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HDF驅(qū)動框架概述

OpenAtom OpenHarmony(以下簡稱“OpenHarmony”)系統(tǒng) HDF 驅(qū)動框架采用 C 語言面向?qū)ο缶幊棠Ｐ蜆?gòu)建，通過平臺解耦、內(nèi)核解耦，來達到兼容不同內(nèi)核，統(tǒng)一平臺底座的目的，從而幫助開發(fā)者實現(xiàn)驅(qū)動一次開發(fā)，多系統(tǒng)部署的效果。

為了達成這個目標， OpenHarmony 系統(tǒng) HDF 驅(qū)動框架提供了：

• 操作系統(tǒng)適配層(OSAL，operatingsystem abstraction layer)：對內(nèi)核操作相關(guān)接口進行統(tǒng)一封裝，屏蔽不同系統(tǒng)操作接口。
• 平臺驅(qū)動接口：提供 Board 部分驅(qū)動(例如，I2C/SPI/UART 總線等平臺資源)支持，同時對 Board 硬件操作進行統(tǒng)一的適配接口抽象，方便開發(fā)者只需開發(fā)新硬件抽象接口，即可獲得新增 Board 部分驅(qū)動支持。
• 驅(qū)動模型：面向器件驅(qū)動，提供常見的驅(qū)動抽象模型，主要達成兩個目的。

1)提供標準化的器件驅(qū)動模型，開發(fā)者無需獨立開發(fā)，通過配置即可完成驅(qū)動部署。

2)提供驅(qū)動模型抽象，屏蔽驅(qū)動與不同系統(tǒng)組件間的交互，使得驅(qū)動更具備通用型。

為了進一步簡化 OpenHarmony 系統(tǒng)驅(qū)動開發(fā)，OpenHarmony 系統(tǒng) HDF 驅(qū)動框架支持多種驅(qū)動加載方式：

• 支持驅(qū)動動態(tài)加載和靜態(tài)加載，解除驅(qū)動代碼和框架間的直接代碼依賴，使得驅(qū)動程序可以獨立編譯和部署;
• 支持按需動態(tài)加載方式，避免設(shè)備驅(qū)動全量加載，可有效降低系統(tǒng)資源的占用。

本文主要分析 OpenHarmony 系統(tǒng)驅(qū)動加載過程，在正式介紹之前，首先了解 OpenHarmony 系統(tǒng)驅(qū)動架構(gòu)的組成、工作原理和機制，從而了解驅(qū)動加載的細節(jié)。

HDF驅(qū)動框架介紹

OpenHarmony 系統(tǒng) HDF 驅(qū)動框架組成

圖1 HDF驅(qū)動框架

OpenHarmony 系統(tǒng) HDF 驅(qū)動框架主要由驅(qū)動基礎(chǔ)框架、驅(qū)動程序、驅(qū)動配置文件和驅(qū)動接口這四個部分組成。

1.HDF 驅(qū)動基礎(chǔ)框架提供統(tǒng)一的硬件資源管理，驅(qū)動加載管理以及設(shè)備節(jié)點管理等功能。驅(qū)動框架采用的是主從模式設(shè)計，由 Device Manager 和 Device Host 組成。

Device Manager 提供了統(tǒng)一的驅(qū)動管理，Device Manager 啟動時根據(jù) Device Information 提供驅(qū)動設(shè)備信息加載相應(yīng)的驅(qū)動 Device Host，并控制 Host 完成驅(qū)動的加載。

Device Host 提供驅(qū)動運行的環(huán)境，同時預置 Host Framework 與 Device Manager 進行協(xié)同，完成驅(qū)動加載和調(diào)用。根據(jù)業(yè)務(wù)的需求 Device Host 可以有多個實例。

• 說明
• Device Host 顧名思義就是驅(qū)動宿主，提供驅(qū)動運行的環(huán)境。
• 當驅(qū)動部署在用戶態(tài)時，Device Host 可以由獨立的進程進行承載，
• 當驅(qū)動在部署在內(nèi)核態(tài)時，Device Host 僅表示邏輯隔離。
• Device Host 的劃分原則：
• Device Host 屬于一類設(shè)備聚合，如 Camera，Audio，Display 等。
• 驅(qū)動程序是部署在一個 Device Host 還是部署在不同的 Device Host，主要考慮驅(qū)動程序之間是否存的業(yè)務(wù)耦合性，如果兩個驅(qū)動程序之間存在依賴，可以考慮將這部分驅(qū)動程序部署在統(tǒng)一 Host。

2.驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動具體的功能，每個驅(qū)動由一個或者多個驅(qū)動程序組成，每個驅(qū)動程序都對應(yīng)著一個 Driver Entry。Driver Entry 主要完成驅(qū)動的初始化和驅(qū)動接口綁定功能。

3.驅(qū)動配置文件.hcs 主要由設(shè)備信息(Device Information)和設(shè)備資源(Device Resource)組成。Device Information 完成設(shè)備信息的配置。如配置接口發(fā)布策略，驅(qū)動加載的方式等。Device Resource 完成設(shè)備資源的配置。如 GPIO 管腳、寄存器等資源信息的配置。

4.驅(qū)動接口 HDI(Hardware Driver interface )提供標準化的接口定義和實現(xiàn)，驅(qū)動框架提供 IO Service 和 IO Dispatcher 機制，使得不同部署形態(tài)下驅(qū)動接口趨于形式一致。驅(qū)動接口主要存在以下幾種實現(xiàn)：

• 當驅(qū)動以內(nèi)核組件部署時，客戶端程序訪問驅(qū)動程序需要通過 system call 方式調(diào)用，驅(qū)動接口通過 IO Service 請求將消息通過 system call 方式調(diào)用到內(nèi)核，并將消息分發(fā)到 IO Dispatcher 處理。
• 當驅(qū)動以用戶態(tài)服務(wù)形式部署時，客戶端進程訪問驅(qū)動進程需要通過 IPC 方式通信，IO Service 完成 IPC 通信的客戶端消息請求封裝，IO Dispatcher 完成驅(qū)動服務(wù)端消息請求封裝，客戶端消息通過 IPC 通信到達服務(wù)端并分發(fā)給 IO Dispatcher 處理。

當驅(qū)動部署在 RTOS(RealTime Operating System)輕量化操作系統(tǒng)時，驅(qū)動接口和驅(qū)動程序之間采用的是 Function Call 方式調(diào)用，因此驅(qū)動接口僅提供定義，驅(qū)動接口實現(xiàn)由驅(qū)動程序提供。

HDF 驅(qū)動框架工作原理

圖2 驅(qū)動框架工作原理

Device Manager 提供了統(tǒng)一的驅(qū)動加載管理機制和驅(qū)動接口發(fā)布機制。

當 Device Host 環(huán)境加載完成時，Device Manager 根據(jù) Device Information 信息，請求 Host 加載相應(yīng)的驅(qū)動程序，Device Host 在收到請求時，進行以下操作：

1. 根據(jù)請求加載設(shè)備信息，查找并加載指定路徑下驅(qū)動鏡像或從指定段地址(section)查找驅(qū)動程序入口。
2. 查找驅(qū)動設(shè)備描述符，匹配對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動。
3. 當驅(qū)動匹配成功時，加載指定驅(qū)動程序鏡像
4. Host Framework 在驅(qū)動程序鏡像加載成功后，調(diào)用驅(qū)動程序(Driver Entry)的綁定接口和初始化接口，實現(xiàn)與驅(qū)動程序的服務(wù)對象綁定，同時初始化設(shè)備驅(qū)動程序，
5. 當 Device Information 配置中的服務(wù)策略要求對外暴露驅(qū)動接口時，驅(qū)動框架就將驅(qū)動程序的服務(wù)對象添加到對外發(fā)布的服務(wù)對象列表中，外部客戶端程序就可以通過此列表來查詢并訪問相應(yīng)的服務(wù)接口。

驅(qū)動接口工作機制

圖3 驅(qū)動接口工作機制

對于 驅(qū)動接口實現(xiàn) 而言：

• 當驅(qū)動部署在內(nèi)核態(tài)時，驅(qū)動接口部署在用戶態(tài)，驅(qū)動實現(xiàn)在內(nèi)核態(tài)，驅(qū)動接口和驅(qū)動實現(xiàn)之間通過 syscall 調(diào)用方式實現(xiàn)調(diào)用交互。
• 當驅(qū)動部署在用戶態(tài)時，驅(qū)動接口和驅(qū)動實現(xiàn)分別部署在兩個進程中。驅(qū)動接口和驅(qū)動實現(xiàn)之間通過 IPC 調(diào)用方式實現(xiàn)調(diào)用交互。

為了使客戶端和服務(wù)端驅(qū)動調(diào)用方式基本一致，驅(qū)動框架提供 IO Service 和 IO Dispatcher 機制屏蔽了調(diào)用消息傳遞方式的差異。

驅(qū)動接口實現(xiàn)統(tǒng)一采用遠程調(diào)用的方式實現(xiàn)，客戶端驅(qū)動接口函數(shù)將請求序列化成內(nèi)存數(shù)據(jù)，通過驅(qū)動框架提供的 IO Service 將消息發(fā)送到服務(wù)端處理，服務(wù)端在收到請求消息時通過 IO Dispatcher 機制將消息分發(fā)給消息處理函數(shù)處理，處理函數(shù)將反序列化內(nèi)存數(shù)據(jù)解析成相應(yīng)的請求。這樣的做到好處是，開發(fā)者只需重點關(guān)注接口的定義，無需過多的關(guān)注如何實現(xiàn)不同平臺上接口適配。

驅(qū)動加載過程分析

OpenHarmony 系統(tǒng)驅(qū)動根據(jù)驅(qū)動程序部署的不同方式，存在兩種驅(qū)動加載方式：

• 動態(tài)加載方式：采用傳統(tǒng)的 so(共享庫)加載方式，驅(qū)動程序通過指定 Symbol 方式找到驅(qū)動函數(shù)入口進行加載。
• 靜態(tài)加載方式：采用將驅(qū)動程序通過 Scatter 編譯到指定的 Section，再通過訪問指定 Section 對應(yīng)的地址，找到驅(qū)動函數(shù)入口進行加載。

下面結(jié)合一個 Sample 示例代碼，講解驅(qū)動加載過程，重點分析靜態(tài)加載方式下內(nèi)核態(tài)驅(qū)動加載過程。

實現(xiàn)驅(qū)動程序初始化接口

在 HDF 驅(qū)動框架中，HdfDriverEntry 對象被用來描述一個驅(qū)動實現(xiàn)。

struct HdfDriverEntry { 
    int32_t moduleVersion; 
    const char *moduleName; 
    int32_t (*Bind)(struct HdfDeviceObject *deviceObject); 
    int32_t (*Init)(struct HdfDeviceObject *deviceObject); 
    void (*Release)(struct HdfDeviceObject *deviceObject); 
}; 

 編寫一個簡單的驅(qū)動，首先需要實現(xiàn)驅(qū)動程序 (Driver Entry)入口中的三個主要接口：

• Bind 接口：實現(xiàn)驅(qū)動接口實例化綁定，如果需要發(fā)布驅(qū)動接口，會在驅(qū)動加載過程中被調(diào)用，實例化該接口的驅(qū)動服務(wù)并和 DeviceObject 綁定。
• Init 接口：實現(xiàn)驅(qū)動的初始化，返回錯誤將中止驅(qū)動加載流程。
• Release 接口：實現(xiàn)驅(qū)動的卸載，在該接口中釋放驅(qū)動實例的軟硬件資源。

int SampleDriverBind(struct HdfDeviceObject *deviceObject) 
{ 
    HDF_LOGE("SampleDriverBind enter!"); 
    static struct IDeviceIoService testService = { 
        .Dispatch = SampleServiceDispatch, 
        .Open = NULL, 
        .Release = NULL, 
    }; 
    deviceObject->service = &testService; 
    return HDF_SUCCESS; 
} 
  
int SampleDriverInit(struct HdfDeviceObject *deviceObject) 
{ 
    HDF_LOGE("SampleDriverInit enter"); 
     return HDF_SUCCESS; 
} 
 
 void SampleDriverRelease(struct HdfDeviceObject *deviceObject) 
{ 
    HDF_LOGE("SampleDriverRelease enter"); 
    return; 
} 
 
 struct HdfDriverEntry g_sampleDriverEntry = { 
    .moduleVersion = 1, 
    .moduleName = "sample_driver", 
    .Bind = SampleDriverBind, 
    .Init = SampleDriverInit, 
    .Release = SampleDriverRelease, 
}; 
 
HDF_INIT(g_sampleDriverEntry); 

導出驅(qū)動程序入口符號

實現(xiàn)驅(qū)動程序初始化后，需要將驅(qū)動程序入口通過驅(qū)動聲明宏導出，這樣驅(qū)動框架才能在啟動時識別到驅(qū)動程序的存在，驅(qū)動才能被加載：

#define HDF_INIT(module)  HDF_DRIVER_INIT(module) 

這里將 HDF_INIT 宏展開：

#define HDF_SECTION __attribute__((section(".hdf.driver"))) 
#define HDF_DRIVER_INIT(module) \ 
    const size_t USED_ATTR module##HdfEntry HDF_SECTION = (size_t)(&(module)) 

 下面是其實現(xiàn)原理

圖4 Driver Entry內(nèi)存分布

可以看到 HDF_INIT 宏是定義了一個“驅(qū)動模塊名+HdfEntry”的符號放到".hdf.driver"所在 section，該符號指向的內(nèi)存地址即為驅(qū)動程序入口結(jié)構(gòu)體的地址。這個特殊的 section 將用于開機啟動時查找設(shè)備驅(qū)動。

添加設(shè)備配置

在設(shè)備對應(yīng)的 device_info.hcs 添加 sample 驅(qū)動的配置：

sample_host :: host { 
    hostName = "sample_host"; 
    sample_device :: device { 
        device0 :: deviceNode { 
            policy = 2; 
            priority = 100; 
            preload = 1; 
            permission = 0664; 
            moduleName = "sample_driver"; 
            serviceName = "sample_service"; 
        } 
    } 
} 

在配置中定義的 device 將在加載過程中產(chǎn)生一個設(shè)備實例，通過 moduleName 字段指定設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動名稱，從而將設(shè)備與驅(qū)動關(guān)聯(lián)起來，其中，設(shè)備與驅(qū)動可以是一對多的關(guān)系，即可以實現(xiàn)一個驅(qū)動支持多個同類型設(shè)備。

驅(qū)動啟動過程

我們添加的驅(qū)動是如何被執(zhí)行的呢?簡單來說，在系統(tǒng)啟動時，驅(qū)動框架先啟動，通過解析配置文件獲取到設(shè)備列表，通過讀取".hdf.drivers"段讀取到驅(qū)動程序(Driver Entry)列表，然后遍歷設(shè)備列表與驅(qū)動程序列表進行匹配，并加載匹配成功的驅(qū)動。驅(qū)動框架有兩大核心管理者：

• DeviceManager 負責設(shè)備的管理，包括設(shè)備加載、卸載和查詢等設(shè)備相關(guān)功能。
• DeviceServiceManager 負責管理設(shè)備發(fā)布的接口服務(wù)，提供接口服務(wù)的發(fā)布、查詢等功能。

驅(qū)動加載主要由 DeviceManager 主導，首先 DeviceManager 要解析配置文件中的 Host 列表，根據(jù) Host 列表中的信息來實例化對應(yīng)的 Host 對象。Host 解析配置文件獲取到關(guān)聯(lián)的設(shè)備列表，遍歷設(shè)備列表去獲取與之匹配的驅(qū)動程序名稱，然后基于驅(qū)動程序名稱遍歷前面提到的.hdf.driver section 獲得驅(qū)動程序地址。

下面介紹具體過程。

獲取設(shè)備列表

圖5 設(shè)備列表結(jié)構(gòu)

配置文本編譯后會變成二進制格式的配置文件，其中設(shè)備相關(guān)信息被存放在一個用“hdf_manager”標記的 device_info 配置塊中，host 的內(nèi)容以塊的形式在 device_info 塊中依次排列，host 塊中記錄了 host 名稱、啟動優(yōu)先級和設(shè)備列表信息。設(shè)備信息中的 moduleName 字段將用于和驅(qū)動程序入口中的 moduleName 進行匹配，從而為設(shè)備匹配到正確的驅(qū)動程序。

獲取驅(qū)動程序列表

圖6 驅(qū)動程序(DriverEntry)內(nèi)存布局

HDF 驅(qū)動框架通過將驅(qū)動程序入口符號的地址集中存放到一個特殊的 section 來實現(xiàn)對驅(qū)動的索引，這個 section 的開頭和末尾插入了_hdf_drivers_start、_hdf_drivers_end 兩個特殊符號，用于標記這個 section 的范圍，兩個特殊符號之間的數(shù)據(jù)即為驅(qū)動實現(xiàn)指針。

驅(qū)動程序加載流程

圖7 驅(qū)動程序加載流程

Device Manager 遍歷設(shè)備列表，當查找到對應(yīng)驅(qū)動實現(xiàn)時，為設(shè)備創(chuàng)建 Device 對象實例，如果設(shè)備配置中的 policy 字段為需要對外發(fā)布的驅(qū)動接口(SERVICE_POLICY_CAPACITY)，那么驅(qū)動的 Bind 接口將首先被調(diào)用，用于關(guān)聯(lián)設(shè)備和服務(wù)實例。然后驅(qū)動的 Init 接口將被調(diào)用，用于完成驅(qū)動的相關(guān)初始化工作。如果驅(qū)動被卸載或者因為硬件等原因 Init 接口返回失敗，Release 將被調(diào)用，用于釋放驅(qū)動申請的各類資源。

總結(jié)

本次和大家分享了 OpenHarmony 系統(tǒng)驅(qū)動的主要設(shè)計思想，重點分析了內(nèi)核態(tài)驅(qū)動加載的過程，關(guān)于 OpenHarmony 系統(tǒng)驅(qū)動其他內(nèi)容，后續(xù)會有更多技術(shù)文章向大家持續(xù)分享，敬請期待。

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