深入浅出 - Android系统移植与平台开发－ HAL Stub框架分析

Posted 2022-12-26 mr_raptor

1.      HAL Stub框架分析

HAL stub的框架比较简单，三个结构体、两个常量、一个函数，简称321架构，它的定义在：

@hardware/libhardware/include/hardware/hardware.h

@hardware/libhardware/hardware.c

/* 
每一个硬件都通过hw_module_t来描述，我们称之为一个硬件对象。你可以去“继承”这个hw_module_t，然后扩展自己的属性，硬件对象必须定义为一个固定的名字：HMI，即：Hardware Module Information的简写，每一个硬件对象里都封装了一个函数指针open用于打开该硬件，我们理解为硬件对象的open方法，open调用后返回这个硬件对应的Operation interface。
*/
struct hw_module_t｛
	uint32_t tag;			// 该值必须声明为HARDWARE_MODULE_TAG
	uint16_t version_major;	// 主版本号
	uint16_t version_minor; 	// 次版本号
	const char *id;			//硬件id名，唯一标识module
	const char *name;		// 硬件module名字
	const char * author;		// 作者
	struct hw_module_methods_t* methods;	//指向封装有open函数指针的结构体
	void* dso;				// module’s dso
	uint32_t reserved[32-7];	// 128字节补齐
｝;

/* 
硬件对象的open方法描述结构体，它里面只有一个元素：open函数指针
*/
struct hw_module_methods_t
	// 只封装了open函数指针
	int (*open)(const struct hw_module_t* module, const char * id,
		struct hw_device_t** device);
;

/*
硬件对象hw_module_t的open方法返回该硬件的Operation interface，它由hw_device_t结构体来描述，我们称之为：该硬件的操作接口
*/
struct hw_device_t
	uint32_t tag;				// 必须赋值为HARDWARE_DEVICE_TAG
	uint32_t version;				// 版本号
	struct hw_module_t* module;	// 该设备操作属于哪个硬件对象，可以看成硬件操作接口与硬件对象的联系
	uint32_t reserved[12];			// 字节补齐
	int (*close)(struct hw_device_t* device);	// 该设备的关闭函数指针，可以看做硬件的close方法
;

上述三个结构之间关系紧密，每个硬件对象由一个hw_module_t来描述，只要我们拿到了这个硬件对象，就可以调用它的open方法，返回这个硬件对象的硬件操作接口，然后就可以通过这些硬件操作接口来间接操作硬件了。只不过，open方法被struct hw_module_methods_t结构封装了一次，硬件操作接口被hw_device_t封装了一次而已。

那用户程序如何才能拿到硬件对象呢？

答案是通过硬件id名来拿。

我们来看下321架构里的：两个符号常量和一个函数：

// 这个就是HAL Stub对象固定的名字
#define HAL_MODULE_INFO_SYM         	HMI
// 这是字符串形式的名字
#define HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR  	"HMI"
//这个函数是通过硬件名来获得硬件HAL Stub对象
int hw_get_module(const char *id, const struct hw_module_t **module);

当用户调用hw_get_module函数时，第一个参数传硬件id名，那么这个函数会从当前系统注册的硬件对象里查找传递过来的id名对应的硬件对象，然后返回之。

从调用者的角度，我们基本上没有什么障碍了，那如何注册一个硬件对象呢？

很简单，只需要声明一个结构体即可，看下面这个Led Stub注册的例子：

const struct led_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = 
    common: 	// 初始化父结构hw_module_t成员
        tag: HARDWARE_MODULE_TAG,
	    version_major: 1,
	    version_minor: 0,
	    id: LED_HARDWARE_MODULE_ID,
	    name: "led HAL Stub",
	    author: "farsight",
	    methods: &led_module_methods,
	, 
	// 扩展属性放在这儿
;

对，就这么简单，我们只需要声明一个结构体led_moduel_t，起名叫HAL_MODULE_INFO_SYM，也就是固定的名字：HMI，然后将这个结构体填充好就行了。led_module_t又是什么结构体类型啊？前面分析hw_modult_t类型时说过，我们可以“继承”hw_module_t类型，创建自己的硬件对象，然后自己再扩展特有属性，这里的led_module_t就是“继承”的hw_module_t类型。注意，继承加上了双引号，因为在C语言里没有继承这个概念：

struct led_module_t 
	struct hw_module_t common;
;

结构体led_module_t封装了hw_module_t结构体，也就是说led_module_t这个新（子）结构体包含了旧（父）结构体，在新结构体里可以再扩展一些新的成员。结构体本身就具有封装特性，这不就是面向对象的封装和继承吗！为了显得专业点，我们用UML描述一下：

在上面的类图里，把hw_module_methods_t里封装的open函数指针指针写成open方法。

该open方法既：methods，自然也被子结构体给“继承”下来，我们将它初始化为led_module_methods的地址，该结构是hw_module_methods_t类型的，其声明代码如下：

static struct hw_module_methods_t led_module_methods = 
    open: led_device_open  
;

简洁，我喜欢！！，它里面仅有的open成员是个函数指针，它被指向led_device_open函数:

static int led_device_open(const struct hw_module_t* module, const char* name,
	struct hw_device_t** device)

	struct led_device_t *led_device;
	LOGI("%s E ", __func__);
	led_device = (struct led_device_t *)malloc(sizeof(*led_device));
	memset(led_device, 0, sizeof(*led_device)); 

	// init hw_device_t
	led_device->common.tag= HARDWARE_DEVICE_TAG;
	led_device->common.version = 0;
	led_device->common.module= module;
	led_device->common.close = led_device_close; 

	// init operation interface
	led_device->set_on= led_set_on;
	led_device->set_off= led_set_off;
	led_device->get_led_count = led_getcount;
	*device= (struct hw_device_t *)led_device;

	if((fd=open("/dev/leds",O_RDWR))==-1)
	
		LOGI("open error");
		return -1;
	else
	LOGI("open ok\\n");

	return 0;

led_device_open函数的功能：

Ø  分配硬件设备操作结构体led_device_t，该结构体描述硬件操作行为

Ø  初始化led_device_t的父结构体hw_device_t成员

Ø  初始化led_device_t中扩展的操作接口

Ø  打开设备，将led_device_t结构体以父结构体类型返回（面向对象里的多态）

hw_module_t与hw_module_methods_t及硬件open函数的关系如下：

我们来看下led_device_t和其父结构体hw_device_t的关系：

struct led_device_t 
	struct hw_device_t common;   // led_devict_t的父结构，它里面只封装了close方法
	// 下面三个函数指针是子结构led_device_t对父结构hw_device_t的扩展，可以理解为子类扩展了父类增加了三个方法
	int (*getcount_led)(struct led_device_t *dev);
	int (*set_on)(struct led_device_t *dev);
	int (*set_off)(struct led_device_t *dev);
;

用UML类图来表示：

由类图可知，led_device_t扩展了三个接口：seton()， setoff()，get_led_count()。

那么剩下的工作就是实现子结构中新扩展的三个接口了：

static int led_getcount(struct led_control_device_t*dev)

         LOGI("led_getcount");
         return 4;

 
static int led_set_on(struct led_control_device_t *dev)
   
         LOGI("led_set_on");
         ioctl(fd,GPG3DAT2_ON,NULL);
         return 0;

 
static int led_set_off(struct led_control_device_t*dev)

         LOGI("led_set_off");
         ioctl(fd,GPG3DAT2_OFF,NULL);
         return 0;

这三个接口函数直接和底层驱动打交道去控制硬件，具体驱动部分我们不去讲，那是另外一个体系了。

总结一下：

我们有一个硬件id名，通过这个id调用hw_get_module(char*id, struct hw_module_t **module),这个函数查找注册在当前系统中与id对应的硬件对象并返回之，硬件对象里有个通过hw_module_methods_t结构封装的open函数指针，回调这个open函数，它返回封装有硬件操作接口的led_device_t结构体，这样我们可以通过这个硬件接口去间接的访问硬件了。

在这个过程中hw_get_module返回的是子结构体类型led_module_t，虽然函数的第二个参数类型为hw_module_t的父类型，这里用到了面向对象里的多态的概念。

下面还有一个问题我们没有解决，为什么我们声明了一个名字为HMI结构体后，它就注册到了系统里？hw_get_module函数怎么找到并返回led_module_t描述的硬件对象的？

杀鸡取卵找HAL Stub

如果要知道为什么通过声明结构体就将HALStub注册到系统中，最好的方法是先知道怎么样通过hw_get_module_t来找到注册的硬件对象。

我们分析下hw_get_module函数的实现：

@hardware/libhardware/hardware.c

static const char *variant_keys[] = 
	“ro.hardware”,
	“ro.product.board”,
	“ro.board.platform”,
	“ro.arch”
;
// 由上面定义的字符串数组可知，HAL_VARIANT_KEYS_COUNT的值为4
struct constint HAL_VARIANT_KEYS_COUNT = (sizeof(variant_keys)/sizeof(variant_keys[0]));

int hw_get_module(const char *id, const struct hw_module_t **module)
	// 调用3个参数的hw_get_module_by_class函数
return hw_get_module_by_class(id, NULL, module);


int hw_get_module_by_class(const char *class_id, const char *inst, 
const struct hw_module_t **module)
	int status;
	int i;
	// 声明一个hw_module_t指针变量hmi
	const struct hw_module_t *hmi = NULL;
	char prop[PATH_MAX;
	char path[PATH_MAX];
	char name[PATH_MAX];
	// 由前面调用函数可知，inst ＝ NULL，执行else部分，将硬件id名拷贝到name数组里
	if(inst)
		snprintf(name, PATH_MAX, “%s.%s”, class_id, inst);
	else
		strlcpy(name, class_id, PATH_MAX);
	// i 循环5次
	for(i=0; i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1; i++)
		if(i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT)
			// 从系统属性里依次查找前面定义的4个属性的值，找其中一个后，执行后面代码，找不到，进入else部分执行
			if(property_get(variant_keys[i], prop, NULL) == 0)
				continue;
			
			// 找到一个属性值prop后，拼写path的值为：/vendor/lib/hw/硬件id名.prop.so
			snprintf(path, sizeof(path), “%s/%s.%s.so”,
				HAL_LIBRARY_PATH2, name, prop);
			if(access(path, R_OK) ==0) break;	// 如果path指向有效的库文件，退出for循环
			// 如果vendor/lib/hw目录下没有库文件，查找/system/lib/hw目录下有没有：硬件id名.prop.so的库文件
			snprintf(path, sizeof(path), “%s/%s.%s.so”,
				HAL_LIBRARY_PATH1, name, prop);
			If(access(path, R_OK) == 0) break;
		 else 
			// 如果4个系统属性都没有定义，则使用默认的库名：/system/lib/hw/硬件id名.default.so
			snprintf(path, sizeof(path), “%s/%s.default.so”,
				HAL_LIBRARY_PATH1, name);
			If(access(path, R_OK) == 0) break;
		
	
	status = -ENOENT;
	if(i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1)
		status = load(class_id, path, module);	// 难道是要加载前面查找到的so库？？
	
	return status;


static int load(const char *id, counst char *path, const struct hw_module_t **pHmi)
	void *handle;
	struct hw_module_t * hmi;
	// 通过dlopen打开so库
	handle = dlopen(path, RTLD_NOW);
	// sym的值为”HMI”，这个名字还有印象吗？
	const char * sym = HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR;
	// 通过dlsym从打开的库里查找”HMI”这个符号，如果在so代码里有定义的函数名或变量名为HMI，dlsym返回其地址hmi，将该地址转化成hw_module_t类型，即，硬件对象，这招够狠，“杀鸡取卵”
	hmi = (struct hw_module_t *)dlsym(handle, sym);	
	// 判断找到的硬件对象的id是否和要查找的id名一致，不一致出错退出
// 取了卵还要验证下是不是自己要的“卵”
	if(strcmp(id, hmi->) != 0)
		// 出错退出处理
	
	// 将库的句柄保存到hmi硬件对象的dso成员里
	hmi->dso = handle;
	// 将硬件对象地址送给load函数者，最终将硬件对象返回到了hw_get_module的调用者
	*pHmi = hmi;
	// 成功返回

通过上面代码的注释分析可知，硬件对象声明的结构体代码被编译成了so库，由于该结构体声明为const类型，被so库包含在其静态代码段里，要找到硬件对象，首先要找到其对应的so库，再通过dlopen，dlsym这种“杀鸡取卵”的方式找到硬件对象，当然这儿的：“鸡”是指：so库，“卵”既：硬件对象led_module_t结构。

在声明结构体led_module_t时，其名字统一定义为了HMI，而这么做的目的就是为了通过dlsym来查找led HAL Stub源码生成的so库里的”HMI”符号。现在很明显了，我们写的HAL Stub代码最终要编译so库文件，并且库文件名为：led.default.so（当然可以设置四个系统属性之一来指定名字为：led.属性值.so），并且库的所在目录为：/system/lib/hw/。

现在底层的实现部分基本上吃透了，现在我们把目光放到调用者上，根据本章开头介绍可知，上层调用本地代码要使用JNI技术，我们先来恶补下JNI的知识吧。