Los smartphones contienen varios procesadores, cada uno optimizado para realizar diferentes tareas. Sin embargo, Android solo se ejecuta en un procesador: el procesador de aplicaciones (AP). El AP está optimizado para ofrecer un excelente rendimiento en casos de uso con la pantalla encendida, como los juegos, pero consume demasiada energía para admitir funciones que requieren ráfagas cortas y frecuentes de procesamiento todo el tiempo, incluso cuando la pantalla está apagada. Los procesadores más pequeños pueden controlar estas cargas de trabajo de manera más eficiente y completar sus tareas sin afectar notablemente la duración de la batería. Sin embargo, los entornos de software en estos procesadores de bajo consumo son más limitados y pueden variar mucho, lo que dificulta el desarrollo multiplataforma.
El entorno de tiempo de ejecución del centro de contexto (CHRE) proporciona una plataforma común para ejecutar apps en un procesador de bajo consumo, con una API simple, estandarizada y apta para dispositivos integrados. El CHRE facilita que los OEM de dispositivos y sus socios de confianza descarguen el procesamiento del AP para ahorrar batería y mejorar varias áreas de la experiencia del usuario, y habilitar una clase de funciones siempre activas y sensibles al contexto, en especial las que involucran la aplicación del aprendizaje automático a la detección ambiental.
Conceptos clave
El CHRE es el entorno de software en el que se ejecutan pequeñas apps nativas, llamadas nanoapps, en un procesador de bajo consumo y que interactúan con el sistema subyacente a través de la API común del CHRE. Para acelerar la implementación adecuada de las APIs del CHRE, se incluye en el AOSP una implementación de referencia multiplataforma del CHRE. La implementación de referencia incluye código y abstracciones comunes para el hardware y el software subyacentes a través de una serie de capas de abstracción de la plataforma (PAL). Las nanoapps casi siempre están vinculadas a una o más apps cliente que se ejecutan en Android, las cuales interactúan con el CHRE y las nanoapps a través de las APIs del sistema ContextHubManager de acceso restringido.
En un nivel alto, se pueden establecer paralelismos entre la arquitectura del CHRE y la de Android en su totalidad. Sin embargo, existen algunas diferencias importantes:
- El CHRE solo admite la ejecución de nanoapps desarrolladas en código nativo (C o C++); no se admite Java.
- Debido a las limitaciones de recursos y seguridad, el CHRE no está abierto para el uso de apps para Android de terceros arbitrarios. Solo las apps de confianza del sistema pueden acceder a él.
También es importante distinguir entre el concepto de CHRE y el de sensor hub. Si bien es común usar el mismo hardware para implementar el concentrador de sensores y el CHRE, el CHRE en sí no proporciona las capacidades del sensor que requiere el HAL de sensores de Android. El CHRE está vinculado a la HAL de Context Hub y actúa como cliente de un framework de sensores específico del dispositivo para recibir datos de sensores sin involucrar al AP.
Figura 1: Arquitectura del framework del CHRE
HAL del centro de contexto
La capa de abstracción de hardware (HAL) de Context Hub es la interfaz entre el framework de Android y la implementación de CHRE del dispositivo, que se define en hardware/interfaces/contexthub.
La HAL de Context Hub define las APIs a través de las cuales el framework de Android descubre los hubs de contexto disponibles y sus nanoapps, interactúa con esas nanoapps a través del paso de mensajes y permite que se carguen y descarguen las nanoapps. En system/chre/host, se encuentra disponible una implementación de referencia de la HAL de Context Hub que funciona con la implementación de referencia de CHRE.
En caso de conflicto entre esta documentación y la definición de HAL, prevalecerá la definición de HAL.
Inicialización
Cuando se inicia Android, ContextHubService invoca la función getHubs() de HAL para determinar si hay algún centro de contexto disponible en el dispositivo. Esta es una llamada de bloqueo única, por lo que debe completarse rápidamente para evitar retrasos en el inicio y debe devolver un resultado preciso, ya que no se pueden introducir nuevos centros de contexto después.
Cómo cargar y descargar nanoapps
Un centro de contexto puede incluir un conjunto de nanoapps que se incluyen en la imagen del dispositivo y se cargan cuando se inicia CHRE. Se conocen como nanoapps precargadas y deben incluirse en la primera respuesta posible a queryApps().
El HAL de Context Hub también admite la carga y descarga dinámicas de nanoapps en el tiempo de ejecución a través de las funciones loadNanoApp() y unloadNanoApp(). Las nanoapps se proporcionan a la HAL en un formato binario específico del hardware y la implementación de software del CHRE del dispositivo.
Si la implementación para cargar una nanoapp implica escribirla en la memoria no volátil, como el almacenamiento flash conectado al procesador que ejecuta CHRE, la implementación de CHRE siempre debe iniciarse con estas nanoapps dinámicas en el estado inhabilitado. Esto significa que no se ejecuta ningún código de la nanoapp hasta que se recibe una solicitud de enableNanoapp() a través del HAL. Las nanoapps precargadas se pueden inicializar en el estado habilitado.
Reinicios del centro de contexto
Si bien no se espera que CHRE se reinicie durante el curso de la operación normal, puede ser necesario recuperarse de condiciones inesperadas, como un intento de acceder a una dirección de memoria no asignada. En estas situaciones, el CHRE se reinicia de forma independiente de Android. El HAL notifica a Android sobre esto a través del evento RESTARTED, que solo debe enviar después de que se reinicialice el CHRE hasta el punto en que pueda aceptar solicitudes nuevas, como queryApps().
Descripción general del sistema CHRE
El CHRE se diseñó en torno a una arquitectura basada en eventos, en la que la unidad principal de procesamiento es un evento que se pasa al punto de entrada de control de eventos de una nanoapp. Si bien el framework del CHRE puede ser de múltiples subprocesos, un nanoapp determinado nunca se ejecuta desde múltiples subprocesos en paralelo. El framework de CHRE interactúa con una nanoapp determinada a través de uno de los tres puntos de entrada de nanoapps (nanoappStart(), nanoappHandleEvent() y nanoappEnd()) o a través de una devolución de llamada proporcionada en una llamada anterior a la API de CHRE, y las nanoapps interactúan con el framework de CHRE y el sistema subyacente a través de la API de CHRE. La API del CHRE proporciona un conjunto de capacidades básicas, así como recursos para acceder a indicadores contextuales, incluidos sensores, GNSS, Wi-Fi, WWAN y audio, y se puede extender con capacidades adicionales específicas del proveedor para que las usen las nanoapps específicas del proveedor.
Sistema de compilación
Si bien la HAL de Context Hub y otros componentes necesarios del lado del AP se compilan junto con Android, el código que se ejecuta dentro del CHRE puede tener requisitos que lo hagan incompatible con el sistema de compilación de Android, como la necesidad de una cadena de herramientas especializada. Por lo tanto, el proyecto CHRE en AOSP proporciona un sistema de compilación simplificado basado en GNU Make para compilar nanoapps y, de manera opcional, el framework de CHRE en bibliotecas que se pueden integrar con el sistema. Los fabricantes de dispositivos que agreguen compatibilidad con CHRE deben integrar la compatibilidad del sistema de compilación para sus dispositivos objetivo en AOSP.
La API del CHRE se escribe según el estándar del lenguaje C99, y la implementación de referencia usa un subconjunto restringido de C++11 adecuado para apps con recursos limitados.
API de CHRE
La API del CHRE es una colección de archivos de encabezado en C que definen la interfaz de software entre una nanoapp y el sistema. Está diseñado para que el código de las nanoapps sea compatible con todos los dispositivos que admiten CHRE, lo que significa que no es necesario modificar el código fuente de una nanoapp para admitir un nuevo tipo de dispositivo, aunque es posible que deba recompilarse específicamente para el conjunto de instrucciones del procesador o la interfaz binaria de la aplicación (ABI) del dispositivo objetivo. La arquitectura y el diseño de la API del CHRE también garantizan que las nanoapps sean compatibles a nivel binario en diferentes versiones de la API del CHRE, lo que significa que no es necesario volver a compilar una nanoapp para que se ejecute en un sistema que implemente una versión diferente de la API del CHRE en comparación con la API objetivo para la que se compila la nanoapp. En otras palabras, si un archivo binario de nanoapp se ejecuta en un dispositivo que admite la API de CHRE v1.3 y ese dispositivo se actualiza para admitir la API de CHRE v1.4, el mismo archivo binario de nanoapp sigue funcionando. Del mismo modo, el nanoapp puede ejecutarse en la versión 1.2 de la API de CHRE y puede determinar en el tiempo de ejecución si requiere capacidades de la versión 1.3 de la API para lograr su uso o si puede operar, posiblemente con una degradación gradual de las funciones.
Las nuevas versiones de la API de CHRE se lanzan junto con Android. Sin embargo, como la implementación de CHRE forma parte de la implementación del proveedor, la versión de la API de CHRE compatible con un dispositivo no está necesariamente vinculada a una versión de Android.
Resumen de la versión
Al igual que el esquema de control de versiones de HIDL de Android, la API de CHRE sigue el control de versiones semántico.
La versión principal indica compatibilidad binaria, mientras que la versión secundaria se incrementa cuando se introducen funciones retrocompatibles. La API de CHRE incluye anotaciones de código fuente para identificar qué versión introdujo una función o un parámetro, por ejemplo, @since v1.1.
La implementación de CHRE también expone una versión de parche específica de la plataforma a través de chreGetVersion(), que indica cuándo se realizan correcciones de errores o actualizaciones menores en la implementación.
Versión 1.0 (Android 7)
Incluye compatibilidad con sensores y capacidades principales de nanoapps, como eventos y temporizadores.
Versión 1.1 (Android 8)
Se introducen capacidades de ubicación a través de la ubicación GNSS y las mediciones sin procesar, la búsqueda de Wi-Fi y la información de la red móvil, junto con mejoras generales para habilitar la comunicación entre nanoapps y otras mejoras.
Versión 1.2 (Android 9)
Se agregó compatibilidad con datos de un micrófono de bajo consumo, medición de RTT de Wi-Fi, notificaciones de activación y suspensión de AP, y otras mejoras.
Versión 1.3 (Android 10)
Mejora las capacidades relacionadas con los datos de calibración del sensor, agrega compatibilidad para vaciar los datos del sensor por lotes a pedido, define el tipo de sensor de detección de pasos y extiende los eventos de ubicación del GNSS con campos de precisión adicionales.
Versión 1.4 (Android 11)
Se agregó compatibilidad con información de celdas 5G, volcado de depuración de nanoapp y otras mejoras.
Funciones obligatorias del sistema
Si bien las fuentes de indicadores contextuales, como los sensores, se clasifican en áreas de funciones opcionales, se requieren algunas funciones principales en todas las implementaciones de CHRE. Esto incluye las APIs principales del sistema, como las que se usan para configurar temporizadores, enviar y recibir mensajes a los clientes en el procesador de aplicaciones, registrar eventos y otras. Para obtener más detalles, consulta los encabezados de la API.
Además de las funciones principales del sistema codificadas en la API del CHRE, también hay funciones obligatorias a nivel del sistema del CHRE especificadas a nivel de la HAL del Context Hub. La más importante de estas es la capacidad de cargar y descargar nanoapps de forma dinámica.
Biblioteca estándar de C/C++
Para minimizar el uso de memoria y la complejidad del sistema, las implementaciones de CHRE deben admitir solo un subconjunto de las bibliotecas estándar de C y C++, y las funciones del lenguaje que requieren compatibilidad con el tiempo de ejecución. Según estos principios, algunas funciones se excluyen explícitamente debido a su memoria y a las extensas dependencias a nivel del SO, y otras porque se reemplazan por APIs más adecuadas específicas del CHRE. Si bien no se trata de una lista exhaustiva, las siguientes funciones no están disponibles para las nanoapps:
- Excepciones de C++ y la información de tipo en tiempo de ejecución (RTTI)
- Compatibilidad con subprocesos múltiples de la biblioteca estándar, incluidos los encabezados de C++11
<thread>,<mutex>,<atomic>y<future> - Bibliotecas de entrada y salida estándar de C y C++
- Biblioteca de plantillas estándar (STL) de C++
- Biblioteca de expresiones regulares estándar de C++
- Asignación de memoria dinámica a través de funciones estándar (por ejemplo,
malloc,calloc,realloc,free,operator new) y otras funciones de biblioteca estándar que usan inherentemente la asignación dinámica, comostd::unique_ptr - Compatibilidad con la localización y los caracteres Unicode
- Bibliotecas de fecha y hora
- Funciones que modifican el flujo normal del programa, incluidas
<setjmp.h>,<signal.h>,abortystd::terminate - Acceder al entorno host, incluidos
systemygetenv - POSIX y otras bibliotecas no incluidas en los estándares de lenguaje C99 o C++11
En muchos casos, las funciones de la API del CHRE y las bibliotecas de utilidades ofrecen capacidades equivalentes. Por ejemplo, chreLog se puede usar para el registro de depuración dirigido al sistema logcat de Android, en el que un programa más tradicional podría usar printf o std::cout.
En cambio, se requieren algunas capacidades de la biblioteca estándar. La implementación de la plataforma debe exponerlos a través de bibliotecas estáticas para su inclusión en un objeto binario de nanoapp o mediante la vinculación dinámica entre la nanoapp y el sistema. Esto incluye, entre otros, lo siguiente:
- Utilidades de cadenas y arrays:
memcmp,memcpy,memmove,memset,strlen Biblioteca de matemáticas: Funciones de punto flotante de precisión simple de uso frecuente:
- Operaciones básicas:
ceilf,fabsf,floorf,fmaxf,fminf,fmodf,roundf,lroundf,remainderf - Funciones exponenciales y de potencia:
expf,log2f,powf,sqrtf - Funciones trigonométricas e hiperbólicas:
sinf,cosf,tanf,asinf,acosf,atan2f,tanhf
- Operaciones básicas:
Si bien algunas plataformas subyacentes admiten capacidades adicionales, una nanoapp no se considera portátil en las implementaciones de CHRE, a menos que restrinja sus dependencias externas a las funciones de la API de CHRE y a las funciones de la biblioteca estándar aprobadas.
Funciones opcionales
Para promover el hardware y el software, la API de CHRE se divide en áreas de funciones, que se consideran opcionales desde la perspectiva de la API. Si bien es posible que estas funciones no sean necesarias para admitir una implementación de CHRE compatible, es posible que se requieran para admitir una nanoapp en particular. Incluso si una plataforma no admite un conjunto determinado de APIs, las nanoapps que hacen referencia a esas funciones deben poder compilarse y cargarse.
Sensores
La API del CHRE permite solicitar datos de sensores, como el acelerómetro, el giroscopio, el magnetómetro, el sensor de luz ambiente y el sensor de proximidad. Estas APIs están diseñadas para proporcionar un conjunto de funciones similar a las APIs de Android Sensors, incluido el soporte para el procesamiento por lotes de muestras de sensores para reducir el consumo de energía. El procesamiento de datos de sensores dentro del CHRE permite un procesamiento de señales de movimiento con mucha menor potencia y latencia en comparación con la ejecución en el AP.
GNSS
El CHRE proporciona APIs para solicitar datos de ubicación de un sistema global de navegación por satélite (GNSS), incluidos el GPS y otras constelaciones de satélites. Esto incluye las solicitudes de correcciones de posición periódicas y los datos de medición sin procesar, aunque ambas son capacidades independientes. Como el CHRE tiene un vínculo directo con el subsistema GNSS, se reduce la energía en comparación con las solicitudes de GNSS basadas en el AP, ya que el AP puede permanecer inactivo durante todo el ciclo de vida de una sesión de ubicación.
Wi-Fi
El CHRE permite interactuar con el chip Wi-Fi, principalmente para fines de ubicación. Si bien el GNSS funciona bien en ubicaciones al aire libre, los resultados de los análisis de Wi-Fi pueden proporcionar información de ubicación precisa en interiores y en áreas desarrolladas. Además de evitar el costo de activar el AP para un análisis, el CHRE puede escuchar los resultados de los análisis de Wi-Fi que realiza el firmware de Wi-Fi para fines de conectividad, que normalmente no se entregan al AP por motivos de consumo de energía. Aprovechar los análisis de conectividad para fines contextuales ayuda a reducir la cantidad total de análisis de Wi-Fi que se realizan, lo que ahorra energía.
Se agregó compatibilidad con Wi-Fi en la versión 1.1 de la API de CHRE, incluida la capacidad de supervisar los resultados de la búsqueda y activar búsquedas a pedido. Estas capacidades se extendieron en la versión 1.2 con la capacidad de realizar mediciones del tiempo de ida y vuelta (RTT) en puntos de acceso que admiten la función, lo que permite una determinación precisa de la posición relativa.
WWAN
La API del CHRE proporciona la capacidad de recuperar información de identificación de la celda para la celda de servicio y sus vecinas, que se suele usar para fines de ubicación aproximada.
Audio
El CHRE puede procesar lotes de datos de audio de un micrófono de bajo consumo, que suele aprovechar el hardware que se usa para implementar el HAL de SoundTrigger. El procesamiento de datos de audio en el CHRE permite fusionarlos con otros datos, como los de los sensores de movimiento.
Implementación de referencia
El código de referencia para el framework de CHRE se incluye en el AOSP en el proyecto system/chre, implementado en C++11. Si bien no es estrictamente necesario, se recomienda que todas las implementaciones de CHRE se basen en este código base para garantizar la coherencia y acelerar la adopción de nuevas capacidades. Este código se puede considerar análogo al framework principal de Android, ya que es una implementación de código abierto de las APIs que usan las apps, y sirve como referencia y estándar para la compatibilidad. Si bien se puede personalizar y extender con capacidades específicas del proveedor, se recomienda mantener el código común lo más cerca posible de la referencia. Al igual que los HAL de Android, la implementación de referencia de CHRE usa varias abstracciones de la plataforma para permitir que se adapte a cualquier dispositivo que cumpla con los requisitos mínimos.
Para obtener detalles técnicos y una guía de portabilidad, consulta el archivo README incluido en el proyecto system/chre.