HDC2021技术分论坛：OpenHarmony驱动框架解读和开发实践 - HarmonyOS技术社区 - 电子技术论坛

2021-11-22 19:16:19

转自：OpenAtom OpenHarmony 作者：yuanbo，华为高级工程师

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。

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。

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。

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。

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。

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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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：

#include "hdf_base.h"
#include "hdf_device_desc.h"
#include "hdf_log.h"
#define HDF_LOG_TAG "sample_driver"
#define SAMPLE_WRITE_READ 0xFF00
static int EchoString(struct HdfDeviceObject *deviceObject, struct HdfSBuf *data, struct HdfSBuf *reply)
{
const char *readData = HdfSbufReadString(data);
if (readData == NULL) {
HDF_LOGE("%s: failed to read data", __func__);
return HDF_ERR_INVALID_PARAM;
}
if (!HdfSbufWriteInt32(reply, INT32_MAX)) {
HDF_LOGE("%s: failed to reply int32", __func__);
return HDF_FAILURE;
}
return HdfDeviceSendEvent(deviceObject, id, data); // 发送事件到用户态
}
int32_t HdfSampleDriverDispatch(struct HdfDeviceObject *deviceObject, int id, struct HdfSBuf *data, struct HdfSBuf *reply)
{
const char *readData = NULL;
int ret = HDF_SUCCESS;
switch (id) {
switch SAMPLE_WRITE_READ:
ret = EchoString(deviceObject, data, reply);
break;
default:
HDF_LOGE("%s: unsupported command");
ret = HDF_ERR_INVALID_PARAM;
}
return ret;
}
void HdfSampleDriverRelease(struct HdfDeviceObject *deviceObject)
{
// 在这里释放驱动申请的软硬件资源
return;
}
int HdfSampleDriverBind(struct HdfDeviceObject *deviceObject)
{
if (deviceObject == NULL) {
return HDF_FAILURE
}
static struct IDeviceIoService testService = {
.Dispatch = HdfSampleDriverDispatch,
};
deviceObject->service = &testService;
return HDF_SUCCESS;
}
int HdfSampleDriverInit(struct HdfDeviceObject *deviceObject)
{
if (deviceObject == NULL) {
HDF_LOGE("%s::ptr is null!", __func__);
return HDF_FAILURE;
}
HDF_LOGE("Sample driver Init success");
return HDF_SUCCESS;
}
struct HdfDriverEntry g_sampleDriverEntry = {
.moduleVersion = 1,
.moduleName = "sample_driver",
.Bind = HdfSampleDriverBind,
.Init = HdfSampleDriverInit,
.Release = HdfSampleDriverRelease,
};
HDF_INIT(g_sampleDriverEntry);

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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：

root {
device_info {
match_attr = "hdf_manager";
template host {
hostName = "";
priority = 100;
template device {
template deviceNode {
policy = 0;
priority = 100;
preload = 0;
permission = 0664;
moduleName = "";
serviceName = "";
deviceMatchAttr = "";
}
}
}
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; // 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
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; // 驱动加载策略，参考《5.2 HDF驱动框架章节》
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体的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
}
}
}
}
}

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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：

#include "hdf_log.h"
#include "hdf_***uf.h"
#include "hdf_io_service_if.h"
#define HDF_LOG_TAG "sample_test"
#define SAMPLE_SERVICE_NAME "sample_service"
#define SAMPLE_WRITE_READ 0xFF00
int g_replyFlag = 0;
static int OnDevEventReceived(void *priv, uint32_t id, struct HdfSBuf *data)
{
const char *string = HdfSbufReadString(data);
int ret = HDF_SUCCESS;
if (string == NULL) {
HDF_LOGE("failed to read string in event data");
ret = HDF_FAILURE;
} else {
HDF_LOGE("%s", string);
}
g_replyFlag = 1;
return ret;
}
static int SendEvent(struct HdfIoService *serv, char *eventData)
{
int ret = 0;
struct HdfSBuf *data = HdfSBufObtainDefaultSize(); // 申请需要发送的序列化对象
if (data == NULL) {
HDF_LOGE("failed to obtain ***uf data");
return 1;
}
struct HdfSBuf *reply = HdfSBufObtainDefaultSize(); // 申请返回数据的序列化对象
if (reply == NULL) {
HDF_LOGE("failed to obtain ***uf reply");
ret = HDF_DEV_ERR_NO_MEMORY;
goto out;
}
if (!HdfSbufWriteString(data, eventData)) { // 准备消息内容
HDF_LOGE("failed to write ***uf");
ret = HDF_FAILURE;
goto out;
}
ret = serv->dispatcher->Dispatch(&serv->object, SAMPLE_WRITE_READ, data, reply); // 发起接口调用
if (ret != HDF_SUCCESS) {
HDF_LOGE("failed to send service call");
goto out;
}
int replyData = 0;
if (!HdfSbufReadInt32(reply, &replyData)) { // 反序列化返回数据
HDF_LOGE("failed to get service call reply");
ret = HDF_ERR_INVALID_OBJECT;
goto out;
}
HDF_LOGE("Get reply is: %d", replyData);
out:
HdfSBufRecycle(data);
HdfSBufRecycle(reply);
return ret;
}
int main()
{
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
if (serv == NULL) {
HDF_LOGE("failed to get service %s", SAMPLE_SERVICE_NAME);
return HDF_FAILURE;
}
static struct HdfDevEventlistener listener = { // 构造驱动事件监听器对象
.callBack = OnDevEventReceived, // 填充事件处理方法
.priv = NULL;
};
if (HdfDeviceRegisterEventListener(serv, &listener) != HDF_SUCCESS) { // 注册事件监听
HDF_LOGE("failed to register event listener");
return HDF_FAILURE;
}
if (SendEvent(serv, "Hello World, HDF Driver!")) { // 调用驱动接口，样例驱动收到事件
HDF_LOGE("failed to send event");
return HDF_FAILURE;
}
while (g_replyFlag == 0) { // 等待驱动上报事件
sleep(1);
}
HdfDeviceUnregisterEventListener(serv, &listener)); // 去注册事件监听器
HdfIoServiceRecycle(serv); // 回收IoService对象
return 0;
}

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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。