【Android】HAL分析

HAL概述

　　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。

　　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

Android架构

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

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

/hardware/msm7k

/hardware/qcom

/hardware/ti

/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。

　　总而言之是没有经过封装，上层可以直接操作硬件。

libhardware

　　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。

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[-];

 } 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: ,
         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