plaincopy
  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也要封装成非legacy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。
 
[plain] view plaincopy
  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。
 
[plain] view plaincopy
  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

 
[plain] view plaincopy
  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

 
[cpp] view plaincopy
  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。
[cpp] view plaincopy
  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：
[cpp] view plaincopy
  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：
[cpp] view plaincopy
  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：
[cpp] view plaincopy
  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/ 非legacy：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：
[cpp] view plaincopy
  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）？？？
posted @ 2012-07-27 11:17  wanqi  阅读(7238)  评论(0)  编辑  收藏  举报