HAL的实现分析

  目录

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HAL 综述

以下是基于android4.0.3，对应其他低版本的代码，可能有所差异，但基本大同小异。

  Android的HAL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：

• 不是所有的硬件设备都有标准的linux kernel的接口
• kernel driver涉及到GPL的版权。某些设备制造商并不愿意公开硬件驱动，所以用HAL方 式绕过GPL。
• 针对某些硬件，Android有一些特殊的需求

源码位置

/hardware/libhardware_legacy/ 　　 旧的架构、采取链接库模块的方式

/hardware/libhardware 　　　　　新架构、调整为 HAL stub 目录的结构如下：

/hardware/libhardware/hardware.c 编译成libhardware.s置于/system/lib

/hardware/libhardware/include/hardware目录下包含如下头文件：

hardware.h             通用硬件模块头文件copybit.h              copybit模块头文件gralloc.h              gralloc模块头文件lights.h               背光模块头文件sensors.h              传感器模块头文件...

/hardware/libhardware/modules 目录下定义了很多硬件模块

/hardware/qcom

/device/Samsung

/device/moto 各个厂商平台相关的hal

这些硬件模块都编译成xxx.xxx.so，目标位置为/system/lib/hw目录。

HAL层的实现方式

目前HAL存在两种构架，位于libhardware_legacy目录下的“旧HAL架构”和位于libhardware目录下的“新HAL架构”。

　　两种框架如下图所示：
　　

libhardware_legacy

　　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。

　　这种设计架构虽然满足了Java应用访问硬件的需要，但是，使得我们的代码上下层次间的耦合太高，用户程序或者框架代码必须要去加载module库，如果底层硬件有变化，module要从新编译，上层也要做相应变化，另外，如果多个应用程序同时访问硬件，都去加载module，同一module被多个进程映射多次，会有代码的重入问题。
　　
　　总而言之是没有经过封装，上层可以直接操作硬件。

libhardware

　　这种新的代码架构使用的是module stub方式. Stub是存根或者桩的意思，其实说白了，就是指一个对象代表的意思。

　　上层应用层或者框架层代码加载so库代码，so库代码我们称之为module，在Hal层注册了每个硬件对象的存根stub，当上层需要访问硬件的时候，就从当前注册的硬件对象stub里查找，找到之后stub会向上层module提供该硬件对象的operations interface（操作接口），该操作接口就保存在module中，上层应用或框架层再通过这个module操作接口来访问硬件。

　　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。

　　在Module架构中，本地代码由so库实现，上层直接将so库映射到进程空间，会有代码重入及设备多次打开的问题。新的Stub框架虽然也要加载module库，但是这个module已经不包含操作底层硬件驱动的功能了，它里面保存的只是底层stub提供的操作接口，底层stub扮演了“接口提供者”的角色，当stub第一次被使用时加载到内存，后续再使用时仅返回硬件对象操作接口，不会存在设备多次打开的问题，并且由于多进程访问时返回的只是函数指针，代码并没有重入。

JNI
　　Android的HAL的实现需要通过JNI(Java Native Interface)。

　　JNI简单来说就是java程序可以调用C/C++写的动态链接库，这样的话，HAL可以使用C/C++语言编写，效率更高。

　　JNI->通用硬件模块->硬件模块->内核驱动接口，具体一点：JNI->libhardware.so->xxx.xxx.so->kernel，具体来说：android frameworks中JNI调用hardware.c中定义的hw_get_module函数来获取硬件模块，然后调用硬件模块中的方法，硬件模块中的方法直接调用内核接口完成相关功能

访问HAL方式

　　在Android下访问HAL大致有以下两种方式。

经过service调用
　　Android的app可以直接通过service调用.so格式的jni。

经过Manager调用service

上面两种方法应该说是各有优缺点：

　　第一种方法简单高效，但不正规。

　　第二种方法实现起来比较复杂，但更符合目前的Android框架。

　　第二种方法中，LedManager和LedService（java）在两个进程中，需要通过进程通讯的方式来通讯。

　　在现在的android框架中，这两种方式都存在，比如对于lights，是直接透过LightsService调用JNI，而对于sensor，中间则是通过SensorsManager来调用JNI的。

通用硬件模块(libhardware.so)

　　一般来说HAL moudle需要涉及的是三个关键结构体：

struct hw_module_t;   struct hw_module_methods_t;struct hw_device_t;

这三个结构体定义在hardware.h中(/hardware/libhardware/include/hardware/hardware.h)。

　　头文件中主要定义了通用硬件模块结构体hw_module_t，声明了JNI调用的接口函数hw_get_module、hw_module_t。

　　定义如下：

/*** 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;/** major version number for the module */uint16_t version_major;/** minor version number of the module */uint16_t version_minor; /** 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; //硬件模块的方法/** module's dso */void* dso;/** padding to 128 bytes, reserved for future use */uint32_t reserved[32-7];} hw_module_t;

如注释所说，所有的hal模块都要有一个以HAL_MODULE_INFO_SYM命名的结构，而且这个结构要以hw_module_t开始，即要继承hw_module_t这个结构。

　　比如lights，sensor：

struct sensors_module_t { struct hw_module_t common;int (*get_sensors_list)(struct sensors_module_t* module,            struct sensor_t const** list);};/* * The lights Module */struct light_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {    common: {        tag: HARDWARE_MODULE_TAG,        version_major: 1,        version_minor: 0,        id: LIGHTS_HARDWARE_MODULE_ID,        name: "Lights module",        author: "Rockchip",        methods: &light_module_methods,    }};const struct sensors_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {    .common = {        .tag = HARDWARE_MODULE_TAG,        .version_major = 1,        .version_minor = 0,        .id = SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID,        .name = "Stingray SENSORS Module",        .author = "Motorola",        .methods = &sensors_module_methods,    },    .get_sensors_list = sensors__get_sensors_list};

hw_module_t中比较重要的是硬件模块方法结构体hw_module_methods_t定义如下：

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;

该方法在定义HAL_MODULE_INFO_SYM的时候被初始化。目前该结构中只定义了一个open方法，其中调用的设备结构体参数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 number for hw_device_t */    uint32_t version;    /** reference to the module this device belongs to */    struct hw_module_t* module;    /** padding reserved for future use */    uint32_t reserved[12];     /** Close this device */    int (*close)(struct hw_device_t* device);} hw_device_t;struct light_device_t {    struct hw_device_t common;    int (*set_light)(struct light_device_t* dev,            struct light_state_t const* state);};/** * Every device data structure must begin with hw_device_t * followed by module specific public methods and attributes. */struct sensors_poll_device_t {    struct hw_device_t common;    int (*activate)(struct sensors_poll_device_t *dev,            int handle, int enabled);    int (*setDelay)(struct sensors_poll_device_t *dev,            int handle, int64_t ns);    int (*poll)(struct sensors_poll_device_t *dev,            sensors_event_t* data, int count);};

亦如注释所说，每一个设备的数据结构都必须也以hw_device_t开始。

hw_get_module函数声明如下：

int hw_get_module(const char *id, const struct hw_module_t **module);

　　参数id为模块标识，定义在/hardware/libhardware/include/hardware录下的硬件模块头文件中。

　　参数module是硬件模块地址，定义在/hardware/libhardware/include/hardware/hardware.h中

调用关系