android HAL 教程（含实例）

http://www.cnblogs.com/armlinux/archive/2012/01/14/2396768.html

Android Hal 分析

                                                                                                 -------rockchip  Andy

       本文是基于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。

1.产生HAL的原因

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Apache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。也许也正是因为Android不遵从GPL，所以Greg Kroah-Hartman才在2.6.33内核将Andorid驱动从linux中删除。GPL和硬件厂商目前还是有着无法弥合的裂痕。Android想要把这个问题处理好也是不容易的。

总结下来，Android HAL存在的原因主要有：

1. 并不是所有的硬件设备都有标准的linux kernel的接口
2. KERNEL DRIVER涉及到GPL的版权。某些设备制造商并不原因公开硬件驱动，所以才去用HAL方 式绕过GPL。
3. 针对某些硬件，An有一些特殊的需求

　　现有HAL架构由Patrick Brady (Google) 在2008 Google  I/O演讲中提出的，如下图：

2.源码目录介绍

• /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。
• /hardware/ril　　　　　　　　      无线电抽象层
• 一般除了它们3个都是硬件厂商相关的hal目录。

2.1 libhardware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

overlay.h                                 overlay模块头文件

qemud.h                                 qemud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

2.2 下面几个是各个厂商平台相关的hal

/hardware/msm7k

/hardware/qcom

/hardware/ti

/device/Samsung

/device/moto

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

3.HAL层的两种架构与两种访问方式

3.1 两种架构

　　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 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。总而言之是没有经过封装，上层可以直接操作硬件。

• 现在的libhardware 架构，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 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。

　　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。

3.2 调用过程如下

　　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.

　　再具体来说：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

3.3 两种访问方式

（1）Android的app可以直接通过service调用.so格式的jni

（2）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，LegManager和LedService（java）在两个进程中，需要进程通讯。

　　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。

4.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。

　　路径为：/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[-];

 } 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为第一个成员，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: ,
         version_minor: ,
         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 = ,
         .version_minor = ,
         .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[];

     /** 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为第一个成员。

5.以lights模块为例进行分析

5.1 源文件位置：(android5.1源码)

• /frameworks/base/services/core/java/com/android/server/lights/
• /frameworks/base/services/core/jni/com_android_server_lights_LightsService.cpp
• /hardware/libhardware/include/hardware/lights.h

5.2 访问设备大概流程

　　app--->frameworks--->hardware--->kernel驱动

　　frameworks通过jni调用hw_get_module()获得HAL对应的模块，它的声明如下：

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

在lights.h中定义有lights模块的ID.

#define LIGHTS_HARDWARE_MODULE_ID "lights"

在5.1源码frameworks/base/services/core/jni/com_android_server_LightsService.cpp的init_native方法中调用hw_ge_module()，代码如下：

 static jint init_native(JNIEnv *env, jobject clazz)
 {
     int err;
     hw_module_t* module;
     Devices* devices;
     devices = (Devices*)malloc(sizeof(Devices));
     err = hw_get_module(LIGHTS_HARDWARE_MODULE_ID, (hw_module_t const**)&module);
     if (err == ) {
         devices->lights[LIGHT_INDEX_BACKLIGHT]
                 = get_device(module, LIGHT_ID_BACKLIGHT);
     //………………………………………….
 }

　　hw_get_module函数在hardware.c中实现：

 int hw_get_module(const char *id, const struct hw_module_t **module)
 {
     return hw_get_module_by_class(id, NULL, module);
 }

　　再看hw_get_module_by_class时如何实现的：

　　首先在hardware.c的开始有如下定义和注释：

 /** Base path of the hal modules */
 #define HAL_LIBRARY_PATH1 "/system/lib/hw"
 #define HAL_LIBRARY_PATH2 "/vendor/lib/hw"

 /**
  * 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"
 };

 static const int HAL_VARIANT_KEYS_COUNT =
     (sizeof(variant_keys)/sizeof(variant_keys[]));

 int hw_get_module_by_class(const char *class_id, const char *inst,
                            const struct hw_module_t **module)

 {
     int status;
     int i;
     const struct hw_module_t *hmi = NULL;
     char prop[PATH_MAX];
     char path[PATH_MAX];
     char name[PATH_MAX];

     if (inst)
         snprintf(name, PATH_MAX, "%s.%s", class_id, inst);
     else
         strlcpy(name, class_id, PATH_MAX);

     /*
      * Here we rely on the fact that calling dlopen multiple times on
      * the same .so will simply increment a refcount (and not load
      * a new copy of the library).
      * We also assume that dlopen() is thread-safe.
      */

     /* Loop through the configuration variants looking for a module */
     for (i =  ; i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT + 1 ; i++) {
         if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT) {
             if (property_get(variant_keys[i], prop, NULL) == ) {
                 continue;
             }
             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",
                      HAL_LIBRARY_PATH2, name, prop);
             if (access(path, R_OK) == ) break;

             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",
                      HAL_LIBRARY_PATH1, name, prop);
             if (access(path, R_OK) == ) break;
         } else {
             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.default.so",
                      HAL_LIBRARY_PATH1, name);
             if (access(path, R_OK) == ) break;
         }
     }
     status = -ENOENT;
     if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT + ) {
         /* load the module, if this fails, we're doomed, and we should not try
          * to load a different variant. */
         status = load(class_id, path, module);
     }
     return status;

 }

　　可以看到，在hw_get_module_by_class函数中：

• 先通过property_get获得varient_key中定义的系统属性，
• 如果系统中有定义该属性，就会获得一个模块名.属性名组成的一个so的名称，
• 然后去/system/lib/hw、/vendor/lib/hw下查看，该so是否存在，如果存在，调用load函数，打开.so.

　　例如在rockchip的rk29平台上，有定义ro.product.board = rk29sdk，在这里会得到lights.rk29sdk.so。

　　再看load函数的实现：

 /**
  * Load the file defined by the variant and if successful
  * return the dlopen handle and the hmi.
  * @return 0 = success, !0 = failure.
  */
 static int load(const char *id,
         const char *path,
         const struct hw_module_t **pHmi)
 {
     int status;
     void *handle;
     struct hw_module_t *hmi;

     /*
      * load the symbols resolving undefined symbols before
      * dlopen returns. Since RTLD_GLOBAL is not or'd in with
      * RTLD_NOW the external symbols will not be global
      */
     handle = dlopen(path, RTLD_NOW);
     if (handle == NULL) {
         char const *err_str = dlerror();
         ALOGE("load: module=%s\n%s", path, err_str?err_str:"unknown");
         status = -EINVAL;
         goto done;
     }
     /* Get the address of the struct hal_module_info. */
     const char *sym = HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR;
     hmi = (struct hw_module_t *)dlsym(handle, sym);
     if (hmi == NULL) {
         ALOGE("load: couldn't find symbol %s", sym);
         status = -EINVAL;
         goto done;
     }

     /* Check that the id matches */
     if (strcmp(id, hmi->id) != ) {
         ALOGE("load: id=%s != hmi->id=%s", id, hmi->id);
         status = -EINVAL;
         goto done;
     }
     hmi->dso = handle;
     /* success */
     status = ;
     done:
     if (status != ) {
         hmi = NULL;
         if (handle != NULL) {
             dlclose(handle);
             handle = NULL;
         }
     } else {
         ALOGV("loaded HAL id=%s path=%s hmi=%p handle=%p",
                 id, path, *pHmi, handle);
     }
     *pHmi = hmi;
     return status;
 }

　　在这里会打开对应了so，比如lights.rk29sdk.so,然后获得这个模块中定义的hw_module_t的地址。后面JNI就能通过这个接口和hal层进行沟通了。

6.HAL与frameworks关联代码如下

 public class LightsService extends SystemService {
     //...
     private void setLightLocked(int color, int mode, int onMS, int offMS, int brightnessMode) {
         if (color != mColor || mode != mMode || onMS != mOnMS || offMS != mOffMS) {
             if (DEBUG) Slog.v(TAG, "setLight #" + mId + ": color=#"
                     + Integer.toHexString(color));
             mColor = color;
             mMode = mode;
             mOnMS = onMS;
             mOffMS = offMS;
             Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_POWER, "setLight(" + mId + ", " + color + ")");
             try {
                 setLight_native(mNativePointer, mId, color, mode, onMS, offMS, brightnessMode);
             } finally {
                 Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_POWER);
             }
         }
     }
     public LightsService(Context context) {
         super(context);

         mNativePointer = init_native();
         //...
     }
     private static native long init_native();//这里调用HAL层的hw_get_module
     private static native void finalize_native(long ptr);

     static native void setLight_native(long ptr, int light, int color, int mode,
             int onMS, int offMS, int brightnessMode);//访问硬件

     private long mNativePointer;//保存hal返回的句柄
 }