【OpenHarmony技術(shù)峰會(huì)】生態(tài)與互聯(lián)分論壇 | 梁開祝：OpenHarmony驅(qū)動(dòng)開發(fā)實(shí)踐

在2月25日剛剛圓滿閉幕的首屆開放原子開源基金會(huì)OpenHarmony技術(shù)峰會(huì)（2023）生態(tài)與互聯(lián)分論壇上，潤和軟件旗下子公司江蘇潤開鴻數(shù)字科技有限公司（簡稱：潤開鴻）資深軟件開發(fā)工程師梁開祝發(fā)表了題為《OpenHarmony的驅(qū)動(dòng)框架原理和實(shí)踐》的主題演講，從實(shí)踐角度重點(diǎn)講解了OpenHarmony驅(qū)動(dòng)框架的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和“一次開發(fā)，多系統(tǒng)部署”的驅(qū)動(dòng)開發(fā)實(shí)踐，幫助OpenHarmony設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)者深入理解驅(qū)動(dòng)框架工作流程和工作細(xì)節(jié)。

技術(shù)背景

OpenHarmony引入全新驅(qū)動(dòng)開發(fā)理念和框架

OpenHarmony是一個(gè)面向萬物互聯(lián)/萬物智聯(lián)大場(chǎng)景的分布式操作系統(tǒng)，它面對(duì)的是硬件性能和功能需求千差萬別的設(shè)備，比如智能手環(huán)與手機(jī)之間的硬件差異。為了統(tǒng)一適配能力差別巨大的設(shè)備，OpenHarmony設(shè)計(jì)了一個(gè)多內(nèi)核的架構(gòu)，能力弱的設(shè)備選用簡單的內(nèi)核（如LiteOS）、能力強(qiáng)的設(shè)備選用復(fù)雜的內(nèi)核（如Linux），這意味著生態(tài)圈中的硬件產(chǎn)品在系統(tǒng)內(nèi)核層面上就存在巨大的差異。然而這些產(chǎn)品很有可能會(huì)用到相近甚至相同的外圍硬件，比如，家里的智能門禁系統(tǒng)、智能電視、平板電腦、手機(jī)上所使用的攝像頭模組都可能是同一個(gè)型號(hào)或同系列的，而在設(shè)備端運(yùn)行不同內(nèi)核的操作系統(tǒng)，就需要為不同內(nèi)核開發(fā)各自的驅(qū)動(dòng)程序，這會(huì)造成驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)用性、可移植性、可維護(hù)性較差，不利于產(chǎn)品開發(fā)和維護(hù)，也不利于硬件生態(tài)圈的成長。

作為一個(gè)全新的操作系統(tǒng)，OpenHarmony必須要開發(fā)一套更優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)開發(fā)框架，幫助開發(fā)者、企業(yè)更便捷地開發(fā)和管理硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，助力打造自己的硬件生態(tài)。OpenHarmony的驅(qū)動(dòng)框架，采用C語言面向?qū)ο?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程模型構(gòu)建，通過平臺(tái)解耦、內(nèi)核解耦，來達(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)一次開發(fā)，多系統(tǒng)部署的效果。

OpenHarmony的內(nèi)核子系統(tǒng)（多內(nèi)核）與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)（統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)框架）是松耦合的關(guān)系，僅通過一個(gè)OSAL（Operating System Abstraction Layer，操作系統(tǒng)抽象層）進(jìn)行交互。OSAL只為驅(qū)動(dòng)框架提供內(nèi)核部分關(guān)鍵能力的抽象接口，而隱藏了接口在不同內(nèi)核中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。驅(qū)動(dòng)框架通過OSAL來適配不同的內(nèi)核，而具體的設(shè)備則完全基于驅(qū)動(dòng)框架提供的能力來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序并通過HDI（Hardware Driver Interface，硬件驅(qū)動(dòng)接口）對(duì)上層提供驅(qū)動(dòng)服務(wù)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)完全不需要知道（也不會(huì)知道）自己運(yùn)行在什么樣的內(nèi)核之上。

技術(shù)干貨

OpenHarmony中的驅(qū)動(dòng)框架實(shí)現(xiàn)詳解

代碼結(jié)構(gòu)

圖為OpenHarmony的驅(qū)動(dòng)框架以及與驅(qū)動(dòng)開發(fā)相關(guān)代碼部署。驅(qū)動(dòng)框架主要在//drivers/hdf_core/目錄下實(shí)現(xiàn)。

lframework/目錄是C語言實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)框架核心源代碼（包括驅(qū)動(dòng)框架、配置管理、配置解析、驅(qū)動(dòng)通用模型、硬件通用平臺(tái)能力接口等），

注意點(diǎn)：這里的部分代碼是內(nèi)核態(tài)驅(qū)動(dòng)框架與用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)框架共用的，需要大家在閱讀代碼時(shí)區(qū)分清楚；

l adapter/目錄下是驅(qū)動(dòng)框架適配不同內(nèi)核的適配代碼和編譯腳本，也包括用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)框架適配不同系統(tǒng)類型（輕量系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)）的適配代碼和編譯腳本。

l //drivers/peripheral/目錄下是部署在OpenHarmony用戶空間的各種外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)相關(guān)的HDI、HAL、驅(qū)動(dòng)模型及測(cè)試用例等的實(shí)現(xiàn)代碼和編譯配置。

l //drivers/interface/目錄下是用于管理各驅(qū)動(dòng)模塊的HDI接口定義，這些接口定義使用IDL語言描述并以.idl文件形式保存。

l 其他與驅(qū)動(dòng)開發(fā)相關(guān)的代碼目錄還包括//device/目錄和//vendor/目錄下的相關(guān)部分目錄，它們是具體的芯片方案、產(chǎn)品方案、產(chǎn)品定義、產(chǎn)品配置等相關(guān)信息和適配代碼的匯總，為設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)提供一定的支持。

編譯與鏈接

驅(qū)動(dòng)框架適配不同內(nèi)核的編譯配置，在代碼結(jié)構(gòu)的//drivers/hdf_core/adapter/目錄下，主要還是通過對(duì)應(yīng)的BUILD.gn和Makefile文件將相關(guān)的源代碼進(jìn)行串聯(lián)和依賴，以完成驅(qū)動(dòng)框架整體的編譯與鏈接。

對(duì)于不同的內(nèi)核，則在對(duì)應(yīng)內(nèi)核的編譯腳本中加入編譯驅(qū)動(dòng)框架的入口和鏈接描述。

圖中代碼示例是在LiteOS_A內(nèi)核的編譯腳本中include驅(qū)動(dòng)框架的編譯入口，同時(shí)也在鏈接腳本中加入一個(gè)hdf.driver的只讀數(shù)據(jù)段，用以描述驅(qū)動(dòng)框架專用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖中代碼示例是在Linux內(nèi)核的編譯腳本中，將驅(qū)動(dòng)框架的關(guān)鍵代碼以patch的形式打入Linux源代碼中（實(shí)際仍是代碼目錄的軟鏈接形式加入Linux內(nèi)核中），同時(shí)也在鏈接腳本vmlinux.lds.S中加入一個(gè)hdf.driver的只讀數(shù)據(jù)段，用以描述驅(qū)動(dòng)框架專用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)編譯到OpenHarmony內(nèi)核時(shí)，編譯工具鏈通過上述腳本的描述一并將驅(qū)動(dòng)框架編譯成中間文件，然后鏈接和打包到內(nèi)核鏡像中使用。

內(nèi)核態(tài)驅(qū)動(dòng)框架及用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)框架啟動(dòng)流程

內(nèi)核態(tài)驅(qū)動(dòng)框架的啟動(dòng)流程

如圖所示，部署在內(nèi)核態(tài)的驅(qū)動(dòng)框架作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，要么因?yàn)閮?nèi)核（LiteOS_A內(nèi)核）的其他模塊的直接調(diào)用而啟動(dòng)，要么作為內(nèi)核（Linux內(nèi)核）的一個(gè)模塊（module）而自動(dòng)加載和啟動(dòng)。在進(jìn)入驅(qū)動(dòng)框架的啟動(dòng)入口之后，驅(qū)動(dòng)框架就會(huì)進(jìn)入一個(gè)與內(nèi)核無關(guān)的工作流程中（與內(nèi)核相關(guān)部分會(huì)通過OSAL接口對(duì)接到內(nèi)核提供的功能）。

用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)框架的啟動(dòng)流程

如圖所示，部署在用戶態(tài)的驅(qū)動(dòng)框架則分為若干個(gè)獨(dú)立的服務(wù)進(jìn)程，在系統(tǒng)啟動(dòng)到用戶態(tài)階段時(shí)，由Init進(jìn)程根據(jù)啟動(dòng)配置文件的描述逐一拉起，各進(jìn)程之間通過IPC進(jìn)行交互并逐步建立起各自的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系。

以上兩張示意圖均為以功能模塊劃分的啟動(dòng)流程概略圖，梁開祝老師在閱讀理解OpenHarmony驅(qū)動(dòng)框架的代碼時(shí)，以API為粒度整理了一份詳細(xì)的啟動(dòng)流程圖，以及在驅(qū)動(dòng)框架啟動(dòng)過程中一步步建立起來的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖，感興趣的讀者可到資源倉庫下載、閱讀。

用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的交互

內(nèi)核態(tài)的驅(qū)動(dòng)框架與用戶態(tài)的驅(qū)動(dòng)框架是各自獨(dú)立的兩部分，內(nèi)核態(tài)驅(qū)動(dòng)框架直接管理具體硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，并以服務(wù)的形式向用戶態(tài)提供服務(wù)接口，而用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)框架則通過HDI接口使用內(nèi)核態(tài)驅(qū)動(dòng)框架提供的驅(qū)動(dòng)服務(wù)。

HDI接口使用IO Service和IO Dispatcher機(jī)制為驅(qū)動(dòng)框架提供進(jìn)行統(tǒng)一的交互接口，其實(shí)現(xiàn)主要有兩種形式：

l 當(dāng)驅(qū)動(dòng)以內(nèi)核態(tài)組件形式部署時(shí)，客戶端程序需要通過系統(tǒng)調(diào)用（system call）方式訪問驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)接口通過IO Service請(qǐng)求將消息通過系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核，并將消息分發(fā)到IO Dispatcher進(jìn)行處理。

l 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)程需要通過IPC方式訪問驅(qū)動(dòng)服務(wù)進(jìn)程，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IPC送達(dá)服務(wù)端再分發(fā)給IO Dispatcher處理。

注意點(diǎn)：該交互過程涉及比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理流程，需要結(jié)合代碼進(jìn)行深入理解。

通用的驅(qū)動(dòng)示例程序

以一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)示例程序來簡單驗(yàn)證基于OpenHarmony驅(qū)動(dòng)框架的設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)基本要點(diǎn)。

本驅(qū)動(dòng)示例程序，包含了驅(qū)動(dòng)框架的一些基本要素，如上層的應(yīng)用程序、內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)程序、硬件的驅(qū)動(dòng)配置信息、適配不同內(nèi)核和不同類型系統(tǒng)的編譯腳本等。小伙伴們可以跟著里面的README文檔的操作說明，從簡單到復(fù)雜一步步去驗(yàn)證前文提到的驅(qū)動(dòng)框架知識(shí)要點(diǎn)，也可以非常方便地將這個(gè)示例程序移植到不同的開發(fā)板上進(jìn)行驗(yàn)證，以此體驗(yàn)OpenHarmony驅(qū)動(dòng)框架“一次開發(fā)，多系統(tǒng)部署”的好處。

“以技術(shù)賦能開源共建，持續(xù)發(fā)揮生態(tài)引領(lǐng)作用”。潤和軟件將深入貫徹“2+N”行業(yè)戰(zhàn)略（深耕金融、能源“2”大行業(yè)，廣泛賦能智慧城市、醫(yī)療、教育、工業(yè)等“N”個(gè)行業(yè)），圍繞行業(yè)場(chǎng)景落地不斷夯實(shí)軟硬件底座，推動(dòng)應(yīng)用創(chuàng)新，助力體驗(yàn)提升；吸引更多企業(yè)及個(gè)人開發(fā)者融入生態(tài)、參與共建，持續(xù)為OpenHarmony繁榮發(fā)展貢獻(xiàn)力量。