淺析HarmonyOS驅(qū)動(dòng)加載過(guò)程

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HarmonyOS驅(qū)動(dòng)概述

HarmonyOS驅(qū)動(dòng)框架采用C語(yǔ)言面向?qū)ο?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程模型構(gòu)建，通過(guò)平臺(tái)解耦、內(nèi)核解耦，來(lái)達(dá)到兼容不同內(nèi)核，統(tǒng)一平臺(tái)底座的目的，從而幫助開發(fā)者實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的“一次開發(fā)、多系統(tǒng)部署”。 為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo)， HarmonyOS驅(qū)動(dòng)框架提供了：1. 操作系統(tǒng)適配層（OSAL，operating system abstraction layer）：提供內(nèi)核操作相關(guān)接口進(jìn)行統(tǒng)一封裝，屏蔽不同系統(tǒng)操作接口。

2.平臺(tái)驅(qū)動(dòng)接口：提供Board部分驅(qū)動(dòng)（例如：I2C/SPI/UART總線等平臺(tái)資源）支持，同時(shí)對(duì)Board硬件操作接口進(jìn)行統(tǒng)一的適配抽象，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(dòng)支持。

3.驅(qū)動(dòng)模型：面向器件驅(qū)動(dòng)，提供常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)抽象模型，主要達(dá)成兩個(gè)目的：

1）提供標(biāo)準(zhǔn)化的器件驅(qū)動(dòng)，開發(fā)者無(wú)需獨(dú)立開發(fā)，通過(guò)配置即可完成驅(qū)動(dòng)的部署。

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

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化HarmonyOS驅(qū)動(dòng)開發(fā)，HarmonyOS驅(qū)動(dòng)框架支持多種驅(qū)動(dòng)加載方式：

1.支持驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)加載和靜態(tài)加載，解除驅(qū)動(dòng)代碼和框架間的直接代碼依賴，使得驅(qū)動(dòng)程序可以獨(dú)立編譯和部署；

2.支持按需動(dòng)態(tài)加載方式，避免設(shè)備驅(qū)動(dòng)全量加載，可有效降低系統(tǒng)資源的占用。 本文主要分析HarmonyOS驅(qū)動(dòng)加載過(guò)程，在正式介紹之前，首先了解HarmonyOS驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的組成、工作原理和機(jī)制，從而了解驅(qū)動(dòng)加載的細(xì)節(jié)。

●官網(wǎng)相關(guān)介紹：

https://device.harmonyos.com/cn/docs/develop/drive/oem_drive_hdfdev-0000001051715456

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HarmonyOS驅(qū)動(dòng)架構(gòu)介紹

2.1 HarmonyOS驅(qū)動(dòng)架構(gòu)組成

圖1 HarmonyOS驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

HarmonyOS驅(qū)動(dòng)架構(gòu)主要由HDF驅(qū)動(dòng)框架、驅(qū)動(dòng)程序、驅(qū)動(dòng)配置文件和驅(qū)動(dòng)接口四個(gè)部分組成。

1）HDF驅(qū)動(dòng)框架提供統(tǒng)一的硬件資源管理，驅(qū)動(dòng)加載管理以及設(shè)備節(jié)點(diǎn)管理等功能。驅(qū)動(dòng)框架采用的是主從模式設(shè)計(jì)，由Device Manager和Device Host組成。

Device Manager提供了統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)管理，Device Manager啟動(dòng)時(shí)根據(jù)Device Information提供驅(qū)動(dòng)設(shè)備信息加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)Device Host，并控制Host完成驅(qū)動(dòng)的加載。

Device Host提供驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的環(huán)境，同時(shí)預(yù)置Host Framework與Device Manager進(jìn)行協(xié)同，完成驅(qū)動(dòng)加載和調(diào)用。根據(jù)業(yè)務(wù)的需求Device Host可以有多個(gè)實(shí)例。

說(shuō)明

◆ Device Host顧名思義就是驅(qū)動(dòng)宿主，提供驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的環(huán)境。

◆ 當(dāng)驅(qū)動(dòng)部署在用戶態(tài)時(shí)，Device Host可以由獨(dú)立的進(jìn)程進(jìn)行承載。

◆ 當(dāng)驅(qū)動(dòng)在部署在內(nèi)核態(tài)時(shí)，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(dòng)程序是部署在一個(gè)Device Host還是部署在不同的Device Host，主要考慮驅(qū)動(dòng)程序之間是否存在業(yè)務(wù)耦合性，如果兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序之間存在依賴，可以考慮將這部分驅(qū)動(dòng)程序部署在統(tǒng)一Host。

2）驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)的具體功能，每個(gè)驅(qū)動(dòng)由一個(gè)或者多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序組成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都對(duì)應(yīng)著一個(gè)Driver Entry。Driver Entry主要完成驅(qū)動(dòng)的初始化和驅(qū)動(dòng)接口綁定功能。

3）驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)接口HDI（Hardware Driver interface）提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口定義和實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)框架提供IO Service和IO Dispatcher機(jī)制，使得不同部署形態(tài)下驅(qū)動(dòng)接口趨于形式一致。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)部署在RTOS（Real-Time Operating System）輕量化操作系統(tǒng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)接口和驅(qū)動(dòng)程序之間采用的是Function Call方式調(diào)用，因此驅(qū)動(dòng)接口僅提供定義，驅(qū)動(dòng)接口實(shí)現(xiàn)由驅(qū)動(dòng)程序提供。

2.2 HDF驅(qū)動(dòng)框架工作原理

圖2 HDF驅(qū)動(dòng)框架工作原理

Device Manager提供了統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)加載管理機(jī)制和驅(qū)動(dòng)接口發(fā)布機(jī)制。當(dāng)Device Host環(huán)境加載完成時(shí)，Device Manager根據(jù)Device Information信息，請(qǐng)求Host加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，Device Host在收到請(qǐng)求時(shí)，進(jìn)行以下操作：

1）根據(jù)請(qǐng)求加載設(shè)備信息，查找并加載指定路徑下驅(qū)動(dòng)鏡像或從指定段地址（section）查找驅(qū)動(dòng)程序入口；

2）查找驅(qū)動(dòng)設(shè)備描述符，匹配對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)；

3）當(dāng)驅(qū)動(dòng)匹配成功時(shí)，加載指定驅(qū)動(dòng)程序鏡像；

4）Host Framework在驅(qū)動(dòng)鏡像加載成功后，調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序（Driver Entry）的綁定接口和初始化接口，實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序的服務(wù)對(duì)象綁定，同時(shí)初始化設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；

5）當(dāng)Device Information的配置中的服務(wù)策略要求對(duì)外暴露驅(qū)動(dòng)接口時(shí)，驅(qū)動(dòng)框架就將驅(qū)動(dòng)程序的服務(wù)對(duì)象添加到對(duì)外發(fā)布的服務(wù)對(duì)象列表中，外部客戶端程序就可以通過(guò)此列表來(lái)查詢并訪問(wèn)相應(yīng)的服務(wù)接口。

2.3 驅(qū)動(dòng)接口工作機(jī)制

圖3 驅(qū)動(dòng)接口工作機(jī)制

驅(qū)動(dòng)接口主要存在以下幾種實(shí)現(xiàn)：

?當(dāng)驅(qū)動(dòng)以內(nèi)核組件部署時(shí)，客戶端程序訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序需要通過(guò)system call方式調(diào)用，驅(qū)動(dòng)接口通過(guò)IO Service請(qǐng)求將消息通過(guò)system call方式調(diào)用到內(nèi)核，并將消息分發(fā)到IO Dispatcher處理。

?當(dāng)驅(qū)動(dòng)以用戶態(tài)服務(wù)形式部署時(shí)，客戶端進(jìn)程訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)進(jìn)程需要通過(guò)IPC方式通信，IO Service完成IPC通信的客戶端消息請(qǐng)求封裝，IO Dispatcher完成驅(qū)動(dòng)服務(wù)端消息請(qǐng)求封裝，客戶端消息通過(guò)IPC通信到達(dá)服務(wù)端并分發(fā)給IO Dispatcher處理。

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

驅(qū)動(dòng)接口實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一采用遠(yuǎn)程調(diào)用方式，客戶端驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)將請(qǐng)求序列化成內(nèi)存數(shù)據(jù)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(qǐng)求消息時(shí)通過(guò)IO Dispatcher機(jī)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(qǐng)求。這樣做的好處是，開發(fā)者只需重點(diǎn)關(guān)注接口的定義，無(wú)需過(guò)多關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)上接口適配。

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驅(qū)動(dòng)加載過(guò)程分析

HarmonyOS驅(qū)動(dòng)根據(jù)部署的不同方式，存在兩種驅(qū)動(dòng)加載方式：?動(dòng)態(tài)加載方式：采用傳統(tǒng)的so（共享庫(kù)） 加載方式，驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)指定Symbol找到驅(qū)動(dòng)函數(shù)入口進(jìn)行加載。?靜態(tài)加載方式：采用將驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)Scatter編譯方式，編譯到指定的Section，再通過(guò)訪問(wèn)指定Section對(duì)應(yīng)的地址，找到驅(qū)動(dòng)函數(shù)入口進(jìn)行加載。 下面結(jié)合一個(gè)Sample示例代碼，講解驅(qū)動(dòng)加載過(guò)程，重點(diǎn)分析靜態(tài)加載方式下內(nèi)核態(tài)驅(qū)動(dòng)加載過(guò)程。

3.1 實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序初始化接口

在HDF驅(qū)動(dòng)框架中，HdfDriverEntry對(duì)象被用來(lái)描述一個(gè)驅(qū)動(dòng)實(shí)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）;};

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編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)，首先需要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序（Driver Entry）入口中的三個(gè)主要接口：?Bind接口：實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)接口實(shí)例化綁定，如果需要發(fā)布驅(qū)動(dòng)接口，會(huì)在驅(qū)動(dòng)加載過(guò)程中被調(diào)用，實(shí)例化該接口的驅(qū)動(dòng)服務(wù)并和DeviceObject綁定。?Init接口：實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的初始化，返回錯(cuò)誤將中止驅(qū)動(dòng)加載流程。?Release接口：實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的卸載，在該接口中釋放驅(qū)動(dòng)實(shí)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）;

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3.2 導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)程序入口符號(hào)

實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序初始化后，需要將驅(qū)動(dòng)程序入口通過(guò)驅(qū)動(dòng)聲明宏導(dǎo)出，這樣驅(qū)動(dòng)框架才能在啟動(dòng)時(shí)識(shí)別到驅(qū)動(dòng)程序的存在，驅(qū)動(dòng)才能被加載：

#define HDF_INIT（module） HDF_DRIVER_INIT（module）

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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））

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下面是實(shí)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(gè)“驅(qū)動(dòng)模塊名+HdfEntry”的符號(hào)放到“.hdf.driver” 所在section，該符號(hào)指向的內(nèi)存地址即為驅(qū)動(dòng)程序入口結(jié)構(gòu)體的地址。這個(gè)特殊的section將用于開機(jī)啟動(dòng)時(shí)查找設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

3.3 添加設(shè)備配置

在設(shè)備對(duì)應(yīng)的device_info.hcs添加sample驅(qū)動(dòng)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”; } }}

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在配置中定義的device將在加載過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)設(shè)備實(shí)例，通過(guò)moduleName字段指定設(shè)備對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)名稱，從而將設(shè)備與驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)起來(lái)。其中，設(shè)備與驅(qū)動(dòng)可以是一對(duì)多的關(guān)系，即可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)驅(qū)動(dòng)支持多個(gè)同類型設(shè)備。

3.4 驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)過(guò)程

我們添加的驅(qū)動(dòng)是如何被執(zhí)行的呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)框架先啟動(dòng)，通過(guò)解析配置文件獲取到設(shè)備列表，通過(guò)讀取“.hdf.driver”段讀取到驅(qū)動(dòng)程序（Driver Entry）列表，然后遍歷設(shè)備列表與驅(qū)動(dòng)程序列表進(jìn)行匹配，并加載匹配成功的驅(qū)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)框架有兩大核心管理者：?DeviceManager：負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)管理設(shè)備發(fā)布的接口服務(wù)，提供接口服務(wù)的發(fā)布和查詢等功能。

驅(qū)動(dòng)加載主要由DeviceManager主導(dǎo)，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(lái)實(shí)例化對(duì)應(yīng)的Host對(duì)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(dòng)程序名稱，然后基于驅(qū)動(dòng)程序名稱遍歷前面提到的“.hdf.driver” section獲得驅(qū)動(dòng)程序地址。

下面介紹具體過(guò)程。

3.4.1 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(huì)變成二進(jìn)制格式的配置文件，其中設(shè)備相關(guān)信息被存放在一個(gè)用“hdf_manager”標(biāo)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(dòng)優(yōu)先級(jí)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(dòng)程序入口中的moduleName進(jìn)行匹配，從而為設(shè)備匹配到正確的驅(qū)動(dòng)程序。

3.4.2 獲取驅(qū)動(dòng)程序列表

圖6 驅(qū)動(dòng)程序（DriverEntry）內(nèi)存布局

HDF驅(qū)動(dòng)框架通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序入口符號(hào)的地址集中存放到一個(gè)特殊的section來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)的索引，這個(gè)section的開頭和末尾插入了_hdf_drivers_start、_hdf_drivers_end兩個(gè)特殊符號(hào)，用于標(biāo)記這個(gè)section的范圍，兩個(gè)特殊符號(hào)之間的數(shù)據(jù)即為驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)指針。

3.4.3 驅(qū)動(dòng)程序加載流程

圖7 HDF驅(qū)動(dòng)加載流程

Device Manager遍歷設(shè)備列表，當(dāng)查找到對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，為設(shè)備創(chuàng)建Device對(duì)象實(shí)例，如果設(shè)備配置中的policy字段為需要對(duì)外發(fā)布驅(qū)動(dòng)接口（SERVICE_POLICY_CAPACITY），那么驅(qū)動(dòng)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(shí)例。然后驅(qū)動(dòng)的Init接口將被調(diào)用，用于完成驅(qū)動(dòng)的相關(guān)初始化工作。如果驅(qū)動(dòng)被卸載或者因?yàn)橛布仍騃nit接口返回失敗，Release將被調(diào)用，用于釋放驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)的各類資源。

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總結(jié)

本次和大家分享了HarmonyOS驅(qū)動(dòng)的主要設(shè)計(jì)思想，重點(diǎn)分析了內(nèi)核態(tài)驅(qū)動(dòng)加載的過(guò)程，關(guān)于HarmonyOS驅(qū)動(dòng)其他內(nèi)容，后續(xù)會(huì)有更多技術(shù)文章向大家持續(xù)分享，敬請(qǐng)期待。

作者：chenfeng，yuanbo，華為驅(qū)動(dòng)工程師

編輯：jq