android架构和原理分析(G-sensor即Gravity-sensor--重力传感器)

转自：http://blog.csdn.net/silingsong/article/details/7513157

本文主要描述了在android2.3平台G-sensor相关软硬件的体系架构和实现原理，按照Applications、Framework、HAL、Driver和Hardware五大层次分别介绍。

1.系统架构 (Architecture)

1.1 Android体系架构图

1.2 Sensor子系统架构图

·Application Framework

       Sensor应用程序通过Sensor应用框架来获取sensor数据，应用框架层的Sensor Manager通过JNI与C++层进行通信。

·Sensor Libraries

       Sensor中间层主要由Sensor Manager、Sensor service和Sensor硬件抽象层组成。

·Input Subsystem

       通用的Linux输入框架专为与键盘、鼠标和触摸屏等输入设备而设计，并定义了一套标准事件集合。Sensor输入子系统采用采用了通用的Linux输入框架，它通过/sys/class/input节点和用户空间进行交互。

·Event Dev

       Evdev提供了一种访问/dev/input/eventX输入设备事件的通用方法。

·AccelerometerDriver

       此驱动通过SIRQ和I2C总线与MMA7660模组进行通信。SIRQ用来产生传感器事件中断。

2 应用 (Applications)

2.1 应用开发五步曲

（1）   获取传感器管理器对象；

mSensorManager =(SensorManager) getSystemService(SENSOR_SERVICE);

（2）   获取传感器对象；

mSensor = mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER);

（3）  定义事件监听器；

mEventListener =new SensorEventListener() {

[java] view plaincopy

1. @Override 
2. publicvoid onSensorChanged(SensorEvent event) { 
3.   float[] values = event.values; 
4.    mTextView.setText("Accelerometer:" + values[0] +", " 
5.           + values[1] +", " + values[2]); 
6. } 
7.  
8. @Override 
9. publicvoidonAccuracyChanged(Sensor sensor,int accuracy) { 
10. } 

（4）   注册事件监听器；

protectedvoid onResume() {

[java] view plaincopy

1. super.onResume(); 
2.  
3. mSensorManager.registerListener(mEventListener, mSensor, 
4.        SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL); 

（5）   卸载事件监听器；

protectedvoid onPause() {

[java] view plaincopy

1.   super.onPause(); 
2.    
3.    mSensorManager.unregisterListener(mEventListener); 
4. } 

3 框架 (Framework)

3.1 工作模型

3.1.1 SensorManager的创建

nativeClassInit(): 初始化Native类信息；
sensors_module_init(): 创建Native SensorManager实例，从SensorService读取Sensor设备列表；
sensors_module_get_next_sensor(): 从SensorService读取下一个Sensor设备；

3.1.2 SensorThread数据接收处理

sensors_create_queue(): 创建和SensorService共享的消息队列；
sensors_data_poll(): 从消息队列中读取SensorService发过来的消息；

3.1.3 SensorService的工作原理

SensorDevice::poll(): 调用HAL接口读取数据；
SensorEventConnection::sendEvents(): 往消息队列中写入消息，SensorThread后续会读取该消息；

3.1.4 SensorDevice对HAL的访问

4 硬件抽象层 (HAL)

在linux操作系统中，应用同硬件之间的交互都是通过设备驱动来实现，Android系统为了降低应用开发人员开发难度，屏蔽硬件差异，定义出硬件抽象层，为开发人员提供获取各种设备相关的信息的接口。

4.1 Sensors HAL关键流程

4.1.1 打开Sensor设备

SensorBase ::openInput() : 打开input子系统的sensor消息文件句柄；
ioctl(EVIOCGABS(...)) : 获取ABS_X/ABS_Y/ABS_Z的加速度；

4.1.2 轮循Sensor事件

InputEventCircularReader::fill(): 调用read()从input子系统中读取事件放入环形缓冲区；
InputEventCircularReader::readEvent(): 从环形缓冲区中读取事件；
InputEventCircularReader::next(): 移动环形缓冲区当前指针；

5.2 Sensors HAL关键数据结构

5.2.1 sensors_module_t

[cpp] view plaincopy

1. struct sensors_module_t { 
2.    struct hw_module_t common; 
3.  
4.    /**
5.      * Enumerate all available sensors. The list is returned in "list".
6.      * @return number of sensors in the list
7.      */ 
8.    int (*get_sensors_list)(struct sensors_module_t* module, 
9.            struct sensor_tconst** list); 
10. }; 

hw_get_module()会加载HAL模块，并返回HAL入口数据结构(hw_module_t)。HAL_MODULE_INFO_SYM默认是“HAL”，在hw_get_module中用dlsym获取。

[cpp] view plaincopy

1. conststruct sensors_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = { 
2.     .common = { 
3.         .tag = HARDWARE_MODULE_TAG, 
4.         .version_major = 1, 
5.         .version_minor = 0, 
6.         .id = SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID, 
7.         .name ="MMA7660 Sensors Module", 
8.         .author ="The Android Open Source Project", 
9.         .methods = &sensors_module_methods, 
10.     }, 
11.     .get_sensors_list = sensors__get_sensors_list 
12. }; 

5.2.2 hw_module_methods_t

static struct hw_module_methods_t sensors_module_methods = {

[cpp] view plaincopy

1. .open = open_sensors 

5.2.3 sensors_poll_context_t

[cpp] view plaincopy

1. struct sensors_poll_context_t { 
2.    struct sensors_poll_device_t device;// must be first 
3.     sensors_poll_context_t(); 
4.     ~sensors_poll_context_t(); 
5.    int activate(int handle, int enabled); 
6.    int setDelay(int handle, int64_t ns); 
7.    int pollEvents(sensors_event_t* data,int count); 
8.    int handleToDriver(int handle); 
9. }; 

5.2.4 sensors_poll_device_t

[cpp] view plaincopy

1. struct sensors_poll_device_t { 
2. struct hw_device_t common; 
3.  
4.    int (*activate)(struct sensors_poll_device_t *dev, 
5.            int handle,int enabled); 
6.  
7.    int (*setDelay)(struct sensors_poll_device_t *dev, 
8.            int handle, int64_t ns); 
9.  
10.    int (*poll)(struct sensors_poll_device_t *dev, 
11.             sensors_event_t* data,int count); 
12. }; 

5.2.5 sensor_t

定义传感器的基本参数。

[cpp] view plaincopy

1. staticconststruct sensor_t sSensorList[] = { 
2.         {"MMA7660 3-axis Accelerometer", 
3.                "Freescale Semiconductor", 
4.                 1, SENSORS_HANDLE_BASE+ID_A, 
5.                 SENSOR_TYPE_ACCELEROMETER, 3.0f*9.81f, (3.0f*9.81f)/64.0f, 0.35f, 0, { } }, 
6. }; 

[cpp] view plaincopy

1. struct sensor_t { 
2.    constchar*     name; 
3.    constchar*     vendor;  
4.    int             version; 
5.    int             handle; 
6.    int             type; 
7.    float           maxRange; 
8.    float           resolution; 
9.    float           power; 
10.     int32_t         minDelay; 
11.    void*           reserved[8]; 
12. }; 

6 驱动 (driver)

6.1 mma7660驱动框架

mma7660与主机通信是通过I2C接口，因此mma7660驱动程序采用Linux系统的I2C子系统框架来实现，主要由3部分组成：

(1) I2C核心
I2C核心提供了I2C总线驱动和设备驱动的注册、注销方法，I2C通信方法(即“algorithm”)上层的、与具体适配器无关的代码以及探测设备、检测设备地址的上层代码等。这部分是与平台无关的。
此部分在Linux内核的I2C驱动中实现，mma7660驱动使用其提供的功能接口来注册设备驱动。

(2) I2C总线驱动
I2C总线驱动是对I2C硬件体系结构中适配器端的实现。I2C总线驱动主要包含了I2C适配器数据结构i2c_adapter、I2C适配器的algorithm数据结构i2c_algorithm和控制I2C适配器产生通信信号的函数。经由I2C总线驱动的代码，我们可以控制I2C适配器以主控方式产生开始位、停止位、读写周期，以及以从设备方式被读写、产生ACK等。不同的CPU平台对应着不同的I2C总线驱动。
此部分在Linux内核的I2C驱动中实现，mma7660驱动直接获取其提供的adapter，并调用I2C核心的接口来注册。

(3) I2C设备驱动
I2C设备驱动是对I2C硬件体系结构中设备端的实现。设备一般挂接在受CPU控制的I2C适配器上，通过I2C适配器与CPU交换数据。I2C设备驱动主要包含了数据结构i2c_driver和i2c_client，mma7660驱动需要实现其中的成员函数。
在Linux内核源代码中的drivers目录下的i2c_dev.c文件，实现了I2C适配器设备文件的功能，应用程序通过“i2c-%d”文件名并使用文件操作接口open()、write()、read()、ioctl()和close()等来访问这个设备。应用层可以借用这些接口访问挂接在适配器上的I2C设备的存储空间或寄存器并控制I2C设备的工作方式。

6.2 mma7660操作流程

6.2.1 初始化

6.2.2 探测设备

6.2.3 移除设备

6.2.4 采集数据

6.2.5 睡眠和唤醒

Suspend处理：关闭mma7660模组；
Resume处理：使能mma7660模组；

[cpp] view plaincopy

1. staticint mma7660_suspend(struct i2c_client *client, pm_message_t mesg) 
2. { 
3.    int result; 
4. result = i2c_smbus_write_byte_data(client, MMA7660_MODE,  
5.                                MK_MMA7660_MODE(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0)); 
6.     assert(result==0); 
7.    return result; 
8. } 
9.  
10. staticint mma7660_resume(struct i2c_client *client) 
11. { 
12.    int result; 
13. result = i2c_smbus_write_byte_data(client, MMA7660_MODE,  
14.                                 MK_MMA7660_MODE(0, 1, 0, 0, 0, 0, 1)); 
15.     assert(result==0); 
16.    return result; 
17. } 
18.  
19. staticstruct i2c_driver mma7660_driver = { 
20.     .driver = { 
21.         .name = MMA7660_DRV_NAME, 
22.         .owner = THIS_MODULE, 
23.     }, 
24.     .class = I2C_CLASS_HWMON, 
25.     .suspend = mma7660_suspend, 
26.     .resume = mma7660_resume, 
27.     .probe = mma7660_probe, 
28.     .detect = mma7660_detect, 
29. //  .address_data = &addr_data, 
30.     .remove = __devexit_p(mma7660_remove), 
31.     .id_table = mma7660_id, 
32. }; 

6.3 命令行调试

6.3.1 sysfs调试接口

（1） 定义sysfs attribute相关数据结构；

[cpp] view plaincopy

1. static SENSOR_DEVICE_ATTR(all_axis_force, S_IRUGO, show_xyz_force, NULL, 0); 
2. static SENSOR_DEVICE_ATTR(x_axis_force, S_IRUGO, show_axis_force, NULL, 0); 
3. static SENSOR_DEVICE_ATTR(y_axis_force, S_IRUGO, show_axis_force, NULL, 1); 
4. static SENSOR_DEVICE_ATTR(z_axis_force, S_IRUGO, show_axis_force, NULL, 2); 
5. static SENSOR_DEVICE_ATTR(orientation, S_IRUGO, show_orientation, NULL, 0); 
6.  
7. staticstruct attribute* mma7660_attrs[] = 
8. { 
9.     &sensor_dev_attr_all_axis_force.dev_attr.attr, 
10.     &sensor_dev_attr_x_axis_force.dev_attr.attr, 
11.     &sensor_dev_attr_y_axis_force.dev_attr.attr, 
12.     &sensor_dev_attr_z_axis_force.dev_attr.attr, 
13.     &sensor_dev_attr_orientation.dev_attr.attr, 
14.     NULL 
15. }; 
16.  
17. staticconststruct attribute_group mma7660_group = 
18. { 
19.     .attrs = mma7660_attrs, 
20. }; 

（2） 在probe函数中创建sysfs文件系统；

[cpp] view plaincopy

1. result = sysfs_create_group(&client->dev.kobj, &mma7660_group); 
2. if (result != 0) { 
3.     ERR("sysfs_create_group err\n"); 
4.    goto exit_sysfs_creat_failed; 
5. } 

（3） 实现sysfs属性相关的读写函数；

[cpp] view plaincopy

1. ssize_t show_orientation(struct device *dev, struct device_attribute *attr,char *buf) 
2. { 
3.    int result; 
4. u8 tilt, new_orientation; 
5.  
6.     mma7660_read_tilt(&tilt); 
7.     DBG("tilt [0x%x]\n", tilt); 
8.     new_orientation = tilt & 0x1f; 
9.    if (orientation!=new_orientation) 
10.         orientation = new_orientation; 
11.  
12.    switch ((orientation>>2)&0x07) { 
13.        case 1: 
14.             result = sprintf(buf,"Left\n"); 
15.            break; 
16.        case 2: 
17.             result = sprintf(buf,"Right\n"); 
18.            break; 
19.        case 5: 
20.             result = sprintf(buf,"Downward\n"); 
21.            break; 
22.        case 6: 
23.             result = sprintf(buf,"Upward\n"); 
24.            break; 
25.        default: 
26.            switch(orientation & 0x03) { 
27.                case 1: 
28.                     result = sprintf(buf,"Front\n"); 
29.                    break; 
30.                case 2: 
31.                     result = sprintf(buf,"Back\n"); 
32.                    break; 
33.                default: 
34.                     result = sprintf(buf,"Unknown\n"); 
35.         } 
36.     } 
37.    return result; 
38. } 

[cpp] view plaincopy

1. ssize_t show_xyz_force(struct device *dev, struct device_attribute *attr,char *buf) 
2. { 
3.    int i; 
4.     s8 xyz[3]; 
5.  
6.    for (i=0; i<3; i++) 
7.         mma7660_read_xyz(i, &xyz[i]); 
8.  
9.    return sprintf(buf,"(%d,%d,%d)\n", xyz[0], xyz[1], xyz[2]); 
10. } 
11.  
12. ssize_t show_axis_force(struct device *dev, struct device_attribute *attr,char *buf) 
13. { 
14.     s8 force; 
15.    int n = to_sensor_dev_attr(attr)->index; 
16.  
17. mma7660_read_xyz(n, &force); 
18.  
19.    return sprintf(buf,"%d\n", force); 
20. } 

6.3.2 Gsensor调试实例

[plain] view plaincopy

1. /sys/devices/platform/gl5201-i2c.1/i2c-1/1-004c # ls 
2. uevent 
3. name 
4. modalias 
5. subsystem 
6. power 
7. driver 
8. all_axis_force 
9. x_axis_force 
10. y_axis_force 
11. z_axis_force 
12. orientation 
13. input 
14. /sys/devices/platform/gl5201-i2c.1/i2c-1/1-004c # cat all_axis_force  
15. (-1,0,22) 

7 Hardware

7.1 mma7660模组

7.2 关键特性

• Sampling Resolution: 6bit
• Digital Output (I2C)
• 3mm x 3mm x 0.9mm DFN Package
• Low Power Current Consumption:

    Off Mode: 0.4 μA,
    Standby Mode: 2 μA,
    Active Mode: 47 μA at 1 ODR

• Configurable Samples per Second from 1 to 120 samples
• Low Voltage Operation:

    Analog Voltage: 2.4 V - 3.6 V
    Digital Voltage: 1.71 V - 3.6 V

• Auto-Wake/Sleep Feature for Low Power Consumption
• Tilt Orientation Detection for Portrait/Landscape Capability
• Gesture Detection Including Shake Detection and Tap Detection

7.2.1 功能模块图

7.2.2 硬件连接图

7.2.3 运动检测原理

mma7660是一种电容式3轴g-sensor，其技术原理是在wafer的表面做出梳状结构，当产生动作时，由侦测电容差来判断变形量，反推出加速度的值。
简单物理模型如下图：

7.2.4 I2C读写时序

7.2.5 工作状态机

7.2.6 寄存器定义

7.2.7 事件检测

• 方向和摇动检测

• 轻拍或倾斜检测