Android 硬件抽象层调用流程小结

标签: Android  

Android 从 5.0 开始使用新的相机 API Camera2 来代替之前的旧版本,从而支持更多的特性。

在学习新的 API 调用之外,也还是要了解一下 Android 底层发生了哪些变化,从而能够让我们对 API 的调用流程更加的清晰,知其所以然。

由 上层应用 到 底层驱动 的 调用流程

当我们打开相机应用时,会打开摄像头,通过摄像头来采集数据,并将数据呈现在 Android 软件界面上。

这看似简单的一个流程,实际上就包含了从我们上层软件到底层硬件驱动的一系列调用流程。

简单的理解可以按照如下的流程:

http://7xqe3m.com1.z0.glb.clouddn.com/blog_hal_java_to_kernel.jpeg

图片来自于 老罗的 Android 之旅 中关于 硬件抽象层(HAL)概要介绍和学习计划

我们的调用流程:

应用程序框架层 –> 运行时库 –> 硬件抽象层 –> 硬件驱动层 。

关于硬件抽象层 HAL 是什么?

HAL 是对硬件设备的抽象和封装,它定义了一个标准接口以供硬件供应商实现,这可让 Android 忽略较低级别的驱动程序实现,为 Android 在不同硬件设备上提供统一的访问接口。

简单说来就是,我们控制硬件设备时,调用的是硬件抽象层,由硬件抽象层去调用驱动程序操控硬件设备。就好比之前学过的 OpenGL 一样, 它也是一套接口标准,具体的实现交给厂商去完成了,我们只是调用接口方法。

HAL 是以动态链接库的形式提供的。

这样的好处在于把 HAL 的具体实现交给硬件厂商去完成,同时由于开源协议的原因,硬件厂商的 HAL 实现部分不用开源出来,把厂商的核心内容,如算法等可以隐藏起来。

总结一下老罗写的 HAL 系列文章会对 HAL 有一个更深的认识:

在学习这篇博客之前,还是得有一些预备知识,不然就是一头雾水。

首先要知道,在 Linux 中所有设备都是以文件的形式存在的,不管是普通文件还是硬件设备。

了解 Linux 的驱动

Linux 内核中采用可加载的模块化设计(LKMs,Loadable Kernel Modules)。

一般情况下编译的 Linux 内核是支持可插入式模块的,也就是将最基本的核心代码编译在内核中,其他的代码可以选择是在内核中,或者编译为内核的模块文件。

在内核的配置过程中,有很多设备驱动程序和其他内核元素都被编译成了模块。

我们常见的驱动程序就是作为内核模块动态加载的,比如声卡驱动和网卡驱动等,而 Linux 最基础的驱动,如 CPU、PCI 总线 等驱动程序则编译在内核文件中。

如果一个驱动程序被直接编译到了内核中,那么即使这个驱动程序没有运行,它的代码和静态数据也会占据一部分空间。

但如果这个驱动程序被编译成一个模块,就只有在需要内存并将其加载到内核时才会真正占用内存空间。

对于 LKM 来说,可以根据硬件和连接的设备来加载对应的模块。

模块

模块是在内核空间运行的程序,实际上是一种目标对象文件(.o 文件)没有链接,不能独立运行,但是可以装载到系统中作为内核的一部分运行,从而可以扩充内核的功能,模块最主要的用处就是用来实现设备驱动程序。

Linux 下对于一个硬件的驱动,可以有两种方式:

  • 直接加载到内核代码中,启动内核时就会驱动此硬件程序
  • 以模块的方式启动,编译生成一个 .o 文件,当应用程序需要时再加载到内核空间运行。

所以我们所说的一个硬件的驱动程序,通常指的就是一个驱动模块。

设备文件

Linux 中的设备文件分为三种:

  • Block(块)型设备文件
  • Character(字符)型设备文件
  • Socket(网络)型设备文件

对于一个设备,它可以在 /dev 下面存在一个对应的逻辑设备节点,这个节点以文件的形式存在,但它不是普通意义上的文件,它是设备文件,更确切的说,它是设备节点。这个节点是通过 mknod 命令建立的,其中指定了主设备号和次设备号。

  • 主设备号表明了某一类设备,一般对应着确定的驱动程序,用于内核把文件和它的驱动链接在一起。

  • 次设备号一般是区分不同属性,例如不同的使用方法,不同的位置,不同的操作。

这个设备号是从 /proc/devices 文件中获得的,所以一般是先有驱动程序在内核中,才有设备节点在目录中。这个设备号(特指主设备号)的主要作用,就是声明设备所使用的驱动程序。驱动程序和设备号是一一对应的,当你打开一个设备文件时,操作系统就已经知道这个设备所对应的驱动程序

proc 文件系统

一种用户程序和内核通讯最简单和流行的方式是通过使用 /proc 下文件系统进行通讯。

/proc 是一个伪文件系统,从这里的文件读取的数据是由内核返回的数据,并且写入到这里面的数据将会被内核读取和处理。

使用 /proc 目录中的文件监视驱动程序的状态。访问设备文件时,操作系统通常会通过查找 /proc/devices 目录下的值,也就是根据主设备号,确定由哪些驱动模块来完成任务。如果 proc 文件系统没有加载,访问设备文件就会出现错误。

总结一下上面的大摞文字:

http://7xqe3m.com1.z0.glb.clouddn.com/blog_driver_concept.png

首先,内核加载我们的驱动程序,会生成对应的模块和主设备号。

其次,插入设备文件时,会根据文件类型分配一个对应的主设备号,标识用哪种驱动打开。

最后,打开设备文件,实质上就是通过驱动程序来打开设备文件,在 /proc/devices 中找到驱动。

有了上面的知识储备,再来了解看老罗的博客,就明白一些了。

老罗是把驱动编译成了内核模块,动态加载,并且在模块加载函数内部去执行了设备注册和初始化操作,主要有两个函数 device_createhello_create_proc

这样一来,在模块加载时,就创建了对应设备文件,打开设备文件时,也会去加载对应的驱动。

同时,还可以对设备文件执行相应的操作了,读和写变量的值,这些操作都是交给了驱动程序去完成读写的。

对于驱动程序,就先了解到这里了,有时间再去深究。

这篇文章的主要操作就是通过 C 程序的可执行文件来读写设备文件中的值。

如果执行成功了,则代表 C 可执行程序通过访问驱动程序来访问硬件寄存器的值了。

在这里就涉及到重点 硬件抽象层 HAL 了,通过设备文件来连接硬件抽象层和 Linux 内核驱动模块。

硬件抽象层有两个重要的数据结构:硬件模块结构体 hw_module_t 和 硬件接口结构体 hw_device_t

Android HAL 将各类硬件设备抽象为硬件模块,使用 hw_module_t 来描述这一模块,每个硬件抽象模块都对应一个动态链接库,这一般是由厂商提供的。

而每一类硬件抽象模块又包含多个独立的硬件设备,使用 hw_device_t 结构体描述硬件模块中的独立硬件设备。

HAL 规定每个硬件模块必须包含一个 HAL_MODULE_INFO_SYM 的结构体,这个结构体的第一个元素必须为 hw_module_t,然后后面可以增加模块相关的其他信息。其中,tag属性也必须为 HARDWARE_MODULE_TAG 常量。

对应老罗博客中的:

/*硬件模块结构体*/  
struct hello_module_t {  
    struct hw_module_t common;  
};  

HAL 规定每个硬件设备都必须定义一个硬件设备描述结构体,该结构体必须以 hw_device_t 作为第一个成员变量,后跟设备相关的公开函数和属性。

对应老罗博客中的:

/*硬件接口结构体*/  
struct hello_device_t {  
    struct hw_device_t common;  
    int fd;  
    int (*set_val)(struct hello_device_t* dev, int val);  
    int (*get_val)(struct hello_device_t* dev, int* val);  
};  

这里关于硬件模块和硬件设备有点绕,大概就是一类硬件模块包含许多硬件设备,一个硬件设备属于某一类硬件模块。

Android 对于硬件抽象层有一些规定,这里就不去深入了,包括 HAL 命名规范、如何加载 HAL 等等。

除此之外,还需要在 HAL 中定义一些需要的方法函数来执行操作。这些方法函数就类似于接口,可以供外部调用,而自己要完成其内部实现。

在老罗的博客中定义了如下的方法:

  • hello_device_open 打开设备
  • hello_device_close 关闭设备
  • hello_set_val 写入值
  • hello_get_val 读取值

其中,hello_device_open 函数中有一个 open 方法就是在执行打开文件操作,也就是打开 /dev/hello 设备文件,这就和上面用 C 程序验证测试 Linux 内核程序相同了。

而 hello_set_val 和 hello_get_val 函数就是设备的访问函数,对应于硬件接口结构体中的 *set_val*get_val 函数指针。它们的读写也是通过 hello_device_open 函数打开设备之后来执行的。

最后将硬件抽象层编译成模块,也就是一个 so 动态链接库。

这样就完成了一个简单的硬件抽象层,对外有提供函数进行方法调用,对内则和硬件驱动打交道。

接下来就是在应用层通过 JNI 方法来调用硬件抽象层的接口函数,使得上层应用访问硬件设备。

通过 JNI 方法来访问硬件抽象层,首先要去通过 Android 硬件抽象层提供的 hw_get_module 方法来加载模块 ID 为指定的 HELLO_HARDWARE_MODULE_ID 的硬件抽象层,Android 硬件抽象层会根据 ID 值在系统中找到对应的模块,然后加载起来,并返回 hw_module_t 接口给调用者使用,通过 hw_module_tcommon 变量的 methods 方法最后得到了 hello_device_t 硬件接口结构体。

有了 hello_device_t 这个变量就可以执行之前定义的相关读写操作了。

有了 JNI 方法之后,还需要提供一个独立的硬件访问服务来为应用提供服务。应用需要通过 Binder 代理来访问硬件服务。由于是跨进程通信,还是需要 AIDL 来定义接口了。

在独立进程的硬件访问服务中,还是要通过上面的 JNI 方法来访问硬件设备。

最后,我们在应用进程里面 BindService 就可以跨进程通信了,读写硬件设备中的值。

这样就实现了从应用程序到底层硬件的整个流程的调用。

复习一下整个流程:

http://7xqe3m.com1.z0.glb.clouddn.com/blog_hal_java_to_kernel.jpeg

有了老罗的分析,对于相机的上层软件到底层硬件的调用流程就不难分析了。

更复杂具体的流程可以参考如下流程:

http://7xqe3m.com1.z0.glb.clouddn.com/blog_camera_java_to_kernel.png

参考

  1. http://www.jianshu.com/p/0d155f267589
  2. https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-proc.html
  3. https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-usb/index1.html
  4. http://www.jinbuguo.com/kernel/device_files.html
  5. https://coolshell.cn/articles/566.html
  6. http://read.pudn.com/downloads119/ebook/506573/Linuxdevicedriver.pdf
  7. https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-sysfs/index.html

「真诚赞赏,手留余香」

Glumes

请我喝杯咖啡?

使用微信扫描二维码完成支付

加入知识星球,一起交流学习,答疑解惑~~~

欢迎扫描关注微信公众号:【纸上浅谈】,获得最新文章推送~~~


原创文章,转载请注明来源:    Android 硬件抽象层调用流程小结

相关文章

comments powered by Disqus