ANDROID音频系统散记之四：4.0音频系统HAL初探

一、代码模块位置

1、AudioFlinger

frameworks/base/services/audioflinger/
+--Android.mk
+--AudioBufferProvider.h
+--AudioFlinger.cpp
+--AudioFlinger.h
+--AudioMixer.cpp
+--AudioMixer.h
+--AudioPolicyService.cpp
+--AudioPolicyService.h
+--AudioResampler.cpp
+--AudioResamplerCubic.cpp
+--AudioResamplerCubic.h
+--AudioResampler.h
+--AudioResamplerSinc.cpp
+--AudioResamplerSinc.h

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

hardware/libhardware_legacy/audio/
+--A2dpAudioInterface.cpp
+--A2dpAudioInterface.h
+--Android.mk
+--AudioDumpInterface.cpp
+--AudioDumpInterface.h
+--AudioHardwareGeneric.cpp
+--AudioHardwareGeneric.h
+--AudioHardwareInterface.cpp
+--AudioHardwareStub.cpp
+--AudioHardwareStub.h
+--audio_hw_hal.cpp
+--AudioPolicyCompatClient.cpp
+--AudioPolicyCompatClient.h
+--audio_policy_hal.cpp
+--AudioPolicyManagerBase.cpp
+--AudioPolicyManagerDefault.cpp
+--AudioPolicyManagerDefault.h

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。

hardware/libhardware/modules/audio/
+--Android.mk
+--audio_hw.c
+--audio_policy.c

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。

device/samsung/tuna/audio/
+--Android.mk
+--audio_hw.c
+--ril_interface.c
+--ril_interface.h

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

external/tinyalsa/
+--Android.mk
+--include
|+--tinyalsa
|+--asoundlib.h
+--mixer.c##类alsa-lib的control，作用音频部件开关、音量调节等
+--pcm.c##类alsa-lib的pcm，作用音频pcm数据回放录制
+--README
+--tinycap.c##类alsa_arecord
+--tinymix.c##类alsa_amixer
+--tinyplay.c##类alsa_aplay

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

//加载audiohardwarehal
staticintload_audio_interface(constchar*if_name,consthw_module_t**mod,
audio_hw_device_t**dev)
{
intrc;

//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
rc=hw_get_module_by_class(AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID,if_name,mod);
if(rc)
gotoout;

//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
rc=audio_hw_device_open(*mod,dev);
LOGE_IF(rc,"couldn'topenaudiohwdevicein%s.%s(%s)",
AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID,if_name,strerror(-rc));
if(rc)
gotoout;

return0;

out:
*mod=NULL;
*dev=NULL;
returnrc;
}

//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
staticconstchar*audio_interfaces[]={
"primary",//主音频设备，一般为本机codec
"a2dp",//a2dp设备，蓝牙高保真音频
"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
};
#defineARRAY_SIZE(x)(sizeof((x))/sizeof(((x)[0])))

//----------------------------------------------------------------------------

AudioFlinger::AudioFlinger()
:BnAudioFlinger(),
mPrimaryHardwareDev(0),mMasterVolume(1.0f),mMasterMute(false),mNextUniqueId(1),
mBtNrecIsOff(false)
{
}

voidAudioFlinger::onFirstRef()
{
intrc=0;

Mutex::Autolock_l(mLock);

/*TODO:moveallthisworkintoanInit()function*/
mHardwareStatus=AUDIO_HW_IDLE;

//打开audio_interfaces数组定义的所有音频设备
for(size_ti=0;i<ARRAY_SIZE(audio_interfaces);i++){
consthw_module_t*mod;
audio_hw_device_t*dev;

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

LOGI("Loaded%saudiointerfacefrom%s(%s)",audio_interfaces[i],
mod->name,mod->id);
mAudioHwDevs.push(dev);//mAudioHwDevs是一个Vector，存储已打开的audiohwdevices

if(!mPrimaryHardwareDev){
mPrimaryHardwareDev=dev;
LOGI("Using'%s'(%s.%s)astheprimaryaudiointerface",
mod->name,mod->id,audio_interfaces[i]);
}
}

mHardwareStatus=AUDIO_HW_INIT;

if(!mPrimaryHardwareDev||mAudioHwDevs.size()==0){
LOGE("Primaryaudiointerfacenotfound");
return;
}

//对audiohwdevices进行一些初始化，如mode、mastervolume的设置
for(size_ti=0;i<mAudioHwDevs.size();i++){
audio_hw_device_t*dev=mAudioHwDevs[i];

mHardwareStatus=AUDIO_HW_INIT;
rc=dev->init_check(dev);
if(rc==0){
AutoMutexlock(mHardwareLock);

mMode=AUDIO_MODE_NORMAL;
mHardwareStatus=AUDIO_HW_SET_MODE;
dev->set_mode(dev,mMode);
mHardwareStatus=AUDIO_HW_SET_MASTER_VOLUME;
dev->set_master_volume(dev,1.0f);
mHardwareStatus=AUDIO_HW_IDLE;
}
}
}

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。

inthw_get_module_by_class(constchar*class_id,constchar*inst,
conststructhw_module_t**module)
{
intstatus;
inti;
conststructhw_module_t*hmi=NULL;
charprop[PATH_MAX];
charpath[PATH_MAX];
charname[PATH_MAX];

if(inst)
snprintf(name,PATH_MAX,"%s.%s",class_id,inst);
else
strlcpy(name,class_id,PATH_MAX);

//这里我们以音频库为例，AudioFlinger调用到这个函数时，
//class_id=AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID="audio"，inst="primary"(或"a2dp"或"usb")
//那么此时name="audio.primary"

/*
*Herewerelyonthefactthatcallingdlopenmultipletimeson
*thesame.sowillsimplyincrementarefcount(andnotload
*anewcopyofthelibrary).
*Wealsoassumethatdlopen()isthread-safe.
*/

/*Loopthroughtheconfigurationvariantslookingforamodule*/
for(i=0;i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1;i++){
if(i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT){
//通过property_get找到厂家标记如"ro.product.board=tuna"，这时prop="tuna"
if(property_get(variant_keys[i],prop,NULL)==0){
continue;
}
snprintf(path,sizeof(path),"%s/%s.%s.so",
HAL_LIBRARY_PATH2,name,prop);//#defineHAL_LIBRARY_PATH2"/vendor/lib/hw"
if(access(path,R_OK)==0)break;

snprintf(path,sizeof(path),"%s/%s.%s.so",
HAL_LIBRARY_PATH1,name,prop);//#defineHAL_LIBRARY_PATH1"/system/lib/hw"
if(access(path,R_OK)==0)break;
}else{
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
HAL_LIBRARY_PATH1,name);
if(access(path,R_OK)==0)break;
}
}
//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"
//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

status=-ENOENT;
if(i<HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1){
/*loadthemodule,ifthisfails,we'redoomed,andweshouldnottry
*toloadadifferentvariant.*/
status=load(class_id,path,module);//加载模块库
}

returnstatus;
}

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：

/**
*EveryhardwaremodulemusthaveadatastructurenamedHAL_MODULE_INFO_SYM
*andthefieldsofthisdatastructuremustbeginwithhw_module_t
*followedbymodulespecificinformation.
*/
typedefstructhw_module_t{
/**tagmustbeinitializedtoHARDWARE_MODULE_TAG*/
uint32_ttag;

/**majorversionnumberforthemodule*/
uint16_tversion_major;

/**minorversionnumberofthemodule*/
uint16_tversion_minor;

/**Identifierofmodule*/
constchar*id;

/**Nameofthismodule*/
constchar*name;

/**Author/owner/implementorofthemodule*/
constchar*author;

/**Modulesmethods*/
structhw_module_methods_t*methods;

/**module'sdso*/
void*dso;

/**paddingto128bytes,reservedforfutureuse*/
uint32_treserved[32-7];

}hw_module_t;

typedefstructhw_module_methods_t{
/**Openaspecificdevice*/
int(*open)(conststructhw_module_t*module,constchar*id,
structhw_device_t**device);

}hw_module_methods_t;

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：

staticstructhw_module_methods_thal_module_methods={
.open=adev_open,
};

structaudio_moduleHAL_MODULE_INFO_SYM={
.common={
.tag=HARDWARE_MODULE_TAG,
.version_major=1,
.version_minor=0,
.id=AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID,
.name="TunaaudioHWHAL",
.author="TheAndroidOpenSourceProject",
.methods=&hal_module_methods,
},
};

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：

structaudio_hw_device{
structhw_device_tcommon;

/**
*usedbyaudioflingertoenumeratewhatdevicesaresupportedby
*eachaudio_hw_deviceimplementation.
*
*Returnvalueisabitmaskof1ormorevaluesofaudio_devices_t
*/
uint32_t(*get_supported_devices)(conststructaudio_hw_device*dev);

/**
*checktoseeiftheaudiohardwareinterfacehasbeeninitialized.
*returns0onsuccess,-ENODEVonfailure.
*/
int(*init_check)(conststructaudio_hw_device*dev);

/**settheaudiovolumeofavoicecall.Rangeisbetween0.0and1.0*/
int(*set_voice_volume)(structaudio_hw_device*dev,floatvolume);

/**
*settheaudiovolumeforallaudioactivitiesotherthanvoicecall.
*Rangebetween0.0and1.0.Ifanyvalueotherthan0isreturned,
*thesoftwaremixerwillemulatethiscapability.
*/
int(*set_master_volume)(structaudio_hw_device*dev,floatvolume);

/**
*setModeiscalledwhentheaudiomodechanges.AUDIO_MODE_NORMALmode
*isforstandardaudioplayback,AUDIO_MODE_RINGTONEwhenaringtoneis
*playing,andAUDIO_MODE_IN_CALLwhenacallisinprogress.
*/
int(*set_mode)(structaudio_hw_device*dev,intmode);

/*micmute*/
int(*set_mic_mute)(structaudio_hw_device*dev,boolstate);
int(*get_mic_mute)(conststructaudio_hw_device*dev,bool*state);

/*set/getglobalaudioparameters*/
int(*set_parameters)(structaudio_hw_device*dev,constchar*kv_pairs);

/*
*Returnsapointertoaheapallocatedstring.Thecallerisresponsible
*forfreeingthememoryforit.
*/
char*(*get_parameters)(conststructaudio_hw_device*dev,
constchar*keys);

/*Returnsaudioinputbuffersizeaccordingtoparameterspassedor
*0ifoneoftheparametersisnotsupported
*/
size_t(*get_input_buffer_size)(conststructaudio_hw_device*dev,
uint32_tsample_rate,intformat,
intchannel_count);

/**Thismethodcreatesandopenstheaudiohardwareoutputstream*/
int(*open_output_stream)(structaudio_hw_device*dev,uint32_tdevices,
int*format,uint32_t*channels,
uint32_t*sample_rate,
structaudio_stream_out**out);

void(*close_output_stream)(structaudio_hw_device*dev,
structaudio_stream_out*out);

/**Thismethodcreatesandopenstheaudiohardwareinputstream*/
int(*open_input_stream)(structaudio_hw_device*dev,uint32_tdevices,
int*format,uint32_t*channels,
uint32_t*sample_rate,
audio_in_acoustics_tacoustics,
structaudio_stream_in**stream_in);

void(*close_input_stream)(structaudio_hw_device*dev,
structaudio_stream_in*in);

/**Thismethoddumpsthestateoftheaudiohardware*/
int(*dump)(conststructaudio_hw_device*dev,intfd);
};
typedefstructaudio_hw_deviceaudio_hw_device_t;

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：

staticintlegacy_adev_open(consthw_module_t*module,constchar*name,
hw_device_t**device)
{
......

ladev->hwif=createAudioHardware();
if(!ladev->hwif){
ret=-EIO;
gotoerr_create_audio_hw;
}

......
}

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，这里的文件被编译成静态库的，因此你需要修改alsa_sound里面的Android.mk文件，链接这个静态库。还有alsa_sound的命名空间原来是“android”，现在需要改成“android_audio_legacy”。

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）？？？

--to be continued…