HAL探讨

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 ?(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


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　　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?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);

#p# #e#
　　
　　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,

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　　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;
　　}