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[文章]HDC2021技术分论坛：OpenHarmony驱动框架解读和开发实践

KK
2021-11-03 11:32:35
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OpenHarmony
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在IoT时代下，终端设备差异较大、形态各异、尺寸各异、交互方式各异，解决设备适配问题无疑是实现万物互联的一个关键。但是，在驱动框架的开发和部署过程中，由于终端设备对硬件的计算和存储能力的需求不同、设备厂商提供的设备软硬件操作接口不同、内核提供的操作接口不同，这就使得OEM厂商部署系统的时候需要投入大量的精力来适配和维护驱动代码。

能否提供了一个跨芯片平台、跨内核的驱动框架，使得设备驱动软件可以在不同的设备上运行？OpenHarmony作为一个自主研发、全新技术生态的全领域下一代开源操作系统，提供了一套驱动框架来满足此诉求。

下面我们将带着大家解读OpenHarmony驱动框架。

一、OpenHarmony驱动框架解读

1. 设计目标
为解决在开发和部署过程中遇到的困难，OpenHarmony驱动框架设计目标如下：
  • 支持百K级~G级容量的设备部署，如手机、手环等
  • 提供统一硬件IO抽象，屏蔽SoC芯片差异，兼容不同内核，如Linux、LiteOS等。
  • 屏蔽驱动和系统组件间交互。可动态拆解，满足不同容量设备的部署。
  • 面向不同容量的设备，提供统一的配置界面。

2. 设计思路
OpenHarmony驱动框架（下面简称为HDF）通过提供驱动与芯片平台、内核解耦的底座，规范硬件驱动接口，实现驱动软件在不同设备中部署。
HDF驱动框架架构如下图所示。

3.jpg

图1 驱动架构

为了达成设计目标，OpenHarmony驱动框架采用如下核心设计思路：

（1）弹性化架构
  • 框架可动态伸缩：通过对象管理器，多态加载不同容量设备实现方式，实现弹性伸缩部署。
  • 驱动可动态伸缩：支持统一的设备驱动插件管理，实现设备驱动任意分层，积木式组合拼接

（2）组件化设备模型
  • 提供设备功能模型抽象，屏蔽设备驱动与系统交互的实现，为开发者提供统一的驱动开发接口
  • 提供主流IC的公版驱动能力，支持配置化部署

（3）归一化平台底座
提供规范化的内核、SoC硬件IO适配接口，兼容不同内核、SoC芯片，对外开发规范化的平台驱动接口
（4）统一配置界面

构建全新的配置语言，面向不同容量的设备，提供统一配置界面，支持硬件资源配置和设备信息配置

3. 构建策略
面向Liteos的轻量级设备，主要基于HDF构建主流IC驱动，形成公版驱动和通用设备功能模型，支撑不同硬件芯片、不同内核(LiteOS-M/LiteOS-A)部署。

4.jpg

图2 轻量级设备部署模式

面向标准设备，除了支持内核态驱动，还支持用户态驱动。用户态驱动的重点在于构建设备抽象模型，为系统提供统一的设备接口，兼容Linux原生驱动和HDF驱动。内核态则使用Linux驱动与HDF驱动并存的策略，提供端到端的解决方案。

5.jpg

图3 标准设备部署模式

4. 现状与演进
目前HDF驱动框架已经支持Liteos-m、Liteos-a、Linux内核，以及OpenHarmony轻量级、标准级上部署，并且在标准系统上同时支持内核态与用户态部署。

6.jpg

图4 OpenHarmony驱动框架演进图

经过开发者的不断努力，OpenHarmony驱动框架正在不断完善和增强，在OpenHarmony LTS3.0中，基础框架新增了对热插拔设备的管理以及HDI编译工具hdi-gen，驱动模型部分新增了Audio、Camera、Senso、USB DDK等多个模块的支持。

二、OpenHarmony驱动开发

OpenHarmony驱动为了避免与具体内核产生依赖，实现可迁移目标，开发时需要遵循以下约定：
  • 系统相关接口使用HDF OSAL接口；
  • 总线和硬件资源相关接口使用平台驱动提供的相关接口。

基于HDF框架，驱动开发的通常流程包含驱动代码的实现、编译脚本、配置文件添加、以及用户态程序和驱动交互的流程。下面将详细介绍HDF驱动开发一般步骤。

1. 实现驱动代码
在HDF驱动框架中，HdfDriverEntry对象被用来描述一个驱动实现。
  1. struct HdfDriverEntry {
  2.     int32_t moduleVersion;
  3.     const char *moduleName;
  4.     int32_t (*Bind)(struct HdfDeviceObject *deviceObject);
  5.     int32_t (*Init)(struct HdfDeviceObject *deviceObject);
  6.     void (*Release)(struct HdfDeviceObject *deviceObject);
  7. };
复制代码

编写一个简单的驱动，首先需要实现驱动程序(Driver Entry）入口中的三个主要接口：
  • Bind接口：实现驱动接口实例化绑定，如果需要发布驱动接口，会在驱动加载过程中被调用，实例化该接口的驱动服务并和DeviceObject绑定。当用户态发起调用时，Bind中绑定的服务对象的Dispatch方法将被回调，在该方法中处理用户态调用的消息。
  • Init接口：实现驱动或者硬件的初始化，返回错误将中止驱动加载流程。
  • Release接口：实现驱动的卸载，在该接口中释放驱动实例的软硬件资源。

一个基于HDF框架编写的简单驱动代码如下，其功能是用户态消息回环，即驱动收到用户态发送的消息后将相同内容的消息再发送给用户态：
  1. #include "hdf_base.h"
  2. #include "hdf_device_desc.h"
  3. #include "hdf_log.h"
  4. #define HDF_LOG_TAG "sample_driver"
  5. #define SAMPLE_WRITE_READ 0xFF00
  6. static int EchoString(struct HdfDeviceObject *deviceObject, struct HdfSBuf *data, struct HdfSBuf *reply)
  7. {
  8.     const char *readData = HdfSbufReadString(data);
  9.     if (readData == NULL) {
  10.         HDF_LOGE("%s: failed to read data", __func__);
  11.         return HDF_ERR_INVALID_PARAM;
  12.     }
  13.     if (!HdfSbufWriteInt32(reply, INT32_MAX)) {
  14.         HDF_LOGE("%s: failed to reply int32", __func__);
  15.         return HDF_FAILURE;
  16.     }
  17.     return HdfDeviceSendEvent(deviceObject, id, data); // 发送事件到用户态
  18. }
  19. int32_t HdfSampleDriverDispatch(struct HdfDeviceObject *deviceObject, int id, struct HdfSBuf *data, struct HdfSBuf *reply)
  20. {
  21.     const char *readData = NULL;
  22.     int ret = HDF_SUCCESS;
  23.     switch (id) {
  24.         switch SAMPLE_WRITE_READ:
  25.             ret = EchoString(deviceObject, data, reply);
  26.             break;
  27.         default:
  28.             HDF_LOGE("%s: unsupported command");
  29.             ret = HDF_ERR_INVALID_PARAM;
  30.     }
  31.     return ret;
  32. }
  33. void HdfSampleDriverRelease(struct HdfDeviceObject *deviceObject)
  34. {
  35.     // 在这里释放驱动申请的软硬件资源
  36.     return;
  37. }
  38. int HdfSampleDriverBind(struct HdfDeviceObject *deviceObject)
  39. {
  40.     if (deviceObject == NULL) {
  41.         return HDF_FAILURE
  42.     }
  43.     static struct IDeviceIoService testService = {
  44.         .Dispatch = HdfSampleDriverDispatch,
  45.     };
  46.     deviceObject->service = &testService;
  47.     return HDF_SUCCESS;
  48. }
  49. int HdfSampleDriverInit(struct HdfDeviceObject *deviceObject)
  50. {
  51.     if (deviceObject == NULL) {
  52.         HDF_LOGE("%s::ptr is null!", __func__);
  53.         return HDF_FAILURE;
  54.     }
  55.     HDF_LOGE("Sample driver Init success");
  56.     return HDF_SUCCESS;
  57. }
  58. struct HdfDriverEntry g_sampleDriverEntry = {
  59.     .moduleVersion = 1,
  60.     .moduleName = "sample_driver",
  61.     .Bind = HdfSampleDriverBind,
  62.     .Init = HdfSampleDriverInit,
  63.     .Release = HdfSampleDriverRelease,
  64. };
  65. HDF_INIT(g_sampleDriverEntry);
复制代码

2. 配置设备信息
在HDF框架的配置文件（例如vendor/hisilicon/xxx/config/device_info.hcs）中添加该驱动的配置信息，配置目录与具体开发板关联，如下所示：
  1. root {
  2.     device_info {
  3.         match_attr = "hdf_manager";
  4.         template host {
  5.             hostName = "";
  6.             priority = 100;
  7.             template device {
  8.                 template deviceNode {
  9.                     policy = 0;
  10.                     priority = 100;
  11.                     preload = 0;
  12.                     permission = 0664;
  13.                     moduleName = "";
  14.                     serviceName = "";
  15.                     deviceMatchAttr = "";
  16.                 }
  17.             }
  18.         }
  19.        sample_host :: host{
  20.             hostName = "host0";    // host名称，host节点是用来存放某一类驱动的容器
  21.             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
  22.             device_sample :: device {        // sample设备节点
  23.                 device0 :: deviceNode {      // sample驱动的DeviceNode节点
  24.                     policy = 1;              // policy字段是驱动服务发布的策略，在驱动服务管理章节有详细介绍
  25.                     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
  26.                     preload = 0;             // 驱动加载策略，参考《5.2 HDF驱动框架章节》
  27.                     permission = 0664;       // 驱动创建设备节点权限
  28.                     moduleName = "sample_driver";   // 驱动名称，该字段的值必须和驱动入口结构体的moduleName值一致
  29.                     serviceName = "sample_service";    // 驱动对外发布服务的名称，必须唯一
  30.                     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
  31.                 }
  32.             }
  33.         }
  34.     }
  35. }
复制代码

定义设备列表时使用了HCS的模板语法，template host节点下的内容由HDF框架定义，新增host以及host中的device只需要继承该模板并填充具体内容即可。

在配置中定义的device将在加载过程中产生一个设备实例，配置中通过moduleName字段指定设备对应的驱动名称，从而将设备与驱动关联起来。其中，设备与驱动可以是一对多的关系，即可以实现一个驱动支持多个同类型设备。

3. 用户态程序与驱动交互
用户态程序和驱动交互基于HDF IoService模型实现，该设计屏蔽了具体内核的差异，将驱动接口抽象为IoService对象，调用者基于名称获取该对象，并可以使用IoService系列接口进行接口调用和事件监听。值得一提的是消息传递时使用了HDF Sbuf对象进行参数的序列化和反序列化，这样可以避免不受控的内存访问，也简化了消息传递和分发过程中的内存所有权问题，有利于提升用户态和内核态数据传递的安全性和便利性。HDF Sbuf相关接口可以参考HarmonyOS设备开发官网API Reference中头文件hdf_***uf.h部分。

基于HDF框架编写的用户态程序和驱动交互的代码如下：
  1. #include "hdf_log.h"
  2. #include "hdf_***uf.h"
  3. #include "hdf_io_service_if.h"
  4. #define HDF_LOG_TAG "sample_test"
  5. #define SAMPLE_SERVICE_NAME "sample_service"
  6. #define SAMPLE_WRITE_READ 0xFF00
  7. int g_replyFlag = 0;
  8. static int OnDevEventReceived(void *priv, uint32_t id, struct HdfSBuf *data)
  9. {
  10.     const char *string = HdfSbufReadString(data);
  11.     int ret = HDF_SUCCESS;
  12.     if (string == NULL) {
  13.         HDF_LOGE("failed to read string in event data");
  14.         ret = HDF_FAILURE;
  15.     } else {
  16.         HDF_LOGE("%s", string);
  17.     }
  18.     g_replyFlag = 1;
  19.     return ret;
  20. }
  21. static int SendEvent(struct HdfIoService *serv, char *eventData)
  22. {
  23.     int ret = 0;
  24.     struct HdfSBuf *data = HdfSBufObtainDefaultSize(); // 申请需要发送的序列化对象
  25.     if (data == NULL) {
  26.         HDF_LOGE("failed to obtain ***uf data");
  27.         return 1;
  28.     }
  29.     struct HdfSBuf *reply = HdfSBufObtainDefaultSize(); // 申请返回数据的序列化对象
  30.     if (reply == NULL) {
  31.         HDF_LOGE("failed to obtain ***uf reply");
  32.         ret = HDF_DEV_ERR_NO_MEMORY;
  33.         goto out;
  34.     }
  35.     if (!HdfSbufWriteString(data, eventData)) { // 准备消息内容
  36.         HDF_LOGE("failed to write ***uf");
  37.         ret = HDF_FAILURE;
  38.         goto out;
  39.     }
  40.     ret = serv->dispatcher->Dispatch(&serv->object, SAMPLE_WRITE_READ, data, reply); // 发起接口调用
  41.     if (ret != HDF_SUCCESS) {
  42.         HDF_LOGE("failed to send service call");
  43.         goto out;
  44.     }
  45.     int replyData = 0;
  46.     if (!HdfSbufReadInt32(reply, &replyData)) { // 反序列化返回数据
  47.         HDF_LOGE("failed to get service call reply");
  48.         ret = HDF_ERR_INVALID_OBJECT;
  49.         goto out;
  50.     }
  51.     HDF_LOGE("Get reply is: %d", replyData);
  52. out:
  53.     HdfSBufRecycle(data);
  54.     HdfSBufRecycle(reply);
  55.     return ret;
  56. }
  57. int main()
  58. {
  59.     struct HdfIoService *serv = HdfIoServiceBind(SAMPLE_SERVICE_NAME); // 通过名称获取IoService对象，与驱动配置中的名称一致
  60.     if (serv == NULL) {
  61.         HDF_LOGE("failed to get service %s", SAMPLE_SERVICE_NAME);
  62.         return HDF_FAILURE;
  63.     }
  64.     static struct HdfDevEventlistener listener = { // 构造驱动事件监听器对象
  65.         .callBack = OnDevEventReceived, // 填充事件处理方法
  66.         .priv = NULL;
  67.     };
  68.     if (HdfDeviceRegisterEventListener(serv, &listener) != HDF_SUCCESS) {  // 注册事件监听
  69.         HDF_LOGE("failed to register event listener");
  70.         return HDF_FAILURE;
  71.     }
  72.     if (SendEvent(serv, "Hello World, HDF Driver!")) { // 调用驱动接口，样例驱动收到事件
  73.         HDF_LOGE("failed to send event");
  74.         return HDF_FAILURE;
  75.     }
  76.     while (g_replyFlag == 0) { // 等待驱动上报事件
  77.         sleep(1);
  78.     }
  79.     HdfDeviceUnregisterEventListener(serv, &listener)); // 去注册事件监听器
  80.     HdfIoServiceRecycle(serv); // 回收IoService对象
  81.     return 0;
  82. }
复制代码

该示例执行后会在终端中打印出"Hello World, HDF Driver!"字符串，表明我们的用户态测试程序和驱动成功地进行了一次交互。

三、使用DevEco Device Tool进行驱动开发

上一小节介绍了OpenHarmony驱动的一般开发方法，那么有没有更简单的方法添加一款驱动呢？答案就是华为南向开发IDE——DevEco Device Tool。DevEco Device Tool最新版本已经集成了HDF驱动开发功能，下面介绍如何使用DevEco Device Tool进行驱动开发。

DevEco Device Tool下载链接：https://device.harmonyos.com/cn/develop/ide#download_release。

1. 创建驱动
（1）导入工程
参考DevEco Device Tool手册，通过npm或网络下载的方式导入OHOS工程。

7.jpg

图5 DevEco Device Tool启动界面

（2）使用HDF页面工具创建新驱动，按照需求填写Module名称，工具将根据Module名称创建对应驱动代码与。

8.jpg

图6 Device Eco Tool HDF插件界面

DevEco Device Tool将自动生成驱动实现代码：

9.jpg

图7 Device Eco Tool 生成驱动代码

为源码文件自动生成编译脚本：

10.jpg

图8 Device Eco Tool 生成驱动编译脚本

DevEco Device Tool还会在对应单板的驱动配置中生成驱动设备配置信息：

11.jpg

图9 Device Eco Tool 生成驱动配置信息

2. 修改驱动
12.jpg

图10 Device Eco Tool驱动快速编辑界面

DevEco Device Tool提供了快捷方式直达源码、编译脚本、配置文件，点击链接修改相关文件，实现驱动功能。DevEco Device Tool自动生成代码已经提供了DriverEntry的基础实现，只需填充对应函数的实际功能即可。

3. 编译版本
使用DevEco Device Tool build功能一键编译版本，编译输出显示在终端窗口：

13.jpg

图11 Device Eco Tool编译界面

4. 烧录验证
DevEco Device Tool提供了一站式的烧录、调试环境。使用upload功能将编译好的镜像烧录进开发板。

14.jpg

图12 Device Eco Tool烧写功能界面

烧录过程和进度显示在终端窗口

16.jpg

图13 Device Eco Tool烧写输出

四、总结
除了在此次HDC大会与大家分享驱动框架的设计和最新进展，开放原子基金会还在OpenHarmony公众号、gitee社区等渠道发布了一系列技术分享、指导文档等资料，欢迎大家关注并一起建设OpenHarmony驱动生态。

作者：yuanbo，华为高级工程师

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