OpenHarmony-HDF驱动框架介绍及加载过程分析 原创 精华

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发布于 2022-4-18 14:08
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作者:张兴君

前言

HarmonyOS面向万物互联时代,而万物互联涉及到了大量的硬件设备,这些硬件的离散度很高,它们的性能差异与配置差异都很大,所以这要求使用一个更灵活、功能更强大、能耗更低的驱动框架。OpenHarmony系统HDF驱动框架采用C语言面向对象编程模型构建,通过平台解耦、内核解耦,来达到兼容不同内核,统一平台底座的目的,从而帮助开发者实现驱动一次开发,多系统部署的效果。

1.HDF 驱动框架

OpenHarmony 系统 HDF 驱动框架主要由驱动基础框架、驱动程序、驱动配置文件和驱动接口这四个部分组成。
1)HDF 驱动基础框架提供统一的硬件资源管理,驱动加载管理以及设备节点管理等功能。驱动框架采用的是主从模式设计,由 Device Manager 和 Device Host 组成。Device Manager 提供了统一的驱动管理,Device Manager 启动时根据 Device Information 提供驱动设备信息加载相应的驱动 Device Host,并控制 Host 完成驱动的加载。Device Host 提供驱动运行的环境,同时预置 Host Framework 与 Device Manager 进行协同,完成驱动加载和调用。根据业务的需求 Device Host 可以有多个实例。
2)驱动程序实现驱动具体的功能,每个驱动由一个或者多个驱动程序组成,每个驱动程序都对应着一个 Driver Entry。Driver Entry 主要完成驱动的初始化和驱动接口绑定功能。
3)驱动配置文件.hcs 主要由设备信息(Device Information)和设备资源(Device Resource)组成。Device Information 完成设备信息的配置。如配置接口发布策略,驱动加载的方式等。Device Resource 完成设备资源的配置。如 GPIO 管脚、寄存器等资源信息的配置。
4)驱动接口 HDI(Hardware Driver interface )提供标准化的接口定义和实现,驱动框架提供 IO Service和IO Dispatcher 机制,使得不同部署形态下驱动接口趋于形式一致。
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HDF框架以组件化的驱动模型作为核心设计思路,为开发者提供更精细化的驱动管理,让驱动开发和部署更加规范。HDF框架将一类设备驱动放在同一个host里面,开发者也可以将驱动功能分层独立开发和部署,支持一个驱动多个node,HDF驱动模型如下图所示:
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2.HDF 驱动开发

基于HDF框架进行驱动的开发主要分为两个部分,驱动实现和驱动配置,详细开发流程如下所示:

2.1 驱动实现

驱动实现包含驱动业务代码和驱动入口注册。

2.1.1 驱动业务代码

//驱动对外提供的服务能力,将相关的服务接口绑定到HDF框架

int32_t HdfSampleDriverBind(struct HdfDeviceObject *deviceObject)  
{  
	HDF_LOGD("Sample driver bind success");  
	return 0;  
}

// 驱动自身业务初始的接口

int32_t HdfSampleDriverInit(struct HdfDeviceObject *deviceObject)  
{     
	HDF_LOGD("Sample driver Init success");  
	return 0;  
}

// 驱动资源释放的接口

void HdfSampleDriverRelease(struct HdfDeviceObject *deviceObject)   
{  
	HDF_LOGD("Sample driver release success");  
	return;  
}

2.1.2驱动入口注册到HDF框架

// 定义驱动入口的对象,必须为HdfDriverEntry(在hdf_device_desc.h中定义)类型的全局变量

struct HdfDriverEntry g_sampleDriverEntry =
 {  
	.moduleVersion = 1, 
	.moduleName = "sample_driver",  
	.Bind = HdfSampleDriverBind,  
	.Init = HdfSampleDriverInit, 
	.Release = HdfSampleDriverRelease,
};

HDF_INIT(g_sampleDriverEntry);
// 调用HDF_INIT将驱动入口注册到HDF框架中,在加载驱动时HDF框架会先调用Bind函数,再调用Init函数加载该驱动,当Init调用异常时,HDF框架会调用Release释放驱动资源并退出。

2.2 驱动配置

驱动配置包含两部分,HDF框架定义的驱动设备描述和驱动的私有配置信息。HDF使用HCS作为配置描述源码,内容以 Key-Value 键值对为主要形式。它实现了配置代码与驱动代码解耦,便于开发者进行配置管理。HC-GEN (全称 HDF Configuration Generator) 是 HCS 配置转换工具,可以将 HDF 配置文件转换为软件可读取的文件格式:在弱性能环境中,转换为配置树源码,驱动可直接调用 C代码获取配置;在高性能环境中,转换为 HCB(HDF Configuration Binary)二进制文件,驱动可使用 HDF框架提供的配置解析接口获取配置。
HCS经过HC-GEN编译生成HCB文件,HDF驱动框架中的HCS Parser模块会从HCB文件中重建配置树,HDF驱动模块使用HCS Parser提供的配置读取接口获取配置内容。驱动配置过程的原理图如下所示:
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2.2.1 驱动设备描述(必选)

HDF框架加载驱动所需要的信息来源于HDF框架定义的驱动设备描述,因此基于HDF框架开发的驱动必须要在HDF框架定义的device_info.hcs配置文件中添加对应的设备描述,驱动的设备描述填写如下所示:

sample_host :: host{
	hostName = "host0"; //host名称,host节点是用来存放某一类驱动的容器。
	priority = 100; //host启动优先级(0-200),值越大优先级越低,建议默认配100,优先级相同则不保证host的加载顺序。
	device_sample :: device { //sample设备节点。
		device0 :: deviceNode { //sample驱动的DeviceNode节点。
		policy = 1; //驱动服务发布的策略
		priority = 100; //驱动启动优先级(0-200),值越大优先级越低,建议默认配 100,优先级相同则不保证 device 的加载顺序
		preload = 0; //驱动按需加载字段
		permission = 0664;//驱动创建设备节点权限
		moduleName = "sample_driver"; //驱动名称,该字段的值必须和驱动入口结构的moduleName值一致
		serviceName = "sample_service"; //驱动对外发布服务的名称,必须唯一
		deviceMatchAttr = "sample_config";//驱动私有数据匹配的关键字,必须和驱动私有数据配置表中的match_attr值相等。
		}
	}
}

2.2.2驱动私有配置信息(可选)

如果驱动有私有配置,则可以添加一个驱动的配置文件,用来填写一些驱动的默认配置信息,HDF框架在加载驱动的时候,会将对应的配置信息获取并保存在HdfDeviceObject 中的property里面,通过Bind和Init传递给驱动,驱动的配置信息示例如下:

root {  
	SampleDriverConfig {
		sample_version = 1; 
		sample_bus = "I2C_0"; 
		match_attr = "sample_config";   //该字段的值必须和device_info.hcs中的deviceMatchAttr值一致
	}
}

3.HDF 驱动加载

HDF驱动加载包括按需加载和按序加载。按需加载是HDF框架支持驱动在系统启动过程中默认加载,或者在系统启动之后动态加载;按序加载是HDF框架支持驱动在系统启动的过程中按照驱动的优先级进行加载。HDF框架定义的驱动按需加载方式的策略是由配置文件中的 preload 字段来控制,preload 字段的取值范围以及含义如下:
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驱动的按序加载是通过配置文件中的 priority(取值范围为整数 0 到 200)来决定的,priority 值越小,表示的优先级越高。驱动的加载顺序,优先根据 host 的 priority 决定,如果host 的 priority 相同,再根据 host 内的驱动 priority 值来决定加载顺序。

3.1 HDF_INIT宏展开

驱动入口注册到HDF框架,会调用HDF_INIT函数将驱动入口地址注册到HDF框架。
#define HDF_SECTION__attribute__((section(“.hdf.driver”)))
#define HDF_DRIVER_INIT(module) \
const size_t USED_ATTR module##HdfEntry HDF_SECTION = (size_t)(&(module))
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可以看到 HDF_INIT 宏是定义了一个“驱动模块名+HdfEntry”的符号放到".hdf.driver"所在 section,该符号指向的内存地址即为驱动程序入口结构体的地址。这个特殊的 section 将用于开机启动时查找设备驱动。

3.2获取驱动列表

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HDF驱动框架通过将驱动程序入口符号的地址集中存放到一个特殊的 section 来实现对驱动的索引,这个section的开头和末尾插入了_hdf_drivers_start、_hdf_drivers_end两个特殊符号,用于标记这个 section 的范围,两个特殊符号之间的数据即为驱动实现指针。

3.3获取设备列表

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配置文本编译后会变成二进制格式的配置文件,其中设备相关信息被存放在一个用“hdf_manager”标记的 device_info 配置块中,host的内容以块的形式在device_info 块中依次排列,host块中记录了host名称、启动优先级和设备列表信息。设备信息中的 moduleName字段将用于和驱动程序入口中的moduleName进行匹配,从而为设备匹配到正确的驱动程序,完成设备与驱动的匹配,具体流程图如下:
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3.4驱动框架启动

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late_initcall宏展开
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__define_initcall宏展开
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___define_initcall宏展开
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宏含义:
1)声明一个类型为initcall_t,名称为__initcall_DeviceManagerInit的函数指针
2)将这个函数指针初始化为DeviceManagerInit
3)编译的时候需要把这个函数指针变量放置到名称为“.initcall7.init”的section中,其实质就是将这个函数DeviceManagerInit的首地址放置到了这个.initcall7.init的section中

内核初始化的内存图:
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其中__init用来标示的是初始化函数,在初始化后不会再调用,__initdata是初始化数据,__initparam是初始化参数,其他7个初始化宏就是初始化函数会用到的,初始化的时候按
照.initcall1.init->.initcall7.init的顺序初始化。do_basic_setup执行.initcall1.init->.initcall7.init的顺序初始化。
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4总结

1)在系统启动时,DeviceManagerInit通过late_initcall先启动。
2) Device Manager 根据 Device Information 信息,解析配置文件中的 Host 列表,根据 Host 列表中的信息来实例化对应的 Host 对象。
3)Host遍历设备列表去获取与之匹配的驱动程序名称,然后基于驱动程序名称遍历.hdf.driver section 获得驱动程序地址。
4)设备与驱动匹配成功之后,获取指定驱动的入口地址,加载对应的设备驱动程序。
5)调用指定驱动的 Bind 接口,用于关联设备和服务实例。
6)调用指定驱动的 Init 接口,用于完成驱动的相关初始化工作。
7)如果驱动被卸载或者因为硬件等原因 Init 接口返回失败,Release 将被调用,用于释放驱动申请的各类资源。

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红叶亦知秋
红叶亦知秋

OpenHarmony的HDF驱动框架确实强大,感谢作者整理分享。

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2022-4-18 16:08:47
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