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Android架构分析之硬件抽象层(HAL)

2016-04-01 10:34 573 查看
 

一、硬件抽象层核心数据结构

Android硬件抽象层有三个核心数据结构,分别是hw_module_t , hw_module_methods_t, hw_device_t。定义在hardware/libhardware/include/hardware/hardware.h文件中:

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 40/** 

 41 * Every hardware module must have a data structure named HAL_MODULE_INFO_SYM 

 42 * and the fields of this data structure must begin with hw_module_t 

 43 * followed by module specific information. 

 44 */  

 45typedef struct hw_module_t {  

 46    /** tag must be initialized to HARDWARE_MODULE_TAG */  

 47    uint32_t tag;  

 48  

 49    /** major version number for the module */  

 50    uint16_t version_major;  

 51  

 52    /** minor version number of the module */  

 53    uint16_t version_minor;  

 54  

 55    /** Identifier of module */  

 56    const char *id;  

 57  

 58    /** Name of this module */  

 59    const char *name;  

 60  

 61    /** Author/owner/implementor of the module */  

 62    const char *author;  

 63  

 64    /** Modules methods */  

 65    struct hw_module_methods_t* methods;  

 66  

 67    /** module's dso */  

 68    void* dso;  

 69  

 70    /** padding to 128 bytes, reserved for future use */  

 71    uint32_t reserved[32-7];  

 72  

 73} hw_module_t;  

 74  

 75typedef struct hw_module_methods_t {  

 76    /** Open a specific device */  

 77    int (*open)(const struct hw_module_t* module, const char* id,  

 78            struct hw_device_t** device);  

 79  

 80} hw_module_methods_t;  

 81  

 82/** 

 83 * Every device data structure must begin with hw_device_t 

 84 * followed by module specific public methods and attributes. 

 85 */  

 86typedef struct hw_device_t {  

 87    /** tag must be initialized to HARDWARE_DEVICE_TAG */  

 88    uint32_t tag;  

 89  

 90    /** version number for hw_device_t */  

 91    uint32_t version;  

 92  

 93    /** reference to the module this device belongs to */  

 94    struct hw_module_t* module;  

 95  

 96    /** padding reserved for future use */  

 97    uint32_t reserved[12];  

 98  

 99    /** Close this device */  

100    int (*close)(struct hw_device_t* device);  

101  

102} hw_device_t;  

40-44行,注意这段说明文字,硬件抽象层HAL由一个一个的模块组成,Android规定,每一个模块都是一个命名为HAL_MODULE_INFO_SYM的自定义结构体,并且该结构体的第一个成员必须为hw_module_t类型的变量,其它成员变量根据需要由开发者设置。

82-85行,注意这段说明文字,每个设备对应一个自定义结构体,该结构体的第一个成员必须为hw_device_t,其它成员根据需要由开发者设置。

例如,sensor模块对应的结构体定义在hardware/libhardware/include/hardware/sensors.h文件中:

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344/** 

345 * Every hardware module must have a data structure named HAL_MODULE_INFO_SYM 

346 * and the fields of this data structure must begin with hw_module_t 

347 * followed by module specific information. 

348 */  

349struct sensors_module_t {  

350    struct hw_module_t common;  

351  

352    /** 

353     * Enumerate all available sensors. The list is returned in "list". 

354     * @return number of sensors in the list 

355     */  

356    int (*get_sensors_list)(struct sensors_module_t* module,  

357            struct sensor_t const** list);  

358};  

sensor设备对应的结构体如下:  

392/** 

393 * Every device data structure must begin with hw_device_t 

394 * followed by module specific public methods and attributes. 

395 */  

396struct sensors_poll_device_t {  

397    struct hw_device_t common;  

398  

399    /** Activate/deactivate one sensor. 

400     * 

401     * @param handle is the handle of the sensor to change. 

402     * @param enabled set to 1 to enable, or 0 to disable the sensor. 

403     * 

404     * @return 0 on success, negative errno code otherwise 

405     */  

406    int (*activate)(struct sensors_poll_device_t *dev,  

407            int handle, int enabled);  

408  

409    /** 

410     * Set the delay between sensor events in nanoseconds for a given sensor. 

411     * It is an error to set a delay inferior to the value defined by 

412     * sensor_t::minDelay. If sensor_t::minDelay is zero, setDelay() is 

413     * ignored and returns 0. 

414     * 

415     * @return 0 if successful, < 0 on error 

416     */  

417    int (*setDelay)(struct sensors_poll_device_t *dev,  

418            int handle, int64_t ns);  

419  

420    /** 

421     * Returns an array of sensor data. 

422     * This function must block until events are available. 

423     * 

424     * @return the number of events read on success, or -errno in case of an error. 

425     * This function should never return 0 (no event). 

426     * 

427     */  

428    int (*poll)(struct sensors_poll_device_t *dev,  

429            sensors_event_t* data, int count);  

430};  

对于三星公司的crespo(Nexus S的开发代号),其sensor模块的真正实现代码定义在device/samsung/crespo/libsensors/sensors.cpp文件中:

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108static struct hw_module_methods_t sensors_module_methods = {  

109        open: open_sensors  

110};  

111  

112struct sensors_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {  

113        common: {  

114                tag: HARDWARE_MODULE_TAG,  

115                version_major: 1,  

116                version_minor: 0,  

117                id: SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID,  

118                name: "Samsung Sensor module",  

119                author: "Samsung Electronic Company",  

120                methods: &sensors_module_methods,  

121        },  

122        get_sensors_list: sensors__get_sensors_list,  

123};  

而在open_sensors函数中,对相应设备对应的sensors_poll_device_t结构进行了赋值:

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305/** Open a new instance of a sensor device using name */  

306static int open_sensors(const struct hw_module_t* module, const char* id,  

307                        struct hw_device_t** device)  

308{  

309        int status = -EINVAL;  

310        sensors_poll_context_t *dev = new sensors_poll_context_t();  

311  

312        memset(&dev->device, 0, sizeof(sensors_poll_device_t));  

313  

314        dev->device.common.tag = HARDWARE_DEVICE_TAG;  

315        dev->device.common.version  = 0;  

316        dev->device.common.module   = const_cast<hw_module_t*>(module);  

317        dev->device.common.close    = poll__close;  

318        dev->device.activate        = poll__activate;  

319        dev->device.setDelay        = poll__setDelay;  

320        dev->device.poll            = poll__poll;  

321  

322        *device = &dev->device.common;  

323        status = 0;  

324  

325        return status;  

326}  

poll__close、poll__activate、poll__setDelay、poll__poll等函数也是在该文件中实现。

 

二、Android如何使用硬件抽象层

硬件抽象层的作用是对上层Application Framework屏蔽Linux底层驱动程序,那么Application Framework与硬件抽象层通信的接口是谁呢?答案是hw_get_module函数,该函数定义在hardware/libhardware/hardware.c文件中:

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120int hw_get_module(const char *id, const struct hw_module_t **module)  

121{  

122    int status;  

123    int i;  

124    const struct hw_module_t *hmi = NULL;  

125    char prop[PATH_MAX];  

126    char path[PATH_MAX];  

127  

128    /* 

129     * Here we rely on the fact that calling dlopen multiple times on 

130     * the same .so will simply increment a refcount (and not load 

131     * a new copy of the library). 

132     * We also assume that dlopen() is thread-safe. 

133     */  

134  

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

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

137        if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT) {  

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

139                continue;  

140            }  

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

142                    HAL_LIBRARY_PATH1, id, prop);  

143            if (access(path, R_OK) == 0) break;  

144  

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

146                     HAL_LIBRARY_PATH2, id, prop);  

147            if (access(path, R_OK) == 0) break;  

148        } else {  

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

150                     HAL_LIBRARY_PATH1, id);  

151            if (access(path, R_OK) == 0) break;  

152        }  

153    }  

154  

155    status = -ENOENT;  

156    if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1) {  

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

158         * to load a different variant. */  

159        status = load(id, path, module);  

160    }  

161  

162    return status;  

163}  

hw_get_module函数的作用是由第一个参数id指定的模块ID,找到模块对应的hw_module_t结构体,保存在第二个参数module中。

136-153行,这个for循环是为了获取模块名及路径,保存在path中。循环次数为HAL_VARIANT_KEYS_COUNT次,HAL_VARIANT_KEYS_COUNT是下面要用到的variant_keys数组的数组元素个数。

为了说明这个for循环是如何获得模块名及其路径,我们要先来看一下variant_keys数组的定义,这个数组也是定义在hardware/libhardware/hardware.c文件中:

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34/** 

35 * There are a set of variant filename for modules. The form of the filename 

36 * is "<MODULE_ID>.variant.so" so for the led module the Dream variants 

37 * of base "ro.product.board", "ro.board.platform" and "ro.arch" would be: 

38 * 

39 * led.trout.so 

40 * led.msm7k.so 

41 * led.ARMV6.so 

42 * led.default.so 

43 */  

44  

45static const char *variant_keys[] = {  

46    "ro.hardware",  /* This goes first so that it can pick up a different 

47                       file on the emulator. */  

48    "ro.product.board",  

49    "ro.board.platform",  

50    "ro.arch"  

51};  

52  

53static const int HAL_VARIANT_KEYS_COUNT =  

54    (sizeof(variant_keys)/sizeof(variant_keys[0]));  

34-43行,这段注释说明了模块对应的动态库的命名规范。模块对应的动态库文件名格式为<MODULE_ID>.variant.so,MODULE_ID是模块对应的ID,不同模块对应一个唯一固定的ID,那么variant是什么呢?又怎么获得variant呢?这就跟下面的variant_keys数组有关了。

45-51行,定义了variant_keys数组,这个数组有4个成员,即指向“ro.hardware”、“ ro.product.board”、“ ro.board.platform”、“ ro.arch”四个字符串的指针。我们可以将“ro.hardware”、“ ro.product.board”、“ ro.board.platform”、“ ro.arch”理解为属性,系统会通过适当的方法,根据平台、架构等给这些属性赋值。

例如,“ro.hardware”属性的属性值是在系统启动时由init进程负责设置的。它首先会读取/proc/cmdline文件,检查里面有没有一个名为androidboot.hardware的属性,如果有,就把它的值赋值给“ro.hardware”,否则,就将/proc/cpuinfo文件的内容读取出来,并解析出Haredware字段的内容赋值给“ro.hardware”。例如在Android模拟器中,从/proc/cpuinfo文件中读取出来的Hardware字段内容为goldfish,于是,init进程就会将
“ro.hardware” 属性设置为goldfish。

“ ro.product.board”、“ ro.board.platform”、“ ro.arch”属性是从/system/build.prop文件读取出来的。/system/build.prop文件是由编译系统中的编译脚本build/core/Makefile和shell脚本build/tools/buildinfo.sh生成的,这里不再详细分析。

53-54行,定义了HAL_VARIANT_KEYS_COUNT变量,它是variant_keys数组的大小。

从上面我们已经知道了variant_keys数组的内容,也知道了模块对应的动态库的命名规范。现在我们的问题是模块动态库命名规范格式<MODULE_ID>.variant.so中的variant是怎样获得的?又跟variant_keys数组有什么关系?为了回答这个问题,我们再回到hw_get_module函数的定义。

hw_get_module函数第138行,调用property_get(variant_keys[i], prop, NULL)函数,其作用是取得variant_keys[i]对应的属性值,保存在prop中。也就是说,在第1次循环时,是取得variant_keys[0]即“ro.hardware”对应的属性值,保存在prop中,如果没有取得到,property_get函数会返回0,则进入下一次循环,依次尝试取得“ ro.product.board”、“ ro.board.platform”、“ ro.arch”对应的属性值,保存在prop中。如果取得了某个variant_keys[i]对应的属性值,则在hw_get_module函数第141-142行,按<MODULE_ID>.variant.so规范,得到模块动态库的名字及路径,其中variant就是我们前面得到的prop的值。

hw_get_module函数第148-153行,如果没有找到variant_keys[i]对应的属性,则使用<MODULE_ID>.default.so。

hw_get_module函数第156-160行,调用load(id, path, module)导入模块动态库,将模块对应的hw_module_t结构体,保存在module变量中。load函数也定义在hardware/libhardware/hardware.c文件中:

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 56/** 

 57 * Load the file defined by the variant and if successful 

 58 * return the dlopen handle and the hmi. 

 59 * @return 0 = success, !0 = failure. 

 60 */  

 61static int load(const char *id,  

 62        const char *path,  

 63        const struct hw_module_t **pHmi)  

 64{  

 65    int status;  

 66    void *handle;  

 67    struct hw_module_t *hmi;  

 68  

 69    /* 

 70     * load the symbols resolving undefined symbols before 

 71     * dlopen returns. Since RTLD_GLOBAL is not or'd in with 

 72     * RTLD_NOW the external symbols will not be global 

 73     */  

 74    handle = dlopen(path, RTLD_NOW);  

 75    if (handle == NULL) {  

 76        char const *err_str = dlerror();  

 77        LOGE("load: module=%s\n%s", path, err_str?err_str:"unknown");  

 78        status = -EINVAL;  

 79        goto done;  

 80    }  

 81  

 82    /* Get the address of the struct hal_module_info. */  

 83    const char *sym = HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR;  

 84    hmi = (struct hw_module_t *)dlsym(handle, sym);  

 85    if (hmi == NULL) {  

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

 87        status = -EINVAL;  

 88        goto done;  

 89    }  

 90  

 91    /* Check that the id matches */  

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

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

 94        status = -EINVAL;  

 95        goto done;  

 96    }  

 97  

 98    hmi->dso = handle;  

 99  

100    /* success */  

101    status = 0;  

102  

103    done:  

104    if (status != 0) {  

105        hmi = NULL;  

106        if (handle != NULL) {  

107            dlclose(handle);  

108            handle = NULL;  

109        }  

110    } else {  

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

112                id, path, *pHmi, handle);  

113    }  

114  

115    *pHmi = hmi;  

116  

117    return status;  

118}  

第74行,调用dlopen(path, RTLD_NOW)导入path指定的模块动态库。

第83-84行,通过dlsym函数取得HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR指定的变量的地址,这个地址就是模块对应的自定义结构体地址。

第115行,将hw_module_t结构赋值给传递进来的参数pHmi,即返回给上层调用函数。

分析到这里,我们可以看出,通过hw_get_module函数,Application Framework代码可以通过指定的模块ID找到模块hw_module_t结构体。有了hw_module_t结构体,就可以调用hw_module_t-> methods->open函数,在open函数中,完成对设备对应的hw_device_t结构体的初始化,并指定设备相关的自定义函数。
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