Android Sensor 架构深入剖析
作者:倪键树,华清远见嵌入式学院讲师。
1、Android sensor架构
Android4.0系统内置对传感器的支持达13种,它们分别是:加速度传感器 (accelerometer)、磁力传感器(magnetic field)、方向传感器(orientation)、陀螺仪(gyroscope)、环境光照传感器(light)、压力传感器(pressure)、温度传感器(temperature)和距离传感器(proximity)等。
Android实现传感器系统包括以下几个部分:
2、Sensor HAL层接口
Google为Sensor提供了统一的HAL接口,不同的硬件厂商需要根据该接口来实现并完成具体的硬件抽象层,Android中Sensor的HAL接口定义在:hardware/libhardware/include/hardware/sensors.h
对传感器类型的定义:
传感器模块的定义结构体如下:
该接口的定义实际上是对标准的硬件模块hw_module_t的一个扩展,增加了一个get_sensors_list函数,用于获取传感器的列表。
对任意一个sensor设备都会有一个sensor_t结构体,其定义如下:
每个传感器的数据由sensors_event_t结构体表示,定义如下:
其中,sensor为传感器的标志符,而不同的传感器则采用union方式来表示,sensors_vec_t结构体用来表示不同传感器的数据,sensors_vec_t定义如下:
Sensor设备结构体sensors_poll_device_t,对标准硬件设备 hw_device_t结构体的扩展,主要完成读取底层数据,并将数据存储在struct sensors_poll_device_t结构体中,poll函数用来获取底层数据,调用时将被阻塞定义如下:
控制设备打开/关闭结构体定义如下:
3、Sensor HAL实现(以LM75温度传感器为例子)
(1)打开设备流程图
(2)实现代码分析
在代码中含有两个传感器ADC电位器和LM75温度传感器,所以在sensor.c中,首先需要定义传感器数组device_sensor_list[],其实就是初始化struct sensor_t结构体,初始化如下:
定义open_sensors函数,来打开Sensor模块,代码如下:
在这个方法中,首先需要为hw_device_t分配内存空间,并对其初始化,设置重要方法的实现。
control_open_data_source()打开传感器并使能设备:
调用sensor__data_poll方法读取数据:
/*轮询读取数据*/
static int sensors__data_poll(struct sensors_data_context_t *dev, sensors_data_t * values)
{
int n;
int mag;
float temp;
char buf[10];
while (1) {
if(count % 3 == 2) // 读取ADC值
{
if( read(dev->event_fd[0], &mag, sizeof(mag)) < 0)
{
LOGE("read adc error");
}else{
dev->sensors[ID_MAGNETIC_FIELD].magnetic.v[0] =(float)mag;
LOGE("read adc %f\n",(float)mag);
*values = dev->sensors[ID_MAGNETIC_FIELD];
values->sensor = ID_MAGNETIC_FIELD;
count++;
}
usleep(500000);
return ID_MAGNETIC_FIELD;
}
else if(count%3 == 1) //读取温度传感器值
{
memset(buf, 0 ,sizeof(buf));
if((n = read(dev->event_fd[1], buf, 10)) < 0)
{
LOGE("read temp error");
}else{
buf[n - 1] = '\0';
temp =(float) (atoi(buf) / 1000);
dev->sensors[ID_TEMPERATURE].temperature = temp;
LOGE("read temp %f\n",temp);
*values = dev->sensors[ID_TEMPERATURE];
values->sensor = ID_TEMPERATURE;
count++;
}
close(dev->event_fd[1]);
dev->event_fd[1]= open("/sys/bus/i2c/devices/0-0048/temp1_input", O_RDONLY);
usleep(500000);
return ID_TEMPERATURE;
}
else if(count%3 == 0) //读取方向传感器模拟值
{
LOGI("read orientation\n");
/* fill up data of orientation */
dev->sensors[ID_ORIENTATION].orientation.azimuth = x + 5;
dev->sensors[ID_ORIENTATION].orientation.pitch = y + 5;
dev->sensors[ID_ORIENTATION].orientation.roll = z + 5;
*values = dev->sensors[ID_ORIENTATION];
values->sensor = ID_ORIENTATION;
count++;
x += 0.0001; y += 0.0001; z += 0.0001;
usleep (500000);
return ID_ORIENTATION;
}
}
}
1. 体系结构
2. 数据结构
3. 四大函数
本文以重力感应器装置G-sensor为例探索Android的各层次结构。
1. 体系结构
Android的体系结构可分为4个层次。
本文重点关注硬件抽象层,JNI以及Framework。
1.1 硬件抽象层
硬件抽象层通过例如open(), read(), write(), ioctl(), poll()等函数调用的方式,与底层设备驱动程序进行交互,而这些函数调用是底层设备驱动程序事先准备好的。
用于交互的关键是文件描述符fd,fd通过open()打开G-sensor设备节点而得到,即 fd = open ("/dev/bma220", O_RDONLY);而/dev/bma220这个设备节点是在底层设备驱动中注册完成的。
其他的函数调用如read(), write()等都通过该文件描述符fd对G-sensor设备进行操作。
1.2 JNI (Java Native Interface)
JNI层可以认为是整个体系结构中的配角,概括地讲,它就完成了一项任务,既实现从C++语言到Java语言的转换。JNI层为Java Framework层提供一系列接口,而这些接口函数的具体实现中,利用例如module->methods->open(), sSensorDevice->data_open(), sSensorDevice->poll()等回调函数与硬件抽象层进行交互。而这些open(), poll()回调函数在硬件抽象层中具体实现。
1.3 Java Framework
Framework层提供各种类和类的对象,可作为系统的守护进程运行,也可供上层应用程序的使用。
例如类SensorManager,它作为系统的守护进程在初始化的时候开始运行,其子类SensorThread中的子类SensorThreadRunnable通过sensors_data_poll()实现了对G-sensor数据的轮训访问,而sensors_data_poll()通过JNI层转换到硬件抽象层去具体实现poll()。
2 数据结构
一般境况下,硬件抽象层对硬件的描述都分为control和data两大类。
2.1 sensors_control_context_t
struct sensors_control_context_t {
struct sensors_control_device_t device;
int fd;
};
struct sensors_control_device_t {
struct
hw_device_t common;
int (*open_data_source)(struct sensors_control_device_t *dev);
int (*activate)(struct sensors_control_device_t *dev, int handle, int enabled);
int (*set_delay)(struct sensors_control_device_t *dev, int32_t ms);
int (*wake)(struct sensors_control_device_t *dev);
};
2.2 sensors_data_context_t
struct sensors_data_context_t {
struct sensors_data_device_t device;
int fd;
};
struct sensors_data_device_t {
struct hw_device_t common;
int (*data_open)(struct sensors_data_device_t *dev, int fd);
int (*data_close)(struct sensors_data_device_t *dev);
int (*poll)(struct sensors_data_device_t *dev,
sensors_data_t* data);
}
struct hw_device_t {
uint32_t tag; uint32_t version;
struct hw_module_t* module;
int (*close)(struct hw_device_t* device);
};
struct hw_module_t {
uint32_t tag; uint16_t version_major; uint16_t version_minor;
const char *id; const char *name; const char *author;
struct hw_module_methods_t* methods;
};
struct hw_module_methods_t {
int (*open)(const struct hw_module_t* module, const char* id,
struct hw_device_t** device);
};
下文将通过对(*open), (*open_data_source), (*data_open)和(*poll)的代码分析,探索Android的各层次架构。
3 四大函数
3.1 module->methods->open()
1) Framework
SensorService作为系统守护进程运行,其类的构造函数实现_sensors_control_init()。
2) JNI
为_sensors_control_init()提供接口android_init(),并执行回调函数module->methods->open();
3) 硬件抽象层
具体实现(*open),该函数为所有G-sensor回调函数的指针赋值。
3.2 sSensorDevice->open_data_source()
1) Framework
SensorService作为系统守护进程运行,其类的一个公有成员ParcelFileDescriptor通过实现_sensors_control_open()得到设备的文件描述符。
2) JNI
为_sensors_control_open()提供接口android_open(),并执行回调函数sSensorDevice->open_data_source();
3) 硬件抽象层
具体实现(*open_data_source),该函数通过打开G-sensor的设备节点得到文件描述符fd = open ("/dev/bma220", O_RDONLY);
4) 设备驱动层
通过misc_register()对G-sensor设备进行注册,建立设备节点。
3.3 sSensorDevice->data_open()
1) Framework
SensorManager作为系统守护进程运行,其子类SensorThreadRunnable的行为函数run()实现sensors_data_open()。
2) JNI
为sensors_data_open()提供接口sensors_data_open(),并执行回调函数sSensorDevice->data_open();
3) 硬件抽象层
具体实现(*data_open),该函数的功能就是将已经得到的文件描述符fd复制一份到sensors_data_context结构体中的dev->fd,以便为处理数据的回调函数如(*poll)使用。
3.4 sSensorDevice->poll()
1) Framework
SensorManager作为系统守护进程运行,其子类SensorThreadRunnable的行为函数run()实现sensors_data_poll(values, status, timestamp),其目的是通过此函数得到从底层传上来的有关G-sensor的数据values, status和timestamp,再通过此类的一个行为函数listener.onSensorChangedLocked(sensorObject, values, timestamp, accuracy);为上层应用程序提供了得到G-sensor设备数据的接口函数。
2) JNI
为sensors_data_poll()提供接口sensors_data_poll(),并执行回调函数sSensorDevice->poll(sSensorDevice, &data);其中,得到的data就是从底层传上来的G-sensor数据,然后通过下图的方式将data中对应的数据分别赋给values, status和timestamp。
3) 硬件抽象层
具体实现(*poll),该函数通过ioctl()实现与底层驱动程序的交互。
ioctl(dev->fd, BMA220_GET_ORIENTATION, &orient_value);
其中,dev->fd即刚才由(*data_open)得到的文件描述符,BMA220_GET_ORIENTATION为ioctl的一个命令,具体实现由底层驱动程序完成,orient_value即得到的G-sensor数据,它通过下图的方式将相对应的数据赋给了data结构体中的values, status和time,从而最终实现了从底层到上层的数据通信。
4) 设备驱动层
与硬件抽象层交互的read(), write(), ioctl()函数由设备驱动实现。以ioctl()的一条命令BMA220_GET_ORIENTATION为例,
通过bma220_get_orientation(data)得到G-sensor的数据data,然后将其从内核空间上传到用户空间的arg.
继续添加一些基础知识
http://yueguc.iteye.com/blog/814000
下面关于sensor转自:
在了解Sensor工作流程以前,一直以为其事件是通过Event Hub来进行输送的,可是研究完Android4.0代码之后,才发现自己错了。
其主要框架如下图所示:
与下层接口功能:
1) 在SensorManager函数中
(1) 调用native sensors_module_init初始化sensor list,即实例化native中的SensorManager
(2) 创建SensorThread线程
2) 在类SensorThread中
(1) 调用native sensors_create_queue创建队列
(2) 在线程中dead loop地调用native sensors_data_poll以从队列sQueue中获取事件(float[] values = new float[3];)
(3) 收到事件之后,报告sensor event给所有注册且关心此事件的listener
与上层的接口功能:
1) 在onPause时取消listener注册
2) 在onResume时注册listener
3) 把收到的事件报告给注册的listener
实现SensorManager.java中的native函数,它主要调用SenrsorManager.cpp和SensorEventQueue.cpp中的类来完成相关的工作。
SensorService作为一个轻量级的system service,它运行于SystemServer内,即在system_init<system_init.cpp>调用SensorService::instantiate();
SensorService主要功能如下:
1) SensorService::instantiate创建实例对象,并增加到ServiceManager中,且创建并启动线程,并执行threadLoop
2) threadLoop从sensor驱动获取原始数据,然后通过SensorEventConnection把事件发送给客户端
3) BnSensorServer的成员函数负责让客户端获取sensor列表和创建SensorEventConnection
SensorService与客户端的接口定义如下:
SensorService定义如下:
SensorDevice封装了对SensorHAL层代码的调用,主要包含以下功能:
1) 获取sensor列表(getSensorList)
2) 获取sensor事件(poll)
3) Enable或Disable sensor (activate)
4) 设置delay时间
定义:/hardware/libhardware/include/hardware/sensors.h
实现:/hardware/mychip/sensor/st/sensors.c
实现代码位于:/hardware/mychip/sensor/st/nusensors.cpp
从上面的代码中可以看出,当调用init_nusensors时,它将返回sensors_poll_device_t,然后就可以调用sensors_poll_device_t 的以下方法进行相关操作:
1) activate
2) setDelay
3) poll
6.1) struct sensors_poll_context_t 定义
6.2) init_nusensors 实现
由以上代码可见,sensors_poll_device_t的activate、setDelay和poll的实现函数分别为:
(1) poll__activate
(2) poll__setDelay
(3) poll__poll
下面讲解以上三个关键函数的实现
6.3) struct sensors_poll_context_t 的实现
下面MmaSensor为例进行分析。
1) SensorBase的实现(SensorBase.cpp)
2) MmaSensor的实现
HAL 为一个.so库,其加载过程相关代码如下:
SensorService在SystemServer中启动(system_init.cpp),其相关代码如下: