Android HAL分析报告

Rockie Cheng 根据Jollen的HAL讲座与代码整理（http://www.jollen.org/blog/）
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1 HAL简介

Android 的 HAL（Hardware Abstract Layer硬件抽象层）是Google因应厂商「希望不公开源码」的要求下，所推出的新观念，其架构如下图。虽然 HAL 现在的「抽象程度」还不足，现阶段实作还不是全面符合 HAL的架构规划，不过也确实给了我们很好的思考空间。

图1：Android HAL 架构规划

这是 Patrick Brady (Google) 在2008 Google I/O 所发表的演讲「Anatomy & Physiology of an Android」中，所提出的 Android HAL 架构图。从这张架构图我们知道，HAL 的目的是为了把 Android framework 与 Linux kernel 完整「隔开」。让 Android 不至过度依赖 Linux kernel，有点像是「kernel independent」的意思，让 Android framework 的开发能在不考虑驱动程序的前提下进行发展。

在 Android 原始码里，HAL 主要的实作储存于以下目录：

1. libhardware_legacy/ - 过去的实作、采取链接库模块的观念进行
2. libhardware/ - 新版的实作、调整为 HAL stub 的观念
3. ril/ - Radio Interface Layer

在 HAL 的架构实作成熟前（即图1的规划），我们先就目前 HAL 现况做一个简单的分析。另外，目前 Android 的 HAL实作，仍旧散布在不同的地方，例如 Camera、WiFi 等，因此上述的目录并不包含所有的 HAL 程序代码。

2 HAL 的过去



图2：Android HAL / libhardware_legacy

过去的 libhardware_legacy 作法，比较是传统的「module」方式，也就是将 *.so 档案当做「shared library」来使用，在runtime（JNI 部份）以 direct function call 使用 HAL module。透过直接函数呼叫的方式，来操作驱动程序。当然，应用程序也可以不需要透过 JNI 的方式进行，直接以加载 *.so 檔（dlopen）的做法呼叫*.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。

3 HAL 的现况



图3：Android HAL / libhardware

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。

4 HAL_legacy和HAL的对比

HAL_legacy：旧式的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）。

HAL：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。

5 HAL module架构

HAL moudle主要分为三个结构：

struct hw_module_t;
struct hw_module_methods_t;
struct hw_device_t;

他们的继承关系如下图：



图4：Android HAL结构继承关系

 

6 HAL使用方法

（1）Native code通过hw_get_module调用获取HAL stub：
hw_get_module (LED_HARDWARE_MODULE_ID, (const hw_module_t**)&module)

（2）通过继承hw_module_methods_t的callback来open设备：
module->methods->open(module,
            LED_HARDWARE_MODULE_ID, (struct hw_device_t**)device);

（3）通过继承hw_device_t的callback来控制设备：
sLedDevice->set_on(sLedDevice, led);
sLedDevice->set_off(sLedDevice, led);

7 HAL stub编写方法

（1）定义自己的HAL结构体，编写头文件led.h, hardware/hardware.h
struct led_module_t {
   struct hw_module_t common;
};

struct led_control_device_t {
   struct hw_device_t common;

   int fd;             /* file descriptor of LED device */

   /* supporting control APIs go here */
   int (*set_on)(struct led_control_device_t *dev, int32_t led);
   int (*set_off)(struct led_control_device_t *dev, int32_t led);
};

继承关系如下图：

图5：HAL stub与HAL module继承关系


（2）设计led.c 完成功能实现和HAL stub注册

（2.1）led_module_methods继承hw_module_methods_t，实现open的callback

struct hw_module_methods_t led_module_methods = {
    open: led_device_open
};

（2.2）用HAL_MODULE_INFO_SYM实例led_module_t，这个名称不可修改
tag：需要制定为 HARDWARE_MODULE_TAG
id：指定为 HAL Stub 的 module ID
methods：struct hw_module_methods_t，为 HAL 所定义的「method」
const struct led_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {
    common: {
        tag: HARDWARE_MODULE_TAG,
        version_major: 1,
        version_minor: 0,
        id: LED_HARDWARE_MODULE_ID,
        name: "Sample LED Stub",
        author: "The Mokoid Open Source Project",
        methods: &led_module_methods,
    }

    /* supporting APIs go here. */
};

（2.3）open是一个必须实现的callback API，负责申请结构体空间，填充信息，注册具体操作API接口,打开Linux驱动。
       由于存在多重继承关系，只需对子结构体hw_device_t对象申请空间即可。
int led_device_open(const struct hw_module_t* module, const char* name,struct hw_device_t** device)
{
       struct led_control_device_t *dev;
       dev = (struct led_control_device_t *)malloc(sizeof(*dev));
       memset(dev, 0, sizeof(*dev));
       dev->common.tag = HARDWARE_DEVICE_TAG;
       dev->common.version = 0;
       dev->common.module = module;
       dev->common.close = led_device_close;
       dev->set_on = led_on;
       dev->set_off = led_off;
       *device = &dev->common;
       /*
         * Initialize Led hardware here.
         */
        dev->fd = open(LED_DEVICE, O_RDONLY);
       if (dev->fd < 0)
           return -1;

       led_off(dev, LED_C608);
       led_off(dev, LED_C609);
success:
       return 0;
}

（2.4）填充具体API操作代码
int led_on(struct led_control_device_t *dev, int32_t led)
{
       int fd;
       LOGI("LED Stub: set %d on.", led);
       fd = dev->fd;
       switch (led) {
              case LED_C608:
                     ioctl(fd, 1, &led);
                     break;
              case LED_C609:
                     ioctl(fd, 1, &led);
                     break;
              default:
                     return -1;
       }
return 0;
}

int led_off(struct led_control_device_t *dev, int32_t led)
{
       int fd;
       LOGI("LED Stub: set %d off.", led);
       fd = dev->fd;
       switch (led) {
              case LED_C608:
                     ioctl(fd, 2, &led);
                     break;
              case LED_C609:
                     ioctl(fd, 2, &led);
                     break;
              default:
                     return -1;
       }
       return 0;
}