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Android GSM驱动模块详细分析

 
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Android GSM驱动模块详细分析
2011年04月15日
  http://www.linux-mobile.net/forum.php?mod=redirect &tid=18358&goto=lastpost Android的RIL驱动模块,
  在hardware/ril目录下,一共分rild,libril.so以及librefrence_ril.so三个部分,另有一
  radiooptions可供自动或手动调试使用。都依赖于include目录中ril.h头文件。目前cupcake分支上带的是gsm的支持,另有一cdma分支,这里分析的是gsm驱动。
  GSM模块,由于Modem的历史原因,AP一直是通过基于串口的AT命令与BB交互。包括到了目前的一些edge或3g模块,或像omap这类ap,bp集成的芯片,已经使用了USB或其他等高速总线通信,但大多仍然使用模拟串口机制来使用AT命令。这里的RIL(Radio Interface
  Layer)层,主要也就是基于AT命令的操作,如发命令,response解析等。(gprs等传输会用到的MUX协议等在这里并没有包含,也暂不作介绍。)
  以下是详细分析,本文主要涉及基本架构和初始化的内容:
  首先介绍一下rild与libril.so以及librefrence_ril.so的关系:
  1. rild:
  仅实现一main函数作为整个ril层的入口点,负责完成初始化。
  2. libril.so:
  与rild结合相当紧密,是其共享库,编译时就已经建立了这一关系。组成部分为ril.cpp,ril_event.cpp。libril.so驻留在
  rild这一守护进程中,主要完成同上层通信的工作,接受ril请求并传递给librefrence_ril.so,
  同时把来自librefrence_ril.so的反馈回传给调用进程。
  3. librefrence_ril.so:
  rild通过手动的dlopen方式加载,结合稍微松散,这也是因为librefrence.so主要负责跟Modem硬件通信的缘故。这样做更方便替
  换或修改以适配更多的Modem种类。它转换来自libril.so的请求为AT命令,同时监控Modem的反馈信息,并传递回libril.so。在初
  始化时, rild通过符号RIL_Init获取一组函数指针并以此与之建立联系。
  4. radiooptions:
  radiooptiongs通过获取启动参数, 利用socket与rild通信,可供调试时配置Modem参数。
  接下来分析初始化流程,主入口是rild.c中的main函数,主要完成三个任务:
  1. 开启libril.so中的event机制, 在RIL_startEventLoop中,是最核心的由多路I/O驱动的消息循环。
  2. 初始化librefrence_ril.so,也就是跟硬件或模拟硬件modem通信的部分(后面统一称硬件), 通过RIL_Init函数完成。
  3. 通过RIL_Init获取一组函数指针RIL_RadioFunctions, 并通过RIL_register完成注册,并打开接受上层命令的socket通道。
  首先看第一个任务,也就是RIL_startEventLoop函数。RIL_startEventLoop在ril.cpp中实现,
  它的主要目的是通过pthread_create(&s_tid_dispatch, &attr, eventLoop,
  NULL)建立一个dispatch线程,入口点在eventLoop.
  而eventLoop中,会调ril_event.cpp中的ril_event_loop()函数,建立起消息(event)队列机制。
  我们来仔细看看这一消息队列的机制,这些代码都在ril_event.cpp中。
  void ril_event_init();
  void ril_event_set(struct ril_event * ev, int fd, bool persist, ril_event_cb func, void * param);
  void ril_event_add(struct ril_event * ev);
  void ril_timer_add(struct ril_event * ev, struct timeval * tv);
  void ril_event_del(struct ril_event * ev);
  void ril_event_loop();
  struct ril_event {
  struct ril_event *next;
  struct ril_event *prev;
  int fd;
  int index;
  bool persist;
  struct timeval timeout;
  ril_event_cb func;
  void *param;
  };
  每个ril_event结构,与一个fd句柄绑定(可以是文件,socket,管道等),并且带一个func指针去执行指定的操作。
  具体流程是:
  ril_event_init完成后,通过ril_event_set来配置一新ril_event,并通过ril_event_add加入队列之中(实
  际通常用rilEventAddWakeup来添加),add会把队列里所有ril_event的fd,放入一个fd集合readFds中。这样
  ril_event_loop能通过一个多路复用I/O的机制(select)来等待这些fd,
  如果任何一个fd有数据写入,则进入分析流程processTimeouts(),processReadReadies(&rfds,
  n),firePending()。 后文会详细分析这些流程。
  另外我们可以看到, 在进入ril_event_loop之前,
  已经挂入了一s_wakeupfd_event, 通过pipe的机制实现的,
  这个event的目的是可以在一些情况下,能内部唤醒ril_event_loop的多路复用阻塞,比如一些带timeout的命令timeout到期的
  时候。
  至此第一个任务分析完毕,这样便建立起了基于event队列的消息循环,稍后便可以接受上层发来的的请求了(上层请求的event对象建立,在第三个任务中)。
  接下来看第二个任务,这个任务的入口是RIL_Init, RIL_Init首先通过参数获取硬件接口的设备文件或模拟硬件接口的socket. 接下来便新开一个线程继续初始化, 即mainLoop。
  mainLoop的主要任务是建立起与硬件的通信,然后通过read方法阻塞等待硬件的主动上报或响应。在注册一些基础回调
  (timeout,readerclose)后,mainLoop首先打开硬件设备文件,建立起与硬件的通信,s_device_path和s_port
  是前面获取的设备路径参数,将其打开(两者可以同时打开并拥有各自的reader,这里也很容易添加双卡双待等支持)。
  接下来通过
  at_open函数建立起这一设备文件上的reader等待循环,这也是通过新建一个线程完成, ret =
  pthread_create(&s_tid_reader, &attr, readerLoop,
  &attr),入口点readerLoop。
  AT命令都是以rn或nr的换行符来作为分隔符的,所以readerLoop是line驱动的,除非出错,超时等,否则会读到一行完整的响应或主动上
  报,才会返回。这个循环跑起来以后,我们基本的AT响应机制已经建立了起来。它的具体分析,包括at_open中挂接的ATUnsolHandler,
  我们都放到后面分析response的连载文章里去。
  有了响应的机制(当然,能与硬件通信也已经可以发请求了),通过RIL_requestTimedCallback(initializeCallback, NULL,
  &TIMEVAL_0),跑到initializeCallback中,执行一些Modem的初始化命令,主要都是AT命令的方式。发AT命令的流程,我们放到后面分析request的连载文章里。这里可以看到,主要是一些参数配置,以及网络状态的检查等。至此第二个任务分析完毕,硬件已经可以访
  问了。
  最后是第三个任务。第三个任务是由RIL_Init的返回值开始的,这是一个RIL_RadioFunctions结构的指针。
  typedef struct {
  int version; /* set to RIL_VERSION */
  RIL_RequestFunc onRequest;
  RIL_RadioStateRequest onStateRequest;
  RIL_Supports supports;
  RIL_Cancel onCancel;
  RIL_GetVersion getVersion;
  } RIL_RadioFunctions;
  其中最重要的是onRequest域,上层来的请求都由这个函数进行映射后转换成对应的AT命令发给硬件。
  rild通过RIL_register注册这一指针。
  RIL_register中要完成的另外一个任务,就是打开前面提到的跟上层通信的socket接口(s_fdListen是主接口,s_fdDebug供调试时使用)。
  然后将这两个socket接口使用任务一中实现的机制进行注册(仅列出s_fdListen)
  ril_event_set (&s_listen_event, s_fdListen, false,
  listenCallback, NULL);
  rilEventAddWakeup (&s_listen_event);
  这样将两个socket加到任务一中建立起来多路复用I/O的检查句柄集合中,一旦有上层来的(调试)请求,event机制便能响应处理了。到这里启动流程已经分析完毕。
  request流程1. 多路复用I/O机制的运转
  上文说到request是接收,是通过ril_event_loop中的多路复用I/O,也对初始化做了分析.现在我们来仔细看看这个机制如何运转.
  ril_event_set负责配置一个event,主要有两种event:
  ril_event_add添加使用多路I/O的event,它负责将其挂到队列,同时将event的通道句柄fd加入到watch_table,然后通过select等待.
  ril_timer_add添加timer event,它将其挂在队列,同时重新计算最短超时时间.
  无论哪种add,最后都会调用triggerEvLoop来刷新队列,更新超时值或等待对象.
  刷新之后, ril_event_loop从阻塞的位置,select返回,只有两种可能,一是超时,二是等待到了某I/O操作.
  超时的处理在processTimeouts中,摘下超时的event,加入pending_list.
  检查有I/O操作的通道的处理在processReadReadies中,将超时的event加入pending_list.
  最后在firePending中,检索pending_list的event并依次执行event->func.
  这些操作完之后,计算新超时时间,并重新select阻塞于多路I/O.
  前面的初始化流程已分析得知,初始化完成以后,队列上挂了3个event对象,分别是:
  s_listen_event: 名为rild的socket,主要requeset & response通道
  s_debug_event: 名为rild-debug的socket,调试用requeset & response通道(流程与s_listen_event基本相同,后面仅分析s_listen_event)
  s_wakeupfd_event: 无名管道,用于队列主动唤醒(前面提到的队列刷新,就用它来实现,请参考使用它的相关地方)
  2. request的传入和dispatch
  明白了event队列的基本运行流程,我们可以来看看request是怎么传入和dispatch的了.
  上
  层的部分,核心代码在frameworks/base/telephony/java/com/android/interna l/telephony
  /gsm/RIL.java,这是android
  java框架处理radio(gsm)的核心组件.本文因为主要关注rild,也就是驱动部分,所以这里只作简单介绍.
  我们看一个具体的例子,RIL.java中的dial函数:
  public void 
  dial (String address, int clirMode, Message result)
  {
  RILRequest rr = RILRequest.obtain(RIL_REQUEST_DIAL, result);
  rr.mp.writeString(address);
  rr.mp.writeInt(clirMode);
  if (RILJ_LOGD) riljLog(rr.serialString() + "> " + requestToString(rr.mRequest));
  send(rr);
  }
  rr是以RIL_REQUEST_DIAL为request号而申请的一个RILRequest对象.这个request号在java框架和rild库山外青山楼外楼享(参考RILConstants.java中这些值的由来 
  
  )
  RILRequest初始化的时候,会连接名为rild的socket(也就是rild中s_listen_event绑定的socket),初始化数据传输的通道. 
  rr.mp
  是Parcel对象,Parcel是一套简单的序列化协议,用于将对象(或对象的成员)序列化成字节流,以供传递参数之用.这里可以看到String
  address和int
  clirMode都是将依次序列化的成员.在这之前,rr初始化的时候,request号跟request的序列号(自动生成的递增数),已经成为头两个
  将被序列化的成员.这为后面的request解析打下了基础.
  接下来是send到handleMessage的流程,send将rr直接传递给另
  一个线程的handleMessage,handleMessage执行data = rr.mp.marshall()执行序列化操作,
  并将data字节流写入到rild socket.
  接下来回到我们的rild,select发现rild socket有了请求链接的信号,导致s_listen_event被挂入pending_list,执行event->func,即
  static void listenCallback (int fd, short flags, void *param);
  接下来,s_fdCommand = accept(s_fdListen, (sockaddr *) &peeraddr, &socklen),获取传入的socket描述符,也就是上层的java RIL传入的连接.
  然
  后,通过record_stream_new建立起一个record_stream, 将其与s_fdCommand绑定,
  这里我们不关注record_stream 的具体流程, 我们来关注command event的回调,
  processCommandsCallback函数, 从前面的event机制分析, 一旦s_fdCommand上有数据,
  此回调函数就会被调用. (略过onNewCommandConnect的分析)
  processCommandsCallback通过
  record_stream_get_next阻塞读取s_fdCommand上发来的 数据,
  直到收到一完整的request(request包的完整性由record_stream的机制保证),
  然后将其送达processCommandBuffer.
  进入processCommandBuffer以后,我们就正式进入了命令的解析部分. 每个命令将以RequestInfo的形式存在.
  typedef struct RequestInfo {
  int32_t token; //this is not RIL_Token
  CommandInfo *pCI;
  struct RequestInfo *p_next;
  char cancelled;
  char local; // responses to local commands do not go back to command process
  } RequestInfo;
  这
  里的pRI就是一个RequestInfo结构指针, 从socket过来的数据流, 前面提到是Parcel处理过的序列化字节流,
  这里会通过反序列化的方法提取出来. 最前面的是request号, 以及token域(request的递增序列号).
  我们更关注这个request号, 前面提到, 上层和rild之间, 这个号是统一的. 它的定义是一个包含ril_commands.h的枚举,
  在ril.cpp中
  static CommandInfo s_commands[] = {
  #include "ril_commands.h"
  };
  pRI直接访问这个数组, 来获取自己的pCI.
  这是一个CommandInfo结构:
  typedef struct {
  int requestNumber;
  void (*dispatchFunction) (Parcel &p, struct RequestInfo *pRI);
  int(*responseFunction) (Parcel &p, void *response, size_t responselen);
  } CommandInfo;
  基本解析到这里就完成了, 接下来, pRI被挂入pending的request队列, 执行具体的pCI->dispatchFunction, 进行详细解析.
  3. request的详细解析
  对dial而言, CommandInfo结构是这样初始化的:
  {RIL_REQUEST_DIAL, dispatchDial, responseVoid},
  这
  里执行dispatchFunction, 也就是dispatchDial这一函数.我们可以看到其实有很多种类的dispatch
  function, 比如dispatchVoid, dispatchStrings, dispatchSIM_IO等等, 这些函数的区别,
  在于Parcel传入的参数形式,Void就是不带参数的,Strings是以string[]做参数,又如Dial等,有自己的参数解析方式,以此类
  推.
  request号和参数现在都有了,那么可以进行具体的request函数调用了.
  s_callbacks.onRequest(pRI->pCI->requestNumber, xxx, len, pRI)完成这一操作.
  s_callbacks
  是上篇文章中提到的获取自libreference-ril的RIL_RadioFunctions结构指针,request请求在这里转入底层的
  libreference-ril处理,handler是reference-ril.c中的onRequest.
  onRequest进行一个简单的switch分发,我们依然来看RIL_REQUEST_DIAL
  流程是 onRequest-->requestDial-->at_send_command-->at_send_c ommand_full-->at_send_command_full_nolock-->writeline
  requestDial中将命令和参数转换成对应的AT命令,调用公共send command接口at_send_command.
  除
  了这个接口之外,还有
  at_send_command_singleline,at_send_command_sms,at_ send_command_multiline
  等,这是根据at返回值,以及发命令流程的类型来区别的.比如at+csq这类,需要at_send_command_singleline,而发送短
  信,因为有prompt提示符">",传裸数据,结束符等一系列操作,需要专门用at_send_command_sms来实现.
  然后执行at_send_command_full,前面几个接口都会最终到这里,再通过一个互斥的at_send_command_full_nolock调用,然后完成最终的写出操作,在writeline中,写出到初始化时打开的设备中.
  writeline返回之后,还有一些操作,如保存type等信息,供response回来时候使用,以及一些超时处理. 不再详述.
  到这里,request的详细流程,就分析完毕了.
  response流程
  前文对request的分析, 终止在了at_send_command_full_nolock里的writeline操作,因为这里完成命令写出到硬件设备的操作,接下来就是等待硬件响应,也就是response的过程了。我们的分析也是从这里开始。
  response信息的获取,是在第一篇初始化分析中,提到的readerLoop中。由readline函数以'行'为单位接收上来。
  AT的response有两种,一是主动上报的,比如网络状态,短信,来电等都不需要经过请求,有一unsolicited词语专门描述。另一种才是真正意义上的response,也就是命令的响应。
  这
  里我们可以看到,所有的行,首先经过sms的自动上报筛选,因为短信的AT处理通常比较麻烦,无论收发都单独列出。这里是因为要即时处理这条短信消息(两
  行,标志+pdu),而不能拆开处理。处理函数为onUnsolicited(由s_unsolHandler指向),我们等下介绍。
  除开sms的特例,所有的line都要经过processLine,我们来看看这个流程:
  processLine
  |----no cmd--->handleUnsolicited //主动上报
  |----isFinalResponseSuccess--->handleFinalResponse //成功,标准响应
  |----isFinalResponseError--->handleFinalResponse //失败,标准响应
  |----get '>'--->send sms pdu //收到>符号,发送sms数据再继续等待响应
  |----switch s_type--->具体响应  //命令有具体的响应信息需要对应分析
  我
  们这里主要关注handleUnsolicited自动上报(会调用到前面smsUnsolicite也调用的onUnsolicite),以及
  switch s_type具体响应信息,另外具体响应需要handleFinalResponse这样的标准响应来最终完成。
  1. onUnsolicite(主动上报响应)
  static void onUnsolicited (const char *s, const char *sms_pdu);
  短信的AT设计真是麻烦的主,以致这个函数的第二个参数完全就是为它准备的。
  response
  的主要的解析过程,由at_tok.c中的函数完成,其实就是字符串按块解析,具体的解析方式由每条命令或上报信息自行决定。这里不再详
  述,onUnsolicited只解析出头部(一般是+XXXX的形式),然后按类型决定下一步操作,操作为
  RIL_onUnsolicitedResponse和RIL_requestTimedCallback两种。
  a)RIL_onUnsolicitedResponse: 
  将
  unsolicited的信息直接返回给上层。通过Parcel传递,将
  RESPONSE_UNSOLICITED,unsolResponse(request号)写入Parcel先,然后通过
  s_unsolResponses数组,查找到对应的responseFunction完成进一步的的解析,存入Parcel中。最终通过
  sendResponse将其传递回原进程。流程:
  sendResponse-->sendResponseRaw-->blockingWrite-->writ e to s_fdCommand(前面建立起来的和上层框架的socket连接)
  这些步骤之后有一些唤醒系统等其他操作。不再详述。
  b)RIL_requestTimedCallback:
  通
  过event机制(参考文章二)实现的timer机制,回调对应的内部处理函数。通过internalRequestTimedCallback将回调添
  加到event循环,最终完成callback上挂的函数的回调。比如pollSIMState,onPDPContextListChanged等回
  调, 不用返回上层, 内部处理就可以。
  2. switch s_type(命令的具体响应)及handleFinalResponse(标准响应)
  命
  令的类型(s_type)在send
  command的时候设置(参考文章二),有NO_RESULT,NUMERIC,SINGLELINE,MULTILINE几种,供不同的AT使用。比
  如AT+CSQ是singleline, 返回at+csq=xx,xx,再加一行OK,比如一些设置命令,就是no_result,
  只有一行OK或ERROR。
  这几个类型的解析都很相仿,通过一定的判断(比较AT头标记等),如果是对应的响应,就通过
  addIntermediate挂到一个临时结果sp_response->p_intermediates队列里。如果不是对应响应,那它其实应
  该是穿插其中的自动上报,用onUnsolicite来处理。
  具体响应,只起一个获取响应信息到临时结果,等待具体分析的作用。无论有无具体响应,最终都得以标准响应handleFinalResponse来完成,也就是接受到OK,ERROR等标准response来结束,这是大多数AT命令的规范。
  handleFinalResponse
  会设置s_commandcond这一object,也就是at_send_command_full_nolock等待的对象。到这里,响应的完整信息
  已经完全获得,send command可以进一步处理返回的信息了(临时结果,以及标准返回的成功或失败,都在sp_response中)。
  pp_outResponse参数将sp_response返回给调用at_send_command_full_nolock的函数。
  继续我们在文章二的分析的话,这个函数其实是requestDial,不过requestDial忽略了响应,所以我们另外看个例子,如requestSignalStrength,命令其实就是前面提到的at+csq:
  可以看到确实是通过at_send_command_singleline来进行的操作,response在p_response中。
  p_response如果返回失败(也就是标准响应的ERROR等造成),则通过RIL_onRequestComplete发送返回数据给上层,结束命令。
  如果成功,则进一步分析p_response->p_intermediates, 同样是通过at_tok.c里的函数进行分析。并同样将结果通过RIL_onRequestComplete返回。
  RIL_onRequestComplete:
  RIL_onRequestComplete和RIL_onUnsolicitedResponse很相仿,功能也一致。
  通
  过Parcel来传递回上层,同样是先写入RESPONSE_SOLICITED(区别于
  RESPONSE_UNSOLICITED),pRI->token(上层传下的request号),错误码(send
  command的错误,不是AT响应)。如果有AT响应,通过访问pRI->pCI->responseFunction来完成具体
  response的解析,并写入Parcel。
  然后通过同样的途径:
  sendResponse-->sendResponseRaw-->blockingWrite-->writ e to s_fdCommand
  完成最终的响应传递。
  到这里,我们分析了自动上报与命令响应,其实response部分,也就告一段落了。
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