Sensors in Android

總述

如下圖，應用程序開發(fā)者使用幾個sensor的幾個API類進行應用程序的開發(fā)。Java的部分的API使用C/C++來實現(xiàn)，也就是調(diào)用到JNI層。左側(cè)運行于應用程序的進程空間，右側(cè)運行于system server進程空間。雙方通過ISensorEventConnection/SensorChannel進行通訊。SensorService負責與Sensors的硬件適配層HAL進行通訊，后者與驅(qū)動和硬件進行交互。

Java API

Java層的API類有SensorManager，利用它才可以使用系統(tǒng)的各種感應器（sensor）。sensor的采樣值、精確度、時間戳以及信息是自哪個感應器等信息封裝在Java類SensorEvent中。Java類Sensor代表一個感應器，包含感應器的各種信息，它的成員數(shù)據(jù)與本地Sensor類以及HAL層的sensor_t對應（見后述章節(jié)）。作為父類的SensorEventListener是一個監(jiān)聽器接口，應用開發(fā)者編寫它的一個子類可以實現(xiàn)對SensorEvent的監(jiān)聽并做出相應反應。

在獲取sensor service創(chuàng)建SensorManager時，會創(chuàng)建一個線程去輪詢（poll，調(diào)用sensors_data_poll）去取sensor的數(shù)據(jù)，然后以發(fā)送消息的形式將SensorEvent發(fā)送給ListenerDelegate中的Handler，由handler在新一輪的線程循環(huán)中調(diào)用對應的sensorListener進行處理。

JNI與native層

JNI層位于frameworks/base/core/jni/下面，主要就是一個文件android_hardware_SensorManager.cpp。它使用的類如Sensor、SensorChannel、SensorEventQueue、、ISensorEventConnection和ISensorServer則放在libgui.so中，見目錄frameworks/base/libs/gui。

Java層在輪詢之前，必須調(diào)用sensors_create_queue創(chuàng)建（見SensorThreadRunnable的open函數(shù)）一個本地的SensorEventQueue隊列，這個C++對象的指針被轉(zhuǎn)換為int型后保存為SensorManager的靜態(tài)成員變量sQueue。當輪詢時，將該隊列傳遞給JNI層的sensors_data_poll，用于從該隊列中讀取Event數(shù)據(jù)（具體數(shù)據(jù)類型是ASensorEvent）。

本地SensorEventQueue類主要借助于兩個類進行工作。一是封裝了管道的SensorChannel類，event的讀取和寫入都是針對封裝的管道進行的；二是libutils庫中的Looper類，Looper類實現(xiàn)了在調(diào)用者線程中對文件描述符的輪詢（內(nèi)部使用的epoll），甚至可以注冊回調(diào)函數(shù)，當有文件描述符對應的文件有數(shù)據(jù)到達時使用回調(diào)函數(shù)進行處理。這樣，隊列類SensorEventQueue使用Looper監(jiān)聽著管道對應的描述符，當有數(shù)據(jù)達到時，就可以讀取，沒有使用回調(diào)機制。整個過程是：在Java層的SensorManager的線程中不斷調(diào)用sensors_data_poll查詢數(shù)據(jù)，這導致其JNI層的native實現(xiàn)在隊列上等待event事件（見隊列的成員函數(shù)waitForEvent，它使用poll進行輪詢），也就是說，直到有管道中有數(shù)據(jù)可用才返回。當沒有發(fā)生錯誤返回時，表示有數(shù)據(jù)可讀，然后對數(shù)據(jù)進行讀取。一次讀取單位為一個event。

下面是JNI層中的sensors_data_poll代碼片段：

res = queue->read(&event, 1);
if (res == -EAGAIN) {
res = queue->waitForEvent();//等待有數(shù)據(jù)可讀取
if (res != NO_ERROR)//檢查是否發(fā)生錯誤
return -1;
res = queue->read(&event, 1);//沒錯誤，進行數(shù)據(jù)讀取
}

封裝管道的SensorChannel類的對象由ISensorEventConnection接口獲取。另外，對sensor的激活/去激活也是通過ISensorEventConnection調(diào)用到server側(cè)的SensorService完成的。

C++類Sensor代表了一個sensor，它是HAL層sensor_t的封裝，同時又為Java層的Sensor類中的數(shù)據(jù)成員變量提供數(shù)據(jù)“源”，也就是說，Java中的Sensor的成員變量信息是由該C++中的Sensor類設置，后者又是根據(jù)sensor_t而獲取對應的sensor信息。Java中的Sensor是應用開發(fā)的API類。在C++中的Sensor類中定義了sensor的枚舉類型：

enum {
TYPE_ACCELEROMETER = ASENSOR_TYPE_ACCELEROMETER, //加速度
TYPE_MAGNETIC_FIELD = ASENSOR_TYPE_MAGNETIC_FIELD, //磁場
TYPE_GYROSCOPE = ASENSOR_TYPE_GYROSCOPE, //陀螺儀
TYPE_LIGHT = ASENSOR_TYPE_LIGHT, //光傳感器
TYPE_PROXIMITY = ASENSOR_TYPE_PROXIMITY //距離傳感器
};

SensorService

在frameworks/base/services/sensorservice/下面給出sensorService的相關實現(xiàn)代碼，它們最終生成libsensorservice.so庫文件，作為service被注冊到system server后，最終運行于system_server后臺進程空間。

Sensor service模塊的核心部分是SensorService類。另外還定義了幾個邏輯上的虛擬sensor：GravitySensor、LinearAccelerationSensor和RotationVectorSensor，它們的接口由抽象類SensorInterface定義，物理意義上實際傳感器HardwareSensor也同樣遵循該接口規(guī)范。

SensorInterface與四個子類繼承關系圖如下：

SensorInterface是個抽象類，定義了五個接口：

virtual bool process(sensors_event_t* outEvent,const sensors_event_t& event) = 0; //處理原始數(shù)據(jù)，換成上層應用希望得到的數(shù)據(jù)

virtual status_t activate(void* ident, bool enabled) = 0; //激活與去激活

virtual sttus_t setDelay(void* ident, int handle, int64_t ns) = 0;//設置報告處理頻率

virtual Sensor getSensor() const = 0;//獲取對應的sensor

virtual bool isVirtual() const = 0;//是否為虛擬的，即是否為邏輯（虛擬）傳感器

GravitySensor和LinearAccelerationSensor，它們不是物理意義上的傳感器，只是邏輯意義上的傳感器，可稱之為虛擬（virtual）傳感器。它們實際上是將加速器（即gsensor）的值經(jīng)過處理過濾后再上報。

RotationVectorSensor方向向量傳感器，實際上它由加速器和磁場傳感器(compass)組成，根據(jù)它們上報的值來判斷是否旋轉(zhuǎn)屏幕。

引入虛擬傳感器的目的是方便上層程序的處理。在上層看來，它不需要關注設備上的傳感器的某些原始數(shù)據(jù)，只需要經(jīng)過加工處理后的數(shù)據(jù)，如是否旋轉(zhuǎn)屏幕，它是依據(jù)虛擬的“傳感器”sensorRotationVectorSensor得來的經(jīng)過加工后的數(shù)據(jù)。這些虛擬傳感器包含了處理原始數(shù)據(jù)的算法。算法包含在重載的process函數(shù)中。

HardwareSensor代表了真正的傳感器，它繼承自SensorInterface，實現(xiàn)了各個抽象接口，但其實現(xiàn)是借助于與位于下層的HAL層的sensor硬件模塊打交道的類SensorDevice來完成的。

SensorDevice與HAL中的libsensors.so打交道，如獲取對應的硬件module，打開sensor設備，參見其構造函數(shù)：

SensorDevice::SensorDevice()
: mSensorDevice(0),
mSensorModule(0)
{
status_t err = hw_get_module(SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID,
(hw_module_t const**)&mSensorModule);//打開sensor硬件模塊

LOGE_IF(err, “couldn’t load %s module (%s)”,
SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID, strerror(-err));

if (mSensorModule) {
err = sensors_open(&mSensorModule->common, &mSensorDevice);//打開HAL層的poll設備
LOGE_IF(err, “couldn’t open device for module %s (%s)”,
SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID, strerror(-err));
if (mSensorDevice) {
sensor_t const* list;
ssize_t count = mSensorModule->get_sensors_list(mSensorModule, &list);//獲取sensor_t列表
mActivationCount.setCapacity(count);
Info model;
for (size_t i=0 ; i<size_t(count) ; i++) {
mActivationCount.add(list[i].handle, model);
mSensorDevice->activate(mSensorDevice, list[i].handle, 0);
}
}
}
}

其結(jié)構圖如下：

作為核心代碼的SensorService類有三個父類：

BinderService<SensorService>：繼承該父類使其成為一個標準的本地（native） service，將自己添加到系統(tǒng)的system server中去，其它感興趣者可以使用該service。

BnSensorServer：意味著作為子類，SensorService是抽象類ISensorServer中定義的兩個接口（getSensorList和createSensorEventConnection）的server側(cè)的真正實現(xiàn)者。一個接口是用來獲取系統(tǒng)的sensor列表，另一個則是創(chuàng)建一個事件連接（EventConnection），用于基于管道加上輪詢方式的event傳輸。

Thread：意味著它也是一個線程類，在SensorService創(chuàng)建后，有個單獨的線程去執(zhí)行重載的threadLoop。

這個threadLoop可以說是整個sensor的調(diào)度處理中心，讓sensor相關的模塊都動起來。作為一個后臺線程，它是個無限循環(huán)，不斷去處理

bool SensorService::threadLoop()
{
LOGD(“nuSensorService thread starting…”);

const size_t numEventMax = 16 * (1 + mVirtualSensorList.size());
sensors_event_t buffer[numEventMax];
sensors_event_t scratch[numEventMax];
SensorDevice& device(SensorDevice::getInstance());
const size_t vcount = mVirtualSensorList.size();

ssize_t count;
do {
count = device.poll(buffer, numEventMax);//輪詢event數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)
if (count<0) {
LOGE(“sensor poll failed (%s)”, strerror(-count));
break;
}

recordLastValue(buffer, count);//記錄每個sensor最新的值，記入到mLastEventSeen這個KeyedVector（從sensor標識符到sensors_event_t的映射）中。

// handle virtual sensors
if (count && vcount) {//下面是處理虛擬sensors數(shù)據(jù)
const DefaultKeyedVector<int, SensorInterface*> virtualSensors( getActiveVirtualSensors());

const size_t activeVirtualSensorCount = virtualSensors.size();

if (activeVirtualSensorCount) {
size_t k = 0;
for (size_t i=0 ; i<size_t(count) ; i++) {
sensors_event_t const * const event = buffer;
for (size_t j=0 ; j<activeVirtualSensorCount ; j++) {
sensors_event_t out;
if (virtualSensors.valueAt(j)->process(&out, event[i])) {//處理原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信息保存在out這個event中
buffer[count + k] = out;//將它們添加到buffer中
k++;
}
}
}

if (k) {
// record the last synthesized values
recordLastValue(&buffer[count], k);//同樣對虛擬的sensor的event最新值添加到mLastEventSeen中
count += k;
// sort the buffer by time-stamps
sortEventBuffer(buffer, count);//按時間戳排序
}
}
}

// send our events to clients…
const SortedVector< wp<SensorEventConnection> > activeConnections(
getActiveConnections());
size_t numConnections = activeConnections.size();
for (size_t i=0 ; i<numConnections ; i++) {
sp<SensorEventConnection> connection(
activeConnections[i].promote());
if (connection != 0) {
connection->sendEvents(buffer, count, scratch);//發(fā)送給client端，實際是寫入管道
}
}
} while (count >= 0 || Thread::exitPending());

LOGW(“Exiting SensorService::threadLoop!”);
return false;
}

因此，可以看出，SensorService的工作線程不斷去輪詢設備中是否有數(shù)據(jù)可用。當有數(shù)據(jù)可用時，將它們寫入管道。對方的應用程序中的線程也不斷輪詢管道，當有數(shù)據(jù)時，便調(diào)用對應的listener進行處理。它們工作在不斷的線程中，或使用looper，或使用handler，在不同的線程循環(huán)中進行處理，多次的異步操作構成了sensor的處理過程。

HAL

在Android HAL中只對sensors的數(shù)據(jù)結(jié)構進行了定義（見頭文件hardware/libhardware/include/hardware/sensors.h），其具體實現(xiàn)應由芯片廠家給出。

在使用sensors的HAL時，首先使用HAL提供的hw_get_module函數(shù)，根據(jù)其模塊ID字符串（SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID）獲取硬件模塊sensors_module_t，然后借助于sensors_module_t枚舉中設備中所帶的所有sensors（sensor由結(jié)構體sensor_t定義）列表。

數(shù)據(jù)結(jié)構sensors_module_t定義了sensors硬件模塊，其中的get_sensors_list函數(shù)指針用于枚舉設備上的各種類型的sensor，實現(xiàn)由平臺廠商給出。

同樣，可以接著使用API函數(shù)sensors_open打開HAL中定義的sensors_poll_device_t類型的設備，該結(jié)構體定義三個API，用于激活/去激活sensor（見成員activate函數(shù)指針）、設置數(shù)據(jù)報告頻率（見setDelay函數(shù)指針）和輪訓（見poll函數(shù)指針）。同樣，這三個函數(shù)也由平臺廠家實現(xiàn)。

這樣，我們可以使用hw_get_module函數(shù)打開硬件模塊，并得到sensors列表，同時，也可以使用sensors_open打開sensors_poll_device_t類型的設備，對sensor進行激活/去激活，輪詢讀數(shù)和設置數(shù)據(jù)報告頻率等基本操作。

結(jié)構體sensor_t代表了一個sensor，定義了sensor的各種屬性，如：名稱、廠家、版本、句柄、類型、最大值范圍、解析度、功耗、數(shù)據(jù)上報頻率等。其定義具體如下：

struct sensor_t {
/* name of this sensors */
const char* name;//sensor的名稱

/* vendor of the hardware part */
const char* vendor;//廠家

/* version of the hardware part + driver. The value of this field is
* left to the implementation and doesn’t have to be monotonically
* increasing.
*/
int version;//版本

/* handle that identifies this sensors. This handle is used to activate
* and deactivate this sensor. The value of the handle must be 8 bits
* in this version of the API.
*/
int handle;//句柄，用于標識是激活/去激活哪個sensor，亦即sensors_event_t中的int32_t sensor;它實際是由四個字符的ascii碼值來填充

/* this sensor’s type. */
int type;//sensor類型，在sensor.h中定義了多達12種類型（有的為邏輯上的sensor），并以注釋的方式對它們進行了詳細解釋

/* maximaum range of this sensor’s value in SI units */
float maxRange;//最大取值范圍

/* smallest difference between two values reported by this sensor */
float resolution;//解析度

/* rough estimate of this sensor’s power consumption in mA */
float power;//估計的功耗，單位為mA

/* minimum delay allowed between events in microseconds. A value of zero means that this sensor doesn’t report events at a constant rate, but rather only when a new data is available */
int32_t minDelay;//報告讀數(shù)值的events時間間隔（單位：ms），若為0，意味著不按該頻率報告，而是數(shù)據(jù)到來時才報告

/* reserved fields, must be zero */
void* reserved[8];//保留
};

sensor的采樣值的上報可以按照某個固定的頻率進行上報，也可以當有可用的數(shù)據(jù)時再上報（minDelay設為0）。上報數(shù)據(jù)以event的形式進行，見結(jié)構體sensors_event_t，它包含了sensor的標識符、類型、數(shù)據(jù)采樣時間戳以及采樣數(shù)據(jù)。因為各種sensor的采樣值各式各樣，它更多地是用聯(lián)合體union來定義，根據(jù)不同的sensor來解釋返回的值，比如，當是加速器sensor或磁場sensor時，就分別取聯(lián)合體中的acceleration和magnetic兩個字段，它們的類型是結(jié)構體sensors_vec_t，其中又包含有union聯(lián)合體。這樣，Android將各種sensor統(tǒng)一成一種接口，依據(jù)不同的sensor分別對其標識和類型對采樣值進行解釋。

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