Os smartphones contêm vários processadores, cada um otimizado para executar tarefas diferentes. No entanto, o Android funciona apenas em um processador: o processador de aplicativos (AP). O AP foi ajustado para oferecer ótimo desempenho para casos de uso de tela ligada, como jogos, mas consome muita energia para oferecer suporte a recursos que exigem picos curtos e frequentes de processamento o tempo todo, mesmo quando a tela está desligada. Processadores menores são capazes de lidar com essas cargas de trabalho com mais eficiência, completando suas tarefas sem afetar significativamente a vida útil da bateria. No entanto, os ambientes de software nesses processadores de baixo consumo são mais limitados e podem variar muito, dificultando o desenvolvimento entre plataformas.
O Context Hub Runtime Environment (CHRE) fornece uma plataforma comum para executar aplicativos em um processador de baixo consumo de energia, com uma API simples, padronizada e fácil de incorporar. O CHRE torna mais fácil para os OEMs de dispositivos e seus parceiros de confiança descarregarem o processamento do AP, economizar bateria e melhorar diversas áreas da experiência do usuário, além de permitir uma classe de recursos sempre ativos e com reconhecimento contextual, especialmente aqueles que envolvem a aplicação de máquinas. aprendendo a sentir o ambiente.
Conceitos chave
CHRE é o ambiente de software onde pequenos aplicativos nativos, chamados nanoapps , são executados em um processador de baixo consumo de energia e interagem com o sistema subjacente por meio da API CHRE comum. Para acelerar a implementação adequada das APIs CHRE, uma implementação de referência multiplataforma do CHRE está incluída no AOSP. A implementação de referência inclui código comum e abstrações para o hardware e software subjacentes por meio de uma série de camadas de abstração de plataforma (PALs). Nanoapps estão quase sempre vinculados a um ou mais aplicativos clientes em execução no Android, que interagem com CHRE e nanoapps por meio de APIs do sistema ContextHubManager de acesso restrito.
Em alto nível, podem ser traçados paralelos entre a arquitetura do CHRE e o Android como um todo. No entanto, existem algumas distinções importantes:
- CHRE suporta a execução apenas de nanoapps desenvolvidos em código nativo (C ou C++); Java não é compatível.
- Devido a restrições de recursos e limitações de segurança, o CHRE não está aberto para uso por aplicativos Android arbitrários de terceiros. Somente aplicativos confiáveis do sistema podem acessá-lo.
Há também uma distinção importante a ser feita entre o conceito de CHRE e um hub de sensor. Embora seja comum usar o mesmo hardware para implementar o hub do sensor e o CHRE, o próprio CHRE não fornece a funcionalidade de sensor exigida pelo Android Sensors HAL . O CHRE está vinculado ao Context Hub HAL e atua como um cliente de uma estrutura de sensor específica do dispositivo para receber dados do sensor sem envolver o AP.
Figura 1. Arquitetura da estrutura CHRE
Hub de Contexto HAL
A camada de abstração de hardware (HAL) do Context Hub é a interface entre a estrutura Android e a implementação CHRE do dispositivo, definida em hardware/interfaces/contexthub . O Context Hub HAL define as APIs por meio das quais a estrutura do Android descobre hubs de contexto disponíveis e seus nanoapps, interage com esses nanoapps por meio da passagem de mensagens e permite que os nanoapps sejam carregados e descarregados. Uma implementação de referência do Context Hub HAL que funciona com a implementação de referência do CHRE está disponível em system/chre/host .
No caso de conflito entre esta documentação e a definição HAL, a definição HAL terá precedência.
Inicialização
Quando o Android é inicializado, o ContextHubService invoca a função getHubs() HAL para determinar se algum hub de contexto está disponível no dispositivo. Esta é uma chamada única e de bloqueio, por isso deve ser concluída rapidamente para evitar atrasos na inicialização e deve retornar um resultado preciso, pois novos hubs de contexto não podem ser introduzidos posteriormente.
Carregando e descarregando nanoapps
Um hub de contexto pode incluir um conjunto de nanoaplicativos incluídos na imagem do dispositivo e carregados quando o CHRE é iniciado. Eles são conhecidos como nanoapps pré-carregados e devem ser incluídos na primeira resposta possível a queryApps() .
O Context Hub HAL também oferece suporte ao carregamento e descarregamento de nanoapps dinamicamente em tempo de execução, por meio das funções loadNanoApp() e unloadNanoApp() . Nanoapps são fornecidos ao HAL em um formato binário específico para a implementação de hardware e software CHRE do dispositivo.
Se a implementação para carregar um nanoapp envolver gravá-lo em memória não volátil, como armazenamento flash conectado ao processador que executa o CHRE, então a implementação do CHRE deverá sempre inicializar com esses nanoapps dinâmicos no estado desabilitado. Isso significa que nenhum código do nanoapp é executado até que uma solicitação enableNanoapp() seja recebida por meio do HAL. Nanoapps pré-carregados podem ser inicializados no estado ativado.
O hub de contexto é reiniciado
Embora não se espere que o CHRE seja reiniciado durante a operação normal, pode ser necessário se recuperar de condições inesperadas, como uma tentativa de acessar um endereço de memória não mapeado. Nessas situações, o CHRE reinicia independentemente do Android. O HAL notifica o Android sobre isso por meio do evento RESTARTED , que deve ser enviado somente após o CHRE ter sido reinicializado a ponto de poder aceitar novas solicitações, como queryApps() .
Visão geral do sistema CHRE
O CHRE foi projetado em torno de uma arquitetura orientada a eventos, onde a unidade primária de computação é um evento passado para o ponto de entrada de manipulação de eventos de um nanoapp. Embora a estrutura CHRE possa ser multithread, um determinado nanoapp nunca é executado a partir de vários threads em paralelo. A estrutura CHRE interage com um determinado nanoapp por meio de um dos três pontos de entrada do nanoapp ( nanoappStart() , nanoappHandleEvent() e nanoappEnd() ) ou por meio de um retorno de chamada fornecido em uma chamada anterior da API CHRE, e os nanoapps interagem com a estrutura CHRE e o sistema subjacente por meio da API CHRE. A API CHRE fornece um conjunto de funcionalidades básicas, bem como recursos para acessar sinais contextuais, incluindo sensores, GNSS, Wi-Fi, WWAN e áudio, e pode ser estendida com recursos adicionais específicos do fornecedor para uso por nanoaplicativos específicos do fornecedor. .
Sistema de construção
Embora o Context Hub HAL e outros componentes necessários do lado do AP sejam criados junto com o Android, o código executado no CHRE pode ter requisitos que o tornam incompatível com o sistema de compilação do Android, como a necessidade de um conjunto de ferramentas especializado. Portanto, o projeto CHRE no AOSP fornece um sistema de construção simplificado baseado em GNU Make para compilar nanoapps e, opcionalmente, o framework CHRE em bibliotecas que podem ser integradas ao sistema. Os fabricantes de dispositivos que adicionam suporte para CHRE devem integrar o suporte do sistema de construção para seus dispositivos alvo no AOSP.
A API CHRE é escrita no padrão de linguagem C99 e a implementação de referência usa um subconjunto restrito de C++11 adequado para aplicativos com recursos limitados.
API CHRE
A API CHRE é uma coleção de arquivos de cabeçalho C que definem a interface de software entre um nanoapp e o sistema. Ele foi projetado para tornar o código dos nanoapps compatível em todos os dispositivos que suportam CHRE, o que significa que o código-fonte de um nanoapp não precisa ser modificado para suportar um novo tipo de dispositivo, embora possa precisar ser recompilado especificamente para o processador do dispositivo de destino conjunto de instruções ou interface binária de aplicativo (ABI). A arquitetura CHRE e o design da API também garantem que os nanoapps sejam compatíveis com binários em diferentes versões da API CHRE, o que significa que um nanoapp não precisa ser recompilado para ser executado em um sistema que implementa uma versão diferente da API CHRE em comparação com a API de destino na qual o nanoapp é compilado. Em outras palavras, se um binário nanoapp for executado em um dispositivo compatível com CHRE API v1.3 e esse dispositivo for atualizado para suportar CHRE API v1.4, o mesmo binário nanoapp continuará funcionando. Da mesma forma, o nanoapp pode ser executado na API CHRE v1.2 e pode determinar em tempo de execução se requer funcionalidade da API v1.3 para atingir sua funcionalidade ou se pode operar, potencialmente com degradação normal de recursos.
Novas versões da API CHRE são lançadas junto com o Android. No entanto, como a implementação do CHRE faz parte da implementação do fornecedor , a versão da API CHRE compatível com um dispositivo não está necessariamente vinculada a uma versão do Android.
Resumo da versão
Assim como o esquema de versionamento HIDL do Android , a API CHRE segue o versionamento semântico . A versão principal indica compatibilidade binária, enquanto a versão secundária é incrementada quando recursos compatíveis com versões anteriores são introduzidos. A API CHRE inclui anotações de código-fonte para identificar qual versão introduziu uma função ou parâmetro, por exemplo @since v1.1 .
A implementação CHRE também expõe uma versão de patch específica da plataforma por meio de chreGetVersion() , que indica quando correções de bugs ou pequenas atualizações são feitas na implementação.
Versão 1.0 (Android 7)
Inclui suporte para sensores e funcionalidades principais do nanoapp, como eventos e temporizadores.
Versão 1.1 (Android 8)
Introduz recursos de localização por meio de localização GNSS e medições brutas, varredura de Wi-Fi e informações de rede celular, juntamente com refinamentos gerais para permitir a comunicação de nanoaplicativo para nanoaplicativo e outras melhorias.
Versão 1.2 (Android 9)
Adiciona suporte para dados de um microfone de baixo consumo de energia, alcance Wi-Fi RTT, notificações de ativação/suspensão de AP e outras melhorias.
Versão 1.3 (Android 10)
Aprimora os recursos relacionados aos dados de calibração do sensor, adiciona suporte para liberação de dados do sensor em lote sob demanda, define o tipo de sensor de detecção de etapa e estende os eventos de localização GNSS com campos de precisão adicionais.
Versão 1.4 (Android 11)
Adiciona suporte para informações de células 5G, despejo de depuração de nanoapp e outras melhorias.
Recursos obrigatórios do sistema
Embora as fontes de sinais contextuais, como sensores, sejam categorizadas em áreas de recursos opcionais, algumas funções principais são necessárias em todas as implementações do CHRE. Isso inclui APIs principais do sistema, como aquelas para configuração de temporizadores, envio e recebimento de mensagens para clientes no processador de aplicativos, registro em log e outros. Para obter detalhes completos, consulte os cabeçalhos da API .
Além dos principais recursos do sistema codificados na API CHRE, também há recursos obrigatórios no nível do sistema CHRE especificados no nível HAL do Context Hub. O mais significativo deles é a capacidade de carregar e descarregar nanoapps dinamicamente.
Biblioteca padrão C/C++
Para minimizar o uso de memória e a complexidade do sistema, as implementações CHRE são necessárias para suportar apenas um subconjunto das bibliotecas C e C++ padrão e recursos de linguagem que exigem suporte em tempo de execução. Seguindo esses princípios, alguns recursos são explicitamente excluídos devido à sua memória e/ou extensas dependências no nível do sistema operacional, e outros porque são suplantados por APIs específicas do CHRE mais adequadas. Embora não pretenda ser uma lista exaustiva, os seguintes recursos não devem ser disponibilizados para nanoapps:
- Exceções C++ e informações de tipo de tempo de execução (RTTI)
- Suporte multithreading de biblioteca padrão, incluindo cabeçalhos C++ 11
<thread>,<mutex>,<atomic>,<future> - Bibliotecas de entrada/saída padrão C e C++
- Biblioteca de modelos padrão C++ (STL)
- Biblioteca de expressões regulares padrão C++
- Alocação dinâmica de memória por meio de funções padrão (por exemplo,
malloc,calloc,realloc,free,operator new) e outras funções de biblioteca padrão que usam inerentemente alocação dinâmica, comostd::unique_ptr - Localização e suporte a caracteres Unicode
- Bibliotecas de data e hora
- Funções que modificam o fluxo normal do programa, incluindo
<setjmp.h>,<signal.h>,abort,std::terminate - Acessando o ambiente host, incluindo
system,getenv - POSIX e outras bibliotecas não incluídas nos padrões de linguagem C99 ou C++11
Em muitos casos, funcionalidades equivalentes estão disponíveis nas funções da API CHRE e/ou bibliotecas de utilitários. Por exemplo, chreLog pode ser usado para registro de depuração direcionado ao sistema logcat do Android, onde um programa mais tradicional pode usar printf ou std::cout .
Por outro lado, algumas funcionalidades padrão da biblioteca são necessárias. Cabe à implementação da plataforma expô-los por meio de bibliotecas estáticas para inclusão em um binário nanoapp ou por link dinâmico entre o nanoapp e o sistema. Isso inclui, mas não está limitado a:
- Utilitários de string/matriz:
memcmp,memcpy,memmove,memset,strlen Biblioteca matemática: funções de ponto flutuante de precisão simples comumente usadas:
- Operações básicas:
ceilf,fabsf,floorf,fmaxf,fminf,fmodf,roundf,lroundf,remainderf - Funções exponenciais/de potência:
expf,log2f,powf,sqrtf - Funções trigonométricas/hiperbólicas:
sinf,cosf,tanf,asinf,acosf,atan2f,tanhf
- Operações básicas:
Embora algumas plataformas subjacentes suportem funcionalidades adicionais, um nanoapp não é considerado portátil em implementações CHRE, a menos que restrinja suas dependências externas às funções da API CHRE e às funções de biblioteca padrão aprovadas.
Recursos opcionais
Para promover hardware e software, a API CHRE é dividida em áreas de recursos, que são consideradas opcionais do ponto de vista da API. Embora esses recursos possam não ser necessários para oferecer suporte a uma implementação CHRE compatível, eles podem ser necessários para oferecer suporte a um nanoaplicativo específico. Mesmo que uma plataforma não suporte um determinado conjunto de APIs, os nanoapps que fazem referência a essas funções devem ser capazes de compilar e carregar.
Sensores
A API CHRE oferece a capacidade de solicitar dados de sensores, incluindo acelerômetro, giroscópio, magnetômetro, sensor de luz ambiente e proximidade. Essas APIs têm como objetivo fornecer um conjunto de recursos semelhante às APIs de sensores do Android, incluindo suporte para agrupamento de amostras de sensores para reduzir o consumo de energia. O processamento de dados do sensor no CHRE permite processamento de sinais de movimento com muito menos potência e menor latência em comparação com a execução no AP.
GNSS
A CHRE fornece APIs para solicitar dados de localização de um sistema global de navegação por satélite (GNSS), incluindo GPS e outras constelações de satélites. Isto inclui solicitações de correções periódicas de posição, bem como dados brutos de medição, embora ambos sejam recursos independentes. Como o CHRE tem um link direto com o subsistema GNSS, a energia é reduzida em comparação com as solicitações GNSS baseadas em AP, porque o AP pode permanecer adormecido durante todo o ciclo de vida de uma sessão de localização.
Wi-fi
O CHRE oferece a capacidade de interagir com o chip Wi-Fi, principalmente para fins de localização. Embora o GNSS funcione bem para locais externos, os resultados das varreduras de Wi-Fi podem fornecer informações precisas de localização em ambientes internos e em áreas desenvolvidas. Além de evitar o custo de ativar o AP para uma varredura, o CHRE pode ouvir os resultados das varreduras de Wi-Fi realizadas pelo firmware Wi-Fi para fins de conectividade, que normalmente não são entregues ao AP por motivos de energia. Aproveitar as verificações de conectividade para fins contextuais ajuda a reduzir o número total de verificações de Wi-Fi realizadas, economizando energia.
O suporte para Wi-Fi foi adicionado na API CHRE v1.1, incluindo a capacidade de monitorar resultados de varredura e acionar varreduras sob demanda. Esses recursos foram estendidos na versão 1.2 com a capacidade de realizar medições de Round-Trip Time (RTT) em pontos de acesso que suportam o recurso, o que permite a determinação precisa da posição relativa.
WWAN
A API CHRE fornece a capacidade de recuperar informações de identificação de célula para a célula servidora e seus vizinhos, o que normalmente é usado para fins de localização granular.
Áudio
O CHRE pode processar lotes de dados de áudio de um microfone de baixa potência, que normalmente aproveita o hardware usado para implementar o SoundTrigger HAL. O processamento de dados de áudio no CHRE pode permitir que eles sejam fundidos com outros dados, como sensores de movimento.
Implementação de referência
O código de referência para a estrutura CHRE está incluído no AOSP no projeto system/chre , implementado em C++11. Embora não seja estritamente obrigatório, é recomendado que todas as implementações do CHRE se baseiem nesta base de código, para ajudar a garantir a consistência e acelerar a adoção de novas capacidades. Esse código pode ser visto como análogo à estrutura central do Android, pois é uma implementação de código aberto de APIs que os aplicativos usam, servindo como linha de base e padrão de compatibilidade. Embora possa ser personalizado e ampliado com recursos específicos do fornecedor, a recomendação é manter o código comum o mais próximo possível da referência. Semelhante aos HALs do Android, a implementação de referência CHRE utiliza diversas abstrações de plataforma para permitir sua adaptação a qualquer dispositivo que atenda aos requisitos mínimos.
Para detalhes técnicos e um guia de portabilidade, consulte o README incluído no projeto system/chre .