Los teléfonos inteligentes contienen varios procesadores, cada uno optimizado para realizar diferentes tareas. Sin embargo, Android sólo se ejecuta en un procesador: el procesador de aplicaciones (AP). El AP está diseñado para ofrecer un excelente rendimiento en casos de uso con pantalla encendida, como 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 manejar 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.
Context Hub Runtime Environment (CHRE) proporciona una plataforma común para ejecutar aplicaciones en un procesador de bajo consumo, con una API simple, estandarizada y compatible con integración. CHRE facilita a los OEM de dispositivos y a sus socios de confianza descargar el procesamiento desde el AP, ahorrar batería y mejorar diversas áreas de la experiencia del usuario, y habilitar una clase de funciones siempre activas y contextualmente conscientes, especialmente aquellas que involucran la aplicación de la máquina. aprendiendo a sentir el ambiente.
Conceptos clave
CHRE es el entorno de software donde pequeñas aplicaciones nativas, llamadas nanoapps , se ejecutan en un procesador de bajo consumo e interactúan con el sistema subyacente a través de la API CHRE común. Para acelerar la implementación adecuada de las API de CHRE, en AOSP se incluye una implementación de referencia multiplataforma de CHRE. La implementación de referencia incluye código común y abstracciones del hardware y software subyacentes a través de una serie de capas de abstracción de plataforma (PAL). Las nanoaplicaciones casi siempre están vinculadas a una o más aplicaciones cliente que se ejecutan en Android, que interactúan con CHRE y las nanoaplicaciones a través de las API del sistema ContextHubManager de acceso restringido.
A alto nivel, se pueden establecer paralelismos entre la arquitectura de CHRE y Android en su conjunto. Sin embargo, hay algunas distinciones importantes:
- CHRE admite la ejecución únicamente de nanoaplicaciones desarrolladas en código nativo (C o C++); Java no es compatible.
- Debido a limitaciones de recursos y de seguridad, CHRE no está abierto para su uso por aplicaciones Android arbitrarias de terceros. Sólo las aplicaciones confiables del sistema pueden acceder a él.
También hay que hacer una distinción importante entre el concepto de CHRE y un centro de sensores. Si bien es común usar el mismo hardware para implementar el concentrador de sensores y CHRE, el CHRE en sí no proporciona la funcionalidad del sensor requerida por los sensores HAL de Android . CHRE está vinculado a Context Hub HAL y actúa como cliente de un marco de sensor específico del dispositivo para recibir datos del sensor sin involucrar al AP.
Figura 1. Arquitectura del marco CHRE
Centro de contexto HAL
La capa de abstracción de hardware (HAL) de Context Hub es la interfaz entre el marco de Android y la implementación CHRE del dispositivo, definida en hardware/interfaces/contexthub . Context Hub HAL define las API a través de las cuales el marco de Android descubre centros de contexto disponibles y sus nanoaplicaciones, interactúa con esas nanoaplicaciones a través del paso de mensajes y permite que las nanoaplicaciones se carguen y descarguen. Una implementación de referencia de Context Hub HAL que funciona con la implementación de referencia de CHRE está disponible en system/chre/host .
En caso de conflicto entre esta documentación y la definición de HAL, la definición de HAL tiene prioridad.
Inicialización
Cuando se inicia Android, ContextHubService invoca la función HAL getHubs() para determinar si hay centros de contexto disponibles en el dispositivo. Esta es una llamada de bloqueo única, por lo que debe completarse rápidamente para evitar retrasar el inicio y debe devolver un resultado preciso, ya que no se pueden introducir nuevos centros de contexto después.
Cargando y descargando nanoapps
Un centro de contexto puede incluir un conjunto de nanoaplicaciones que se incluyen en la imagen del dispositivo y se cargan cuando se inicia CHRE. Estas se conocen como nanoaplicaciones precargadas y deben incluirse en la primera respuesta posible a queryApps() .
Context Hub HAL también admite la carga y descarga de nanoaplicaciones dinámicamente en tiempo de ejecución, a través de las funciones loadNanoApp() y unloadNanoApp() . Las nanoaplicaciones se proporcionan a HAL en un formato binario específico para la implementación de hardware y software CHRE del dispositivo.
Si la implementación para cargar una nanoaplicación implica escribirla en una memoria no volátil, como un almacenamiento flash conectado al procesador que ejecuta CHRE, entonces la implementación de CHRE siempre debe iniciarse con estas nanoaplicaciones dinámicas en estado deshabilitado. Esto significa que no se ejecuta nada del código de la nanoapp hasta que se recibe una solicitud enableNanoapp() a través de HAL. Las nanoaplicaciones precargadas se pueden inicializar en el estado habilitado.
El centro de contexto se reinicia
Si bien no se espera que CHRE se reinicie durante el curso del funcionamiento normal, puede ser necesario recuperarse de condiciones inesperadas, como un intento de acceder a una dirección de memoria no asignada. En estas situaciones, CHRE se reinicia independientemente de Android. HAL notifica esto a Android a través del evento RESTARTED , que debe enviar solo después de que CHRE se haya reiniciado hasta el punto de que pueda aceptar nuevas solicitudes, como queryApps() .
Descripción general del sistema CHRE
CHRE está diseñado en torno a una arquitectura basada en eventos, donde la unidad principal de cálculo es un evento pasado al punto de entrada de manejo de eventos de una nanoaplicación. Si bien el marco CHRE puede ser multiproceso, una nanoaplicación determinada nunca se ejecuta desde varios subprocesos en paralelo. El marco CHRE interactúa con una nanoaplicación determinada a través de uno de los tres puntos de entrada de la nanoaplicación ( nanoappStart() , nanoappHandleEvent() y nanoappEnd() ) o mediante una devolución de llamada proporcionada en una llamada API CHRE anterior, y las nanoaplicaciones interactúan con el marco CHRE y el sistema subyacente a través de la API CHRE. La API CHRE proporciona un conjunto de funcionalidades básicas, así como instalaciones para acceder a señales contextuales, incluidos sensores, GNSS, Wi-Fi, WWAN y audio, y se puede ampliar con capacidades adicionales específicas del proveedor para su uso con nanoaplicaciones específicas del proveedor. .
Sistema de construcción
Si bien Context Hub HAL y otros componentes necesarios del lado AP se crean junto con Android, el código que se ejecuta dentro de CHRE puede tener requisitos que lo hacen 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 nanoaplicaciones y, opcionalmente, el marco CHRE en bibliotecas que se pueden integrar con el sistema. Los fabricantes de dispositivos que agreguen soporte para CHRE deben integrar el soporte del sistema de compilación para sus dispositivos de destino en AOSP.
La API CHRE está escrita en el estándar de lenguaje C99 y la implementación de referencia utiliza un subconjunto restringido de C++ 11 adecuado para aplicaciones con recursos limitados.
API CHRE
La API CHRE es una colección de archivos de encabezado C que definen la interfaz de software entre una nanoaplicación y el sistema. Está diseñado para hacer que el código de nanoapps sea compatible en 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 sea necesario volver a compilarlo específicamente para el procesador del dispositivo de destino. conjunto de instrucciones o interfaz binaria de aplicación (ABI). La arquitectura CHRE y el diseño de API también garantizan que las nanoaplicaciones sean compatibles binariamente entre diferentes versiones de la API CHRE, lo que significa que no es necesario volver a compilar una nanoaplicación para ejecutarla en un sistema que implemente una versión diferente de la API CHRE en comparación con la API de destino con la que se compila la nanoapp. En otras palabras, si un binario de nanoapp se ejecuta en un dispositivo que admite CHRE API v1.3 y ese dispositivo se actualiza para admitir CHRE API v1.4, el mismo binario de nanoapp continúa funcionando. De manera similar, la nanoaplicación puede ejecutarse en CHRE API v1.2 y puede determinar en tiempo de ejecución si requiere funcionalidad de API v1.3 para lograr su funcionalidad, o si puede operar, potencialmente con una degradación elegante de las funciones.
Se lanzan nuevas versiones de CHRE API junto con Android; sin embargo, como la implementación de CHRE es parte de la implementación del proveedor , la versión de CHRE API admitida en un dispositivo no está necesariamente vinculada a una versión de Android.
Resumen de versión
Al igual que el esquema de control de versiones HIDL de Android , la API CHRE sigue el control de versiones semántico . La versión principal indica compatibilidad binaria, mientras que la versión secundaria aumenta cuando se introducen funciones compatibles con versiones anteriores. La API CHRE incluye anotaciones de código fuente para identificar qué versión introdujo una función o 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 soporte para sensores y funcionalidades principales de nanoaplicaciones, como eventos y temporizadores.
Versión 1.1 (Android 8)
Introduce capacidades de ubicación a través de ubicación GNSS y mediciones sin procesar, escaneo de Wi-Fi e información de red celular, junto con mejoras generales para permitir la comunicación de nanoaplicación a nanoaplicación y otras mejoras.
Versión 1.2 (Android 9)
Agrega soporte para datos desde un micrófono de baja potencia, alcance Wi-Fi RTT, notificaciones de activación/suspensión AP y otras mejoras.
Versión 1.3 (Android 10)
Mejora las capacidades relacionadas con los datos de calibración del sensor, agrega soporte para descargar datos de sensores por lotes según demanda, define el tipo de sensor de detección de pasos y amplía los eventos de ubicación GNSS con campos de precisión adicionales.
Versión 1.4 (Android 11)
Agrega soporte para información de celdas 5G, volcado de depuración de nanoaplicaciones y otras mejoras.
Características obligatorias del sistema.
Si bien las fuentes de señales 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 API del sistema central, como aquellas para configurar temporizadores, enviar y recibir mensajes a clientes en el procesador de aplicaciones, iniciar sesión y otros. Para obtener detalles completos, consulte los encabezados de API .
Además de las características principales del sistema codificadas en la API CHRE, también hay características obligatorias a nivel del sistema CHRE especificadas en el nivel HAL de Context Hub. El más importante de ellos es la capacidad de cargar y descargar nanoaplicaciones dinámicamente.
Biblioteca estándar C/C++
Para minimizar el uso de memoria y la complejidad del sistema, se requiere que las implementaciones CHRE admitan solo un subconjunto de las bibliotecas y características del lenguaje estándar C y C++ que requieren soporte en tiempo de ejecución. Siguiendo estos principios, algunas funciones se excluyen explícitamente debido a su memoria y/o dependencias extensas a nivel del sistema operativo, y otras porque son reemplazadas por API específicas de CHRE más adecuadas. Si bien no pretende ser una lista exhaustiva, las siguientes capacidades no están destinadas a estar disponibles para las nanoaplicaciones:
- Excepciones de C++ e información de tipo de tiempo de ejecución (RTTI)
- Compatibilidad con subprocesos múltiples de biblioteca estándar, incluidos encabezados C++ 11
<thread>,<mutex>,<atomic>,<future> - Bibliotecas de entrada/salida estándar C y C++
- Biblioteca de plantillas estándar de C++ (STL)
- 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 inherentemente usan asignación dinámica, comostd::unique_ptr - Localización y compatibilidad con caracteres Unicode
- Bibliotecas de fecha y hora
- Funciones que modifican el flujo normal del programa, incluidas
<setjmp.h>,<signal.h>,abort,std::terminate - Acceder al entorno del host, incluido
system,getenv - POSIX y otras bibliotecas no incluidas en los estándares de lenguaje C99 o C++11
En muchos casos, una funcionalidad equivalente está disponible en las funciones API de CHRE y/o bibliotecas de utilidades. Por ejemplo, chreLog se puede usar para el registro de depuración dirigido al sistema logcat de Android, donde un programa más tradicional podría usar printf o std::cout .
Por el contrario, se requiere alguna funcionalidad de biblioteca estándar. Depende de la implementación de la plataforma exponerlos a través de bibliotecas estáticas para su inclusión en un binario de nanoaplicación, o mediante enlaces dinámicos entre la nanoaplicación y el sistema. Esto incluye, pero no se limita a:
- Utilidades de cadena/matriz:
memcmp,memcpy,memmove,memset,strlen Biblioteca matemática: funciones de punto flotante de precisión simple de uso común:
- Operaciones básicas:
ceilf,fabsf,floorf,fmaxf,fminf,fmodf,roundf,lroundf,remainderf - Funciones exponenciales/de potencia:
expf,log2f,powf,sqrtf - Funciones trigonométricas/hiperbólicas:
sinf,cosf,tanf,asinf,acosf,atan2f,tanhf
- Operaciones básicas:
Si bien algunas plataformas subyacentes admiten funciones adicionales, una nanoaplicación no se considera portátil en implementaciones de CHRE a menos que limite sus dependencias externas a las funciones de la API de CHRE y las funciones de biblioteca estándar aprobadas.
Características opcionales
Para promocionar el hardware y el software, la API CHRE se divide en áreas de características, que se consideran opcionales desde la perspectiva de la API. Si bien es posible que estas funciones no sean necesarias para admitir una implementación CHRE compatible, es posible que sean necesarias para admitir una nanoaplicación en particular. Incluso si una plataforma no admite un conjunto determinado de API, las nanoaplicaciones que hacen referencia a esas funciones deben poder compilarse y cargarse.
Sensores
La API CHRE brinda la capacidad de solicitar datos de sensores que incluyen acelerómetro, giroscopio, magnetómetro, sensor de luz ambiental y proximidad. Estas API están destinadas a proporcionar un conjunto de funciones similar a las API de sensores de Android, incluida la compatibilidad con el procesamiento por lotes de muestras de sensores para reducir el consumo de energía. El procesamiento de datos del sensor dentro de CHRE permite un procesamiento de señales de movimiento con mucha menor potencia y menor latencia en comparación con la ejecución en el AP.
GNSS
CHRE proporciona API para solicitar datos de ubicación de un sistema global de navegación por satélite (GNSS), incluido GPS y otras constelaciones de satélites. Esto incluye solicitudes de correcciones periódicas de posición, así como datos de medición sin procesar, aunque ambas son capacidades independientes. Como CHRE tiene un enlace directo al subsistema GNSS, la energía se reduce en comparación con las solicitudes GNSS basadas en AP, porque el AP puede permanecer inactivo durante todo el ciclo de vida de una sesión de ubicación.
Wifi
CHRE brinda la posibilidad de interactuar con el chip Wi-Fi, principalmente con fines de ubicación. Si bien GNSS funciona bien para ubicaciones al aire libre, los resultados de los escaneos de Wi-Fi pueden proporcionar información precisa de ubicación en interiores y en áreas desarrolladas. Además de evitar el costo de activar el AP para un escaneo, CHRE puede escuchar los resultados de los escaneos de Wi-Fi realizados por el firmware de Wi-Fi con fines de conectividad, que normalmente no se entregan al AP por razones de energía. Aprovechar los escaneos de conectividad con fines contextuales ayuda a reducir la cantidad total de escaneos de Wi-Fi realizados, lo que ahorra energía.
Se agregó compatibilidad con Wi-Fi en CHRE API v1.1, incluida la capacidad de monitorear los resultados del escaneo y activar escaneos a pedido. Estas capacidades se ampliaron en la versión 1.2 con la capacidad de realizar mediciones de tiempo de ida y vuelta (RTT) contra puntos de acceso que admiten la función, lo que permite una determinación precisa de la posición relativa.
WWAN
La API CHRE brinda la capacidad de recuperar información de identificación de celda para la celda de servicio y sus vecinas, que generalmente se usa con fines de ubicación de grano grueso.
Audio
CHRE puede procesar lotes de datos de audio desde un micrófono de baja potencia, que normalmente aprovecha el hardware utilizado para implementar SoundTrigger HAL. El procesamiento de datos de audio en CHRE puede permitir fusionarlos con otros datos, como sensores de movimiento.
Implementación de referencia
El código de referencia para el marco CHRE se incluye en 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 ayudar a garantizar la coherencia y acelerar la adopción de nuevas capacidades. Este código puede verse como un análogo del marco central de Android en el sentido de que es una implementación de código abierto de las API que utilizan las aplicaciones, que sirve como base y estándar para la compatibilidad. Si bien se puede personalizar y ampliar con capacidades específicas del proveedor, la recomendación es mantener el código común lo más cerca posible de la referencia. De manera similar a los HAL de Android, la implementación de referencia CHRE utiliza varias abstracciones de plataforma para permitir su adaptación a cualquier dispositivo que cumpla con los requisitos mínimos.
Para obtener detalles técnicos y una guía de portabilidad, consulte el archivo README incluido en el proyecto system/chre .