Android HAL(硬件抽象层)介绍以及调用

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;
}

Android HAL是如何被调用的

Android对硬件的调用，google推荐使用HAL的方式进行调用，对于Andriod HAL的写法，可以参考android源码里的hardware目录下几个模块的模版。

在看HAL的编写方法的过程中，会发现整个模块貌似没有一个入口。一般说来模块都要有个入口，比如应用程序有main函数，可以为加载器进行加载执行，dll文件有dllmain，而对于我们自己写的动态链接库，我们可以对库中导出的任何符号进行调用。

问题来了，Android中的HAL是比较具有通用性的，需要上层的函数对其进行加载调用，Android的HAL加载器是如何实现对不同的Hardware Module进行通用性的调用的呢？

带着这个疑问查看Android源码，会发现Android中实现调用HAL是通过hw_get_module实现的。

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

这是其函数原型，id会指定Hardware的id，这是一个字符串，比如sensor的id是

#define SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID "sensors"，如果找到了对应的hw_module_t结构体，会将其指针放入*module中。看看它的实现。。。。

/* Loop through the configuration variants looking for a module */

for (i=0 ; i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1 ; i++) {

if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT) {

//获取ro.hardware/ro.product.board/ro.board.platform/ro.arch等key的值。

if (property_get(variant_keys[i], prop, NULL) == 0) {

continue;

}

snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",

HAL_LIBRARY_PATH, id, prop);

//如果开发板叫做mmdroid,那么这里的path就是system/lib/hw/sensor.mmdroid.so

} else {

snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.default.so",

HAL_LIBRARY_PATH, id);//默认会加载/system/lib/hw/sensor.default.so

}

if (access(path, R_OK)) {

continue;

}

/* we found a library matching this id/variant */

break;

}

status = -ENOENT;

if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1) {

/* load the module, if this fails, we're doomed, and we should not try

* to load a different variant. */

status = load(id, path, module);//调用load函数打开动态链接库

}

获取了动态链接库的路径之后，就会调用load函数打开它，下面会打开它。

奥秘在load中

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);//打开动态库

if (handle == NULL) {

char const *err_str = dlerror();

LOGE("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;//被定义为了“HMI”

hmi = (struct hw_module_t *)dlsym(handle, sym);//查找“HMI”这个导出符号，并获取其地址

if (hmi == NULL) {

LOGE("load: couldn't find symbol %s", sym);

status = -EINVAL;

goto done;

}

/* Check that the id matches */

//找到了hw_module_t结构！！！

if (strcmp(id, hmi->id) != 0) {

LOGE("load: id=%s != hmi->id=%s", id, hmi->id);

status = -EINVAL;

goto done;

}

hmi->dso = handle;

/* success */

status = 0;

done:

if (status != 0) {

hmi = NULL;

if (handle != NULL) {

dlclose(handle);

handle = NULL;

}

} else {

LOGV("loaded HAL id=%s path=%s hmi=%p handle=%p",

id, path, *pHmi, handle);

}

//凯旋而归

*pHmi = hmi;

return status;

}

从上面的代码中，会发现一个很奇怪的宏HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR，它直接被定义为了#define HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR"HMI"，为何根据它就能从动态链接库中找到这个hw_module_t结构体呢？我们查看一下我们用到的hal对应的so就可以了，在linux中可以使用readelf XX.so –s查看。

Symbol table '.dynsym' contains 28 entries:

Num:ValueSize TypeBindVisNdx Name

0: 000000000 NOTYPELOCALDEFAULTUND

1: 000005940 SECTION LOCALDEFAULT7

2: 000011040 SECTION LOCALDEFAULT13

3: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND ioctl

4: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND strerror

5: 00000b840 NOTYPEGLOBAL DEFAULTABS __exidx_end

6: 000000000 OBJECTGLOBAL DEFAULTUND __stack_chk_guard

7: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND __aeabi_unwind_cpp_pr0

8: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND __errno

9: 000011880 NOTYPEGLOBAL DEFAULTABS _bss_end__

10: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND malloc

11: 000011880 NOTYPEGLOBAL DEFAULTABS __bss_start__

12: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND __android_log_print

13: 00000b3a0 NOTYPEGLOBAL DEFAULTABS __exidx_start

14: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND __stack_chk_fail

15: 000011880 NOTYPEGLOBAL DEFAULTABS __bss_end__

16: 000011880 NOTYPEGLOBAL DEFAULTABS __bss_start

17: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND memset

18: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND __aeabi_uidiv

19: 000011880 NOTYPEGLOBAL DEFAULTABS __end__

20: 000011880 NOTYPEGLOBAL DEFAULTABS _edata

21: 000011880 NOTYPEGLOBAL DEFAULTABS _end

22: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND open

23: 000800000 NOTYPEGLOBAL DEFAULTABS _stack

24: 00001104128 OBJECTGLOBAL DEFAULT13 HMI

25: 000011040 NOTYPEGLOBAL DEFAULT13 __data_start

26: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND close

27: 000000000 FUNCGLOBAL DEFAULTUND free

从上面中，第24个符号，名字就是“HMI”，对应于hw_module_t结构体。再去对照一下HAL的代码。

/*

* The COPYBIT Module

*/

struct copybit_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {

common: {

tag: HARDWARE_MODULE_TAG,

version_major: 1,

version_minor: 0,

id: COPYBIT_HARDWARE_MODULE_ID,

name: "QCT MSM7K COPYBIT Module",

author: "Google, Inc.",

methods: &copybit_module_methods

}

};

这里定义了一个名为HAL_MODULE_INFO_SYM的copybit_module_t的结构体，common成员为hw_module_t类型。注意这里的HAL_MODULE_INFO_SYM变量必须为这个名字，这样编译器才会将这个结构体的导出符号变为“HMI”，这样这个结构体才能被dlsym函数找到！

综上，我们知道了andriod HAL模块也有一个通用的入口地址，这个入口地址就是HAL_MODULE_INFO_SYM变量，通过它，我们可以访问到HAL模块中的所有想要外部访问到的方法。

转自：http://blog.csdn.net/k229650014/article/details/5801397