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标题: ANDROID4.0音频系统HAL初探 [打印本页]
作者: jjj    时间: 2011-11-24 22:30
标题: ANDROID4.0音频系统HAL初探
一、代码模块位置1、AudioFlinger
  1. frameworks/base/services/audioflinger/
  2. +-- Android.mk
  3. +-- AudioBufferProvider.h
  4. +-- AudioFlinger.cpp
  5. +-- AudioFlinger.h
  6. +-- AudioMixer.cpp
  7. +-- AudioMixer.h
  8. +-- AudioPolicyService.cpp
  9. +-- AudioPolicyService.h
  10. +-- AudioResampler.cpp
  11. +-- AudioResamplerCubic.cpp
  12. +-- AudioResamplerCubic.h
  13. +-- AudioResampler.h
  14. +-- AudioResamplerSinc.cpp
  15. +-- AudioResamplerSinc.h
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AudioFlinger相关代码，好像这部分与2.3相差不大，至少接口是兼容的。值得注意的是：2.3位于这里的还有AudioHardwareGeneric、AudioHardwareInterface、A2dpAudioInterface等一系列接口代码，现在都移除了。实际上，这些接口变更为legacy（有另外更好的实现方式，但也兼容之前的方法），取而代之的是要实现hardware/libhardware/include/hardware/audio.h提供的接口，这是一个较大的变化。

两种Audio Hardware HAL接口定义：
1/ legacy：hardware/libhardware_legacy/include/hardware_legacy/AudioHardwareInterface.h
2/ 非legacy：hardware/libhardware/include/hardware/audio.h


2、audio_hw
  1. hardware/libhardware_legacy/audio/
  2. +-- A2dpAudioInterface.cpp
  3. +-- A2dpAudioInterface.h
  4. +-- Android.mk
  5. +-- AudioDumpInterface.cpp
  6. +-- AudioDumpInterface.h
  7. +-- AudioHardwareGeneric.cpp
  8. +-- AudioHardwareGeneric.h
  9. +-- AudioHardwareInterface.cpp
  10. +-- AudioHardwareStub.cpp
  11. +-- AudioHardwareStub.h
  12. +-- audio_hw_hal.cpp
  13. +-- AudioPolicyCompatClient.cpp
  14. +-- AudioPolicyCompatClient.h
  15. +-- audio_policy_hal.cpp
  16. +-- AudioPolicyManagerBase.cpp
  17. +-- AudioPolicyManagerDefault.cpp
  18. +-- AudioPolicyManagerDefault.h
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上面提及的AudioHardwareGeneric、AudioHardwareInterface、A2dpAudioInterface等都放到libhardware_legacy里。
事实上legacy也要封装成非legacy中的audio.h，确切的说需要一个联系legacy interface和not legacy interface的中间层，这里的audio_hw_hal.cpp就充当这样的一个角色了。因此，我们其实也可以把2.3之前的alsa_sound这一套东西也搬过来。
  1. hardware/libhardware/modules/audio/
  2. +-- Android.mk
  3. +-- audio_hw.c
  4. +-- audio_policy.c
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这是一个stub（类似于2.3中的AudioHardwareStub），大多数函数只是简单的返回一个值，并没有实际操作，只是保证Android能得到一个audio hardware hal实例，从而启动运行，当然声音没有输出到外设的。在底层音频驱动或audio hardware hal还没有实现好的情况下，可以使用这个stub device，先让Android跑起来。

  1. device/samsung/tuna/audio/
  2. +-- Android.mk
  3. +-- audio_hw.c
  4. +-- ril_interface.c
  5. +-- ril_interface.h
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这是Samsung Tuna的音频设备抽象层，很有参考价值，计划以后就在它的基础上进行移植。它调用tinyalsa的接口，可见这个方案的底层音频驱动是alsa。
3、tinyalsa
  1. external/tinyalsa/
  2. +-- Android.mk
  3. +-- include
  4. |   +-- tinyalsa
  5. |       +-- asoundlib.h
  6. +-- mixer.c      ##类alsa-lib的control，作用音频部件开关、音量调节等
  7. +-- pcm.c        ##类alsa-lib的pcm，作用音频pcm数据回放录制
  8. +-- README
  9. +-- tinycap.c    ##类alsa_arecord
  10. +-- tinymix.c    ##类alsa_amixer
  11. +-- tinyplay.c   ##类alsa_aplay
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在2.3时代，Android还隐晦把它放在android2.3.1-gingerbread/device/samsung/crespo/libaudio，现在终于把alsa-lib一脚踢开，小三变正室了，正名tinyalsa。
这其实是历史的必然了，alsa-lib太过复杂繁琐了，我看得也很不爽；更重要的商业上面的考虑，必须移除被GNU GPL授权证所约束的部份，alsa-lib并不是个例。

注意：上面的hardware/libhardware_legacy/audio/、hardware/libhardware/modules/audio/、device/samsung/tuna/audio/是同层的。之一是legacy audio，用于兼容2.2时代的alsa_sound；之二是stub audio接口；之三是Samsung Tuna的音频抽象层实现。调用层次：AudioFlinger -> audio_hw -> tinyalsa。

二、Audio Hardware HAL加载
1、AudioFlinger
  1. //加载audio hardware hal
  2. static int load_audio_interface(const char *if_name, const hw_module_t **mod,
  3.                                 audio_hw_device_t **dev)
  4. {
  5.     int rc;
  6.    
  7.     //根据classid和if_name找到指定的动态库并加载，这里加载的是音频动态库，如libaudio.primary.tuna.so
  8.     rc = hw_get_module_by_class(AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID, if_name, mod);
  9.     if (rc)
  10.         goto out;

  12.     //加载好的动态库模块必有个open方法，调用open方法打开音频设备模块
  13.     rc = audio_hw_device_open(*mod, dev);
  14.     LOGE_IF(rc, "couldn't open audio hw device in %s.%s (%s)",
  15.             AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID, if_name, strerror(-rc));
  16.     if (rc)
  17.         goto out;

  19.     return 0;

  21. out:
  22.     *mod = NULL;
  23.     *dev = NULL;
  24.     return rc;
  25. }

  27. //音频设备接口，hw_get_module_by_class需要根据这些字符串找到相关的音频模块库
  28. static const char *audio_interfaces[] = {
  29.     "primary", //主音频设备，一般为本机codec
  30.     "a2dp",    //a2dp设备，蓝牙高保真音频
  31.     "usb",     //usb-audio设备，这个东东我2.3就考虑要实现了，现在终于支持了
  32. };
  33. #define ARRAY_SIZE(x) (sizeof((x))/sizeof(((x)[0])))

  35. // ----------------------------------------------------------------------------

  37. AudioFlinger::AudioFlinger()
  38.     : BnAudioFlinger(),
  39.         mPrimaryHardwareDev(0), mMasterVolume(1.0f), mMasterMute(false), mNextUniqueId(1),
  40.         mBtNrecIsOff(false)
  41. {
  42. }

  44. void AudioFlinger::onFirstRef()
  45. {
  46.     int rc = 0;

  48.     Mutex::Autolock _l(mLock);

  50.     /* TODO: move all this work into an Init() function */
  51.     mHardwareStatus = AUDIO_HW_IDLE;

  53.     //打开audio_interfaces数组定义的所有音频设备
  54.     for (size_t i = 0; i < ARRAY_SIZE(audio_interfaces); i++) {
  55.         const hw_module_t *mod;
  56.         audio_hw_device_t *dev;

  58.         rc = load_audio_interface(audio_interfaces[i], &mod, &dev);
  59.         if (rc)
  60.             continue;

  62.         LOGI("Loaded %s audio interface from %s (%s)", audio_interfaces[i],
  63.              mod->name, mod->id);
  64.         mAudioHwDevs.push(dev); //mAudioHwDevs是一个Vector，存储已打开的audio hw devices

  66.         if (!mPrimaryHardwareDev) {
  67.             mPrimaryHardwareDev = dev;
  68.             LOGI("Using '%s' (%s.%s) as the primary audio interface",
  69.                  mod->name, mod->id, audio_interfaces[i]);
  70.         }
  71.     }

  73.     mHardwareStatus = AUDIO_HW_INIT;

  75.     if (!mPrimaryHardwareDev || mAudioHwDevs.size() == 0) {
  76.         LOGE("Primary audio interface not found");
  77.         return;
  78.     }

  80.     //对audio hw devices进行一些初始化，如mode、master volume的设置
  81.     for (size_t i = 0; i < mAudioHwDevs.size(); i++) {
  82.         audio_hw_device_t *dev = mAudioHwDevs[i];

  84.         mHardwareStatus = AUDIO_HW_INIT;
  85.         rc = dev->init_check(dev);
  86.         if (rc == 0) {
  87.             AutoMutex lock(mHardwareLock);

  89.             mMode = AUDIO_MODE_NORMAL;
  90.             mHardwareStatus = AUDIO_HW_SET_MODE;
  91.             dev->set_mode(dev, mMode);
  92.             mHardwareStatus = AUDIO_HW_SET_MASTER_VOLUME;
  93.             dev->set_master_volume(dev, 1.0f);
  94.             mHardwareStatus = AUDIO_HW_IDLE;
  95.         }
  96.     }
  97. }
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以上对AudioFlinger进行的分析，主要是通过hw_get_module_by_class()找到模块接口名字if_name相匹配的模块库，加载，然后audio_hw_device_open()调用模块的open方法，完成音频设备模块的初始化。


留意AudioFlinger的构造函数只有简单的私有变量的初始化操作了，把音频设备初始化放到onFirstRef()，Android终于改进了这一点，好的设计根本不应该把可能会失败的操作放到构造函数中。onFirstRef是RefBase类的一个虚函数，在构造sp的时候就会被调用。因此，在构造sp<AudioFlinger>的时候就会触发onFirstRef方法，从而完成音频设备模块初始化。


2、hw_get_module_by_class

我们接下来看看hw_get_module_by_class，实现在hardware/libhardware/ hardware.c中，它作用加载指定名字的模块库（.so文件），这个应该是用于加载所有硬件设备相关的库文件，并不只是音频设备。
  1. int hw_get_module_by_class(const char *class_id, const char *inst,
  2.                            const struct hw_module_t **module)
  3. {
  4.     int status;
  5.     int i;
  6.     const struct hw_module_t *hmi = NULL;
  7.     char prop[PATH_MAX];
  8.     char path[PATH_MAX];
  9.     char name[PATH_MAX];

  11.     if (inst)
  12.         snprintf(name, PATH_MAX, "%s.%s", class_id, inst);
  13.     else
  14.         strlcpy(name, class_id, PATH_MAX);
  15.         
  16.     //这里我们以音频库为例，AudioFlinger调用到这个函数时，
  17.     //class_id=AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID="audio"，inst="primary"(或"a2dp"或"usb")
  18.     //那么此时name="audio.primary"

  20.     /*
  21.      * Here we rely on the fact that calling dlopen multiple times on
  22.      * the same .so will simply increment a refcount (and not load
  23.      * a new copy of the library).
  24.      * We also assume that dlopen() is thread-safe.
  25.      */

  27.     /* Loop through the configuration variants looking for a module */
  28.     for (i=0 ; i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1 ; i++) {
  29.         if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT) {
  30.                   //通过property_get找到厂家标记如"ro.product.board=tuna"，这时prop="tuna"
  31.             if (property_get(variant_keys[i], prop, NULL) == 0) {
  32.                 continue;
  33.             }
  34.             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",
  35.                      HAL_LIBRARY_PATH2, name, prop); //#define HAL_LIBRARY_PATH2 "/vendor/lib/hw"
  36.             if (access(path, R_OK) == 0) break;

  38.             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so",
  39.                      HAL_LIBRARY_PATH1, name, prop); //#define HAL_LIBRARY_PATH1 "/system/lib/hw"
  40.             if (access(path, R_OK) == 0) break;
  41.         } else {
  42.             snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.default.so", //如没有指定的库文件，则加载default.so，即stub-device
  43.                      HAL_LIBRARY_PATH1, name);
  44.             if (access(path, R_OK) == 0) break;
  45.         }
  46.     }
  47.     //到这里，完成一个模块库的完整路径名称，如path="/system/lib/hw/audio.primary.tuna.so"
  48.     //如何生成audio.primary.tuna.so？请看相关的Android.mk文件，其中有定义LOCAL_MODULE := audio.primary.tuna

  50.     status = -ENOENT;
  51.     if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1) {
  52.         /* load the module, if this fails, we're doomed, and we should not try
  53.          * to load a different variant. */
  54.         status = load(class_id, path, module); //加载模块库
  55.     }

  57.     return status;
  58. }
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load()函数不详细分析了，它通过dlopen加载库文件，然后dlsym找到hal_module_info的首地址。我们先看看hal_module_info的定义：
  1. /**
  2. * Every hardware module must have a data structure named HAL_MODULE_INFO_SYM
  3. * and the fields of this data structure must begin with hw_module_t
  4. * followed by module specific information.
  5. */
  6. typedef struct hw_module_t {
  7.     /** tag must be initialized to HARDWARE_MODULE_TAG */
  8.     uint32_t tag;

  10.     /** major version number for the module */
  11.     uint16_t version_major;

  13.     /** minor version number of the module */
  14.     uint16_t version_minor;

  16.     /** Identifier of module */
  17.     const char *id;

  19.     /** Name of this module */
  20.     const char *name;

  22.     /** Author/owner/implementor of the module */
  23.     const char *author;

  25.     /** Modules methods */
  26.     struct hw_module_methods_t* methods;

  28.     /** module's dso */
  29.     void* dso;

  31.     /** padding to 128 bytes, reserved for future use */
  32.     uint32_t reserved[32-7];

  34. } hw_module_t;

  36. typedef struct hw_module_methods_t {
  37.     /** Open a specific device */
  38.     int (*open)(const struct hw_module_t* module, const char* id,
  39.             struct hw_device_t** device);

  41. } hw_module_methods_t;
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这个结构体很重要，注释很详细。dlsym拿到这个结构体的首地址后，就可以调用Modules methods进行设备模块的初始化了。设备模块中，都应该按照这个格式初始化好这个结构体，否则dlsym找不到它，也就无法调用Modules methods进行初始化了。

例如，在audio_hw.c中，它是这样定义的：
  1. static struct hw_module_methods_t hal_module_methods = {
  2.     .open = adev_open,
  3. };

  5. struct audio_module HAL_MODULE_INFO_SYM = {
  6.     .common = {
  7.         .tag = HARDWARE_MODULE_TAG,
  8.         .version_major = 1,
  9.         .version_minor = 0,
  10.         .id = AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID,
  11.         .name = "Tuna audio HW HAL",
  12.         .author = "The Android Open Source Project",
  13.         .methods = &hal_module_methods,
  14.     },
  15. };
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3、audio_hw
好了，经过一番周折，又dlopen又dlsym的，终于进入我们的audio_hw。这部分没什么好说的，按照hardware/libhardware/include/hardware/audio.h定义的接口实现就行了。这些接口全扔到一个结构体里面的，这样做的好处是：不必用大量的dlsym来获取各个接口函数的地址，只需找到这个结构体即可，从易用性和可扩充性来说，都是首选方式。


接口定义如下：
  1. struct audio_hw_device {
  2.     struct hw_device_t common;

  4.     /**
  5.      * used by audio flinger to enumerate what devices are supported by
  6.      * each audio_hw_device implementation.
  7.      *
  8.      * Return value is a bitmask of 1 or more values of audio_devices_t
  9.      */
  10.     uint32_t (*get_supported_devices)(const struct audio_hw_device *dev);

  12.     /**
  13.      * check to see if the audio hardware interface has been initialized.
  14.      * returns 0 on success, -ENODEV on failure.
  15.      */
  16.     int (*init_check)(const struct audio_hw_device *dev);

  18.     /** set the audio volume of a voice call. Range is between 0.0 and 1.0 */
  19.     int (*set_voice_volume)(struct audio_hw_device *dev, float volume);

  21.     /**
  22.      * set the audio volume for all audio activities other than voice call.
  23.      * Range between 0.0 and 1.0. If any value other than 0 is returned,
  24.      * the software mixer will emulate this capability.
  25.      */
  26.     int (*set_master_volume)(struct audio_hw_device *dev, float volume);

  28.     /**
  29.      * setMode is called when the audio mode changes. AUDIO_MODE_NORMAL mode
  30.      * is for standard audio playback, AUDIO_MODE_RINGTONE when a ringtone is
  31.      * playing, and AUDIO_MODE_IN_CALL when a call is in progress.
  32.      */
  33.     int (*set_mode)(struct audio_hw_device *dev, int mode);

  35.     /* mic mute */
  36.     int (*set_mic_mute)(struct audio_hw_device *dev, bool state);
  37.     int (*get_mic_mute)(const struct audio_hw_device *dev, bool *state);

  39.     /* set/get global audio parameters */
  40.     int (*set_parameters)(struct audio_hw_device *dev, const char *kv_pairs);

  42.     /*
  43.      * Returns a pointer to a heap allocated string. The caller is responsible
  44.      * for freeing the memory for it.
  45.      */
  46.     char * (*get_parameters)(const struct audio_hw_device *dev,
  47.                              const char *keys);

  49.     /* Returns audio input buffer size according to parameters passed or
  50.      * 0 if one of the parameters is not supported
  51.      */
  52.     size_t (*get_input_buffer_size)(const struct audio_hw_device *dev,
  53.                                     uint32_t sample_rate, int format,
  54.                                     int channel_count);

  56.     /** This method creates and opens the audio hardware output stream */
  57.     int (*open_output_stream)(struct audio_hw_device *dev, uint32_t devices,
  58.                               int *format, uint32_t *channels,
  59.                               uint32_t *sample_rate,
  60.                               struct audio_stream_out **out);

  62.     void (*close_output_stream)(struct audio_hw_device *dev,
  63.                                 struct audio_stream_out* out);

  65.     /** This method creates and opens the audio hardware input stream */
  66.     int (*open_input_stream)(struct audio_hw_device *dev, uint32_t devices,
  67.                              int *format, uint32_t *channels,
  68.                              uint32_t *sample_rate,
  69.                              audio_in_acoustics_t acoustics,
  70.                              struct audio_stream_in **stream_in);

  72.     void (*close_input_stream)(struct audio_hw_device *dev,
  73.                                struct audio_stream_in *in);

  75.     /** This method dumps the state of the audio hardware */
  76.     int (*dump)(const struct audio_hw_device *dev, int fd);
  77. };
  78. typedef struct audio_hw_device audio_hw_device_t;
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注：这是比较标准的C接口设计方法了，但是个人感觉还是用C++比较好，直观易读。2.3之前都是用C++实现这些接口设计的，到了4.0，不知道为何采纳用C？不会理由是做底层的不懂C++吧？！


三、Audio Hardware HAL的legacy实现
之前提到两种Audio Hardware HAL接口定义：
1/ legacy：hardware/libhardware_legacy/include/hardware_legacy/AudioHardwareInterface.h
2/ 非legacy：hardware/libhardware/include/hardware/audio.h
前者是2.3及之前的音频设备接口定义，后者是4.0的接口定义。

为了兼容以前的设计，4.0实现一个中间层：hardware/libhardware_legacy/audio/audio_hw_hal.cpp，结构与其他的audio_hw.c大同小异，差别在于open方法：
  1. static int legacy_adev_open(const hw_module_t* module, const char* name,
  2.                             hw_device_t** device)
  3. {
  4.     ......

  6.     ladev->hwif = createAudioHardware();
  7.     if (!ladev->hwif) {
  8.         ret = -EIO;
  9.         goto err_create_audio_hw;
  10.     }

  12.     ......
  13. }
复制代码

看到那个熟悉的createAudioHardware()没有？这是以前我提到的Vendor Specific Audio接口，然后新的接口再调用ladev->hwif的函数就是了。
因此老一套的alsa-lib、alsa-utils和alsa_sound也可以照搬过来，还有别忘了修改prop（或者还有一些源码？）以让dlopen加载libaudiohw_legacy.so。注意：LEGACY_AUDIO目前编译成静态库（.a），但是我们应该可以修改makefile文件变换成.so文件。


四、a2dp Audio HAL的实现
4.0的a2dp audio hal放到bluez里实现了，我找了好一会才找到：
external/Bluetooth/bluez/audio/android_audio_hw.c
大致与上面提到的audio_hw.c类似，因为都是基于audio.h定义的接口来实现的。
如果需要编译这个库，须在BoardConfig.mk里定义：
BOARD_HAVE_BLUETOOTH := true

开始还提到现在支持3种audio设备了，分别是primary、a2dp和usb。目前剩下usb audio hal我没有找到，不知是否需要自己去实现？其实alsa-driver都支持大部分的usb-audio设备了，因此上层也可调用tinyalsa的接口，就像samsung tuna的audio_hw.c那样。
五、音质改进？？？
可使用audio echo cancel和更好的resampler（SRC）？？？




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