ANDROID4.0音频系统HAL初探

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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;
    
11. 
    
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;
    
18. 
    
19.     return 0;
    
20. 
    
21. out:
    
22.     *mod = NULL;
    
23.     *dev = NULL;
    
24.     return rc;
    
25. }
    
26. 
    
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])))
    
34. 
    
35. // ----------------------------------------------------------------------------
    
36. 
    
37. AudioFlinger::AudioFlinger()
    
38.     : BnAudioFlinger(),
    
39.         mPrimaryHardwareDev(0), mMasterVolume(1.0f), mMasterMute(false), mNextUniqueId(1),
    
40.         mBtNrecIsOff(false)
    
41. {
    
42. }
    
43. 
    
44. void AudioFlinger::onFirstRef()
    
45. {
    
46.     int rc = 0;
    
47. 
    
48.     Mutex::Autolock _l(mLock);
    
49. 
    
50.     /* TODO: move all this work into an Init() function */
    
51.     mHardwareStatus = AUDIO_HW_IDLE;
    
52. 
    
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;
    
57. 
    
58.         rc = load_audio_interface(audio_interfaces[i], &mod, &dev);
    
59.         if (rc)
    
60.             continue;
    
61. 
    
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
    
65. 
    
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.     }
    
72. 
    
73.     mHardwareStatus = AUDIO_HW_INIT;
    
74. 
    
75.     if (!mPrimaryHardwareDev || mAudioHwDevs.size() == 0) {
    
76.         LOGE("Primary audio interface not found");
    
77.         return;
    
78.     }
    
79. 
    
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];
    
83. 
    
84.         mHardwareStatus = AUDIO_HW_INIT;
    
85.         rc = dev->init_check(dev);
    
86.         if (rc == 0) {
    
87.             AutoMutex lock(mHardwareLock);
    
88. 
    
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];
   
10. 
    
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"
    
19. 
    
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.      */
    
26. 
    
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;
    
37. 
    
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
    
49. 
    
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.     }
    
56. 
    
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;
   
9. 
   
10.     /** major version number for the module */
    
11.     uint16_t version_major;
    
12. 
    
13.     /** minor version number of the module */
    
14.     uint16_t version_minor;
    
15. 
    
16.     /** Identifier of module */
    
17.     const char *id;
    
18. 
    
19.     /** Name of this module */
    
20.     const char *name;
    
21. 
    
22.     /** Author/owner/implementor of the module */
    
23.     const char *author;
    
24. 
    
25.     /** Modules methods */
    
26.     struct hw_module_methods_t* methods;
    
27. 
    
28.     /** module's dso */
    
29.     void* dso;
    
30. 
    
31.     /** padding to 128 bytes, reserved for future use */
    
32.     uint32_t reserved[32-7];
    
33. 
    
34. } hw_module_t;
    
35. 
    
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);
    
40. 
    
41. } hw_module_methods_t;

复制代码

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. };
   
4. 
   
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. };

复制代码

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;
   
3. 
   
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);
    
11. 
    
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);
    
17. 
    
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);
    
20. 
    
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);
    
27. 
    
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);
    
34. 
    
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);
    
38. 
    
39.     /* set/get global audio parameters */
    
40.     int (*set_parameters)(struct audio_hw_device *dev, const char *kv_pairs);
    
41. 
    
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);
    
48. 
    
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);
    
55. 
    
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);
    
61. 
    
62.     void (*close_output_stream)(struct audio_hw_device *dev,
    
63.                                 struct audio_stream_out* out);
    
64. 
    
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);
    
71. 
    
72.     void (*close_input_stream)(struct audio_hw_device *dev,
    
73.                                struct audio_stream_in *in);
    
74. 
    
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.     ......
   
5. 
   
6.     ladev->hwif = createAudioHardware();
   
7.     if (!ladev->hwif) {
   
8.         ret = -EIO;
   
9.         goto err_create_audio_hw;
   
10.     }
    
11. 
    
12.     ......
    
13. }

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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）？？？