Liteos-a内核工作队列的实现原理分析及经验总结——芯海科技PPG芯片CS1262接入OpenHarmony实战

摘要

OpenHarmony系统中使用了liteos-m、liteos-a、linux三种内核，工作队列是linux内核引入的一种异步处理机制。本文对liteos-a内核下工作队列的实现原理进行分析，并对芯海科技的PPG芯片CS1262接入OpenHarmony过程中对工作队列的使用方法进行总结分享。

工作队列工作队列(Workqueue)是linux内核引入的一种异步进程调用的机制，允许内核代码请求在将来某个时间调用一个函数。在内核源码的documentation中也有对workqueue的说明，路径为Documentation/core-api/workqueue.rst。网络上也有很多对工作队列机制的总结文章可以学习，《Linux workqueue工作原理》讲解的就比较详细。简单理解就是先创建一个队列用于存放work，并创建一个处理线程叫worker；用户进程通过调用接口往队列里面添加work驱动着worker来处理，如下：

而OpenHarmony系统根据不同的使用场景使用了liteos-m/liteos-a/linux三种内核。

这里通过CS1262驱动的实现，对liteos-a内核中工作队列的使用及实现做一下分析。

工作队列的使用方法

Sensor设备作为外接设备重要组成模块，Sensor驱动模型为上层Sensor服务系统提供稳定的Sensor基础能力接口，包括Sensor列表查询、Sensor启停、Sensor订阅及去订阅，Sensor参数配置等功能。传感器驱动模型总体框架如图1所示。

OpenHarmony系统对workqueue提供了几个接口，以方便用户的使用。

1. 调用HdfWorkQueueInit，传入queue名称，创建并初始化一个workqueue

2. 调用HdfWorkInit，可以理解为初始化一个work的模板，主要记录处理这个queue里面work的回调函数func以及参数para信息，类似于linux的work_struct

3. 通过调用HdfAddWork往workqueue中添加work，触发调用与此queue关联的回调函数func

步骤1~2可以在CS1262驱动HdfDriverEntry对象的Init接口中看到

int32_t InitPpgDriver(struct HdfDeviceObject *device)

{

    CHECK_NULL_PTR_RETURN_VALUE(device, HDF_ERR_INVALID_PARAM);

    struct PpgDrvData *drvData = (struct PpgDrvData *)device->service;

    CHECK_NULL_PTR_RETURN_VALUE(drvData, HDF_ERR_INVALID_PARAM);

    if (HdfWorkQueueInit(&drvData->ppgWorkQueue, HDF_PPG_WORK_QUEUE) != HDF_SUCCESS) {

        HDF_LOGE("%s: Ppg init work queue failed", __func__);

        return HDF_FAILURE;

    }

    if (HdfWorkInit(&drvData->ppgWork, PpgDataWorkEntry, drvData) != HDF_SUCCESS) {

        HDF_LOGE("%s: Ppg create thread failed", __func__);

        return HDF_FAILURE;

    }

    drvData->initStatus = true;

    drvData->enable = false;

    drvData->detectFlag = false;

    HDF_LOGI("%s: init Ppg driver success", __func__);

    return HDF_SUCCESS;

}

步骤3在CS1262的中断处理函数中，有数据需要上报时会产生一个中断，中断处理中添加一个work通过工作队列机制来实现数据的上报。

static int32_t PpgReadInt(uint16_t gpio, void *data)

{

    struct PpgDrvData *drvData = PpgGetDrvData();

    CHECK_PPG_INIT_RETURN_VALUE(drvData, HDF_ERR_NOT_SUPPORT);

    if (!drvData->enable) {

        HDF_LOGE("%s: ppg not enabled", __func__);

        return HDF_SUCCESS;

    }

    if (!HdfAddWork(&drvData->ppgWorkQueue, &drvData->ppgWork)) {

        HDF_LOGE("%s: Ppg add work queue failed", __func__);

        return HDF_FAILURE;

    }

    return HDF_SUCCESS;

}

CS1262工作对列中work的回调接口实现，两个主要功能：获取数据，数据上报。

static void PpgDataWorkEntry(void *arg)

{

    int32_t ret;

    struct PpgDrvData *drvData = (struct PpgDrvData *)arg;

    uint16_t readLen = 0;

    CHECK_NULL_PTR_RETURN(drvData);

    CHECK_NULL_PTR_RETURN(drvData->chipData.opsCall.ReadData);

    ret = drvData->chipData.opsCall.ReadData(g_fifoBuf, sizeof(g_fifoBuf), &readLen);

    if ((ret != HDF_SUCCESS) || (readLen > sizeof(g_fifoBuf))) {

        HDF_LOGE("%s: Ppg read data failed", __func__);

        return;

    }

    if (PpgReportInt(g_fifoBuf, readLen) != HDF_SUCCESS) {

        HDF_LOGE("%s: Cs1262ReportInt fail", __func__);

    }

}

说明：当前CS1262驱动已提交PR，还未正式上库

Liteos-a内核中工作队列的实现

1.HdfWorkQueueInit接口

(1)在liteos-a系统源码中搜索，接口定义如下：

源文件：drivers/adapter/khdf/liteos/osal/src/osal_workqueue.c

代码如下：

int32_t HdfWorkQueueInit(HdfWorkQueue *queue, char *name)

{

......

    queue->realWorkQueue = create_singlethread_workqueue(name);

......

    return HDF_SUCCESS;

}

(2)create_singlethread_workqueue接口实现如下

源文件：kernel/liteos_a/bsd/compat/linuxkpi/include/linux/workqueue.h

宏定义：

#define create_singlethread_workqueue(name) \

    linux_create_singlethread_workqueue(name)

源文件：kernel/liteos_a/bsd/compat/linuxkpi/src/linux_workqueue.c

代码如下：

struct workqueue_struct *linux_create_singlethread_workqueue(char *name)

{

    return __create_workqueue_key(name, 1, 0, 0, NULL, NULL);

}

(3)__create_workqueue_key中初始化化了一个event后面会用；创建一个workqueueThread线程用来处理这个workqueue里的所有work

源文件：kernel/liteos_a/bsd/compat/linuxkpi/src/linux_workqueue.c

代码如下：

struct workqueue_struct *__create_workqueue_key(char *name,

                                                int singleThread,

                                                int freezeable,

                                                int rt,

                                                struct lock_class_key *key,

                                                const char *lockName)

{

......

    (VOID)LOS_EventInit(&wq->wq_event);

    if (singleThread) {

        cwq = InitCpuWorkqueue(wq, singleThread);

        ret = CreateWorkqueueThread(cwq, singleThread);

    } else {

        LOS_MemFree(m_aucSysMem0, wq->cpu_wq);

        LOS_MemFree(m_aucSysMem0, wq);

        return NULL;

    }

    if (ret) {

        destroy_workqueue(wq);

        wq = NULL;

    }

    return wq;

}

(4)LOS_EventInit就是liteos系统的task之间通信的事件机制实现

(5)CreateWorkqueueThread就是调用的liteos的LOS_TaskCreate来创建一个Task(也即thread)，处理函数为WorkerThread，如下

源文件：kernel/liteos_a/bsd/compat/linuxkpi/src/linux_workqueue.c

代码如下：

STATIC UINT32 CreateWorkqueueThread(cpu_workqueue_struct *cwq, INT32 cpu)

{

    ......

    taskInitParam.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)WorkerThread;

    ......

    ret = LOS_TaskCreate(&cwq->wq->wq_id, &taskInitParam);

    ......

    return LOS_OK;

}

STATIC VOID WorkerThread(cpu_workqueue_struct *cwqParam)

{

    cpu_workqueue_struct *cwq = cwqParam;

    for (;;) {

        if (WorkqueueIsEmpty(cwq)) {

(VOID)LOS_EventRead(&(cwq->wq->wq_event),0x01,LOS_WAITMODE_OR|LOS_WAITMODE_CLR,LOS_WAIT_FOREVER);

        }

        RunWorkqueue(cwq);

    }

}

线程处理函数里面就是一个死循环，当workqueue中为空时，代码会阻塞在LOS_EventRead处，读一个还未发生的事件时，代码就会在此处一直阻塞，直到事件发生；

(6)在事件发生(有work可以处理)时，就会调用真正的处理接口RunWorkqueue，对work调用回调函数（例如上面CS1262中的PpgDataWorkEntry）

源文件：kernel/liteos_a/bsd/compat/linuxkpi/src/linux_workqueue.c

代码如下：

STATIC VOID RunWorkqueue(cpu_workqueue_struct *cwq)

{

    ......

    if (!WorkqueueIsEmpty(cwq)) {

        ......

        func = work->func;

        func(work);

        ......

    }

    LOS_SpinUnlockRestore(&g_workqueueSpin, intSave);

}

2.HdfWorkInit接口

(1)接口实现如下

源文件：drivers/adapter/khdf/liteos/osal/src/osal_workqueue.c

代码如下：

int32_t HdfWorkInit(HdfWork *work, HdfWorkFunc func, void *para)

{

    ......

    wrapper = (struct WorkWrapper *)OsalMemCalloc(sizeof(*wrapper));

    if (wrapper == NULL) {

        HDF_LOGE("%s malloc fail", __func__);

        return HDF_ERR_MALLOC_FAIL;

    }

    realWork = &(wrapper->work.work);

    wrapper->workFunc = func;

    wrapper->para = para;

    INIT_WORK(realWork, WorkEntry);

    work->realWork = wrapper;

    return HDF_SUCCESS;

}

(2)从这里看这个处理函数func赋值给了wrapper->workFunc，而在INIT_WORK中将WorkEntry接口赋值给了work的func

源文件：drivers/adapter/khdf/liteos/osal/src/osal_workqueue.c

代码如下：

#ifdef WORKQUEUE_SUPPORT_PRIORITY

#define INIT_WORK(work, callbackFunc)  do {      \

    INIT_LIST_HEAD(&((work)->entry));            \

    (work)->func = (callbackFunc);               \

    (work)->data = (atomic_long_t)(0);           \

    (work)->work_status = 0;                     \

    (work)->work_pri = OS_WORK_PRIORITY_DEFAULT; \

} while (0)

#else

#define INIT_WORK(work, callbackFunc)  do { \

    INIT_LIST_HEAD(&((work)->entry));       \

    (work)->func = (callbackFunc);          \

    (work)->data = (atomic_long_t)(0);      \

    (work)->work_status = 0;                \

} while (0)

#endif

(3)从前面分析，有work需要处理时调用的就是这个(work)->func；而这里看这个接口的值是WorkEntry，怎么跟驱动侧输入的处理接口联系的呢？就是这个WorkEntry实现的

源文件：drivers/adapter/khdf/liteos/osal/src/osal_workqueue.c

代码如下：

static void WorkEntry(struct work_struct *work)

{

    struct WorkWrapper *wrapper = NULL;

    if (work != NULL) {

        wrapper = (struct WorkWrapper *)work;

        if (wrapper->workFunc != NULL) {

            wrapper->workFunc(wrapper->para);

        } else {

            HDF_LOGE("%s routine null", __func__);

        }

    } else {

        HDF_LOGE("%s work null", __func__);

    }

}

从这里看就是调用的wrapper->workFunc，也即HdfWorkInit接口传入的回调函数。

3.HdfAddWork接口

(1)接口定义如下

源文件：drivers/adapter/khdf/liteos/osal/src/osal_workqueue.c

代码如下：

bool HdfAddWork(HdfWorkQueue *queue, HdfWork *work)

{

    ......

    return queue_work(queue->realWorkQueue, &((struct WorkWrapper *)work->realWork)->work.work);

}

(2)queue_work接口是一个宏，定义如下

源文件：drivers/adapter/khdf/liteos/osal/src/osal_workqueue.c

代码如下：

#define queue_work(wq, work) \

    linux_queue_work(wq, work)

源文件：kernel/liteos_a/bsd/compat/linuxkpi/src/linux_workqueue.c

linux_queue_work最终调用的接口是InsertWork，中间的调用如下

linux_queue_work()

   |--> QueueWorkOn()

           |--> QueueWork()

                  |-->InsertWork()

接口实现：

STATIC VOID InsertWork(cpu_workqueue_struct *cwq, struct work_struct *work, 

struct list_head *head, UINT32 *intSave)

{

#ifdef WORKQUEUE_SUPPORT_PRIORITY

    WorkListAdd(&work->entry, head, work->work_pri);

#else

    WorkListAddTail(&work->entry, head);

#endif

    LOS_SpinUnlockRestore(&g_workqueueSpin, *intSave);

    (VOID)LOS_EventWrite(&(cwq->wq->wq_event), 0x01);

    LOS_SpinLockSave(&g_workqueueSpin, intSave);

}

从实现上看这里就是写了一个Event，还记得前面在init里面一个阻塞在读Event的吗？这里的LOS_EventWrite就代表了事件发生，然后就可以正常处理work了

总结

OpenHarmony的liteos-a内核中工作队列的实现就是参照linux内核的实现，只是底层使用的是嵌入式系统中事件处理机制。

OpenHarmony在内核上层做了一层封装(OSAL)，在使用linux和liteos-a内核时工作队列的使用方式统一，驱动开发时无感知。

芯海科技作为OpenHarmony项目群B类捐赠人，已加入DriverFramework SIG和DevBoard SIG。在DriverFramework SIG中负责心率传感器PPG驱动模型和HDI的实现。CS1262是芯海科技最新推出的一款用于光电血管容积图（PPG）信号采集的高端模拟前端（AFE），通过SPI总线与主控通信。关键性能指标达到业界一流水平：

◆ 高精度测量：最高PPG SNR高达110dB

◆ 超强抗干扰：PSRR ≥ 90dB（0.5Hz~10MHz 范围内的Boost噪声）

◆ 低功耗：83uA@100Hz@4Ch@2阶环境光

◆ 全肤色支持：单路LED Driver最大电流可达125mA，两路合并后支持250mA

◆ 高可靠：支持过温保护/关键寄存器保护/LED过流保护/SPI通讯可靠性check

◆ 易用性：支持1/2阶环境光消减/硬件佩戴检测/自动调光/动态配置刷新