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[ART smart 开发板] 移植RIL到ART-Smart（二）共享内存

发布于 2022-05-15 11:52:28 浏览：751 订阅该版

[tocm]

# 背景简介
本次移植的linux ril中，rild作为一个client与modem通过AT命令交互，同时也作为一个server与应用通信。在`/libd/ril.c`中，已经将各个服务封装为C接口，应用可以```include <ril.h>```调用接口实现各个功能，无需关心其与rild直接的通信部分。

```C
int  Dial(char *pCallingNumber);
int  Answer();
int  HangUp();
int  SendDTMF(char cDtmf);
int  SendSMS(char *pNumber, char *pMessage, int nType);
int  SetSpeakerVolume(int nVol);
...
int  GetLastError(void);
int  GetModemVolume(void);
int  GetModemMicGain(void);
int  GetLTEBands(void);
int  GetWCDMABands(void);
int  GetNWScanMode(void);
```

这些接口与rild直接的通信主要通过两种方式，一种是在应用启动初期，通过一个固定的key拿到一块共享内存，并将其映射到自己的虚拟内存空间。这块共享内存主要包含一些modem的基本信息、rild版本号以及接下来消息队列通信中用到的mqID。而之后，应用的接口调用和主动上报监听则主要通过消息队列的机制传递。

这里有一个比较有意思的操作，在client端，共享内存的加载不是在main中，而是位于```void _attach()```函数，这个attach函数在程序中并没有显式调用，而是进行了如下定义：
```c
static void _attach() __attribute__((constructor));
```

经过查阅资料，这是gcc对C语言的一种扩展，constructor就是要先于main函数被调用，而对应的destructor这是要在main函数结束或者exit的时候执行。

rild共享内存中存放的数据结构如下：
```C
typedef struct{

int          agentPID;
  int          agentQue;  // for client -> server
  int          tcpipQue;
  char         strAgentVer[MAX_VERSION_LENGTH];
  ModemInfo    modemInfo;
  UiccInfo     simInfo;
  IPAddrT      modemIP;
  int          nRSSI;
  int          nRSRQ;
  int          nRSRP;
  int          nRadioTech;
  int          nRegistration;
  int          eRASState ;
  int          eATDState ;
  int          eSIMState ;
  int          eSMSState ;
  int          eGPSState ;
  int          nRejectCode;
  int          nModemVolume;
  int          nModemMicGain;
  int          nWCDMABands;
  int          nLTEBands;
  int          nNwScanMode;
} SharedData;
```

# 共享内存
不知道这样说合不合适，目前为止，共享内存是最快速的进程间通信方式，原因在于进行通信的进程pcb的地址空间的共享区同时映射到了一块物理内存上，通过虚拟地址直接找到访问上面的数据；这些进程间数据传递不再涉及到内核的系统接口的调用。

共享内存区按标准可分为Posix共享内存和System V共享内存，两者在概念上类似。

Posix 表示可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface ，缩写为 POSIX ），POSIX标准定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准，是IEEE为要在各种UNIX操作系统上运行的软件而定义的一系列API标准的总称，其正式称呼为IEEE 1003，而国际标准名称为ISO/IEC 9945。

System V，曾经也被称为 AT&T System V，是Unix操作系统众多版本中的一支。它最初由 AT&T 开发，在1983年第一次发布。一共发行了4个 System V 的主要版本：版本1、2、3 和 4。

还有一个与之相关的概念叫做内存映射mmap，mmap与共享内存最大的区别在于，mmap的底层支撑实体是文件，而共享内存的支撑实体是物理内存。因此二者的差异就是，mmap大小不受物理内存大小限制，关机可保存但是效率相对共享内存较低。而共享内存效率非常高，但是不能大于物理内存，且断电后其中存储的信息会丢失。

![mmap和shm.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220515/fed06ada0f8534c3df7229bacc3dfac7.png)

## POSIX中定义的共享内存方法

POSIX中有关共享内存的接口定义如下：
```C
//创建/获取共享内存
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

//删除共享内存
int shm_unlink(const char *name);

//修改共享内存大小
int ftruncate(int fd, off_t length);

//获取共享内存状态
int fstat(int fd, struct stat *buf);

//映射共享内存
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

//卸载共享内存
int munmap(void *addr, size_t length);

```

与SystemV信号相比，POSIX使用了文件系统来标识共享内存，并且调用操作文件的接口来操作共享内存。每创建一个POSIX共享内存，挂载在`/dev/shm`下的tmpfs文件系统中就会新增一个文件。
POSIX共享内存的大小可以动态调整，因为POSIX共享内存是基于文件的，所以可以很方便地通过ftruncate函数来调整共享内存的大小。

## System V定义的共享内存方法
system V中有关共享内存的接口定义如下：

```C
//创建/获取共享内存
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

//控制共享内存
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

//映射共享内存到用户空间
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

//将共享内存从用户空间解绑
int shmdt(const void *shmaddr);
```

SystemV共享内存的大小在创建时就已经确定，无法再做调整。

## RT smart中的共享内存方法
RT-smart中，shm方法在```lwp_shm.h```中定义：
```C
int lwp_shmget(size_t key, size_t size, int create);
int lwp_shmrm(int id);
void* lwp_shmat(int id, void* shm_vaddr);
int lwp_shmdt(void* shm_vaddr);
void *lwp_shminfo(int id);
int lwp_shm_ref_inc(struct rt_lwp *lwp, void *shm_vaddr);
int lwp_shm_ref_dec(struct rt_lwp *lwp, void *shm_vaddr);
```
这部分的代码实现是开放出来的，有兴趣的同学可以研究一下。

# Linux Ril中使用共享内存交互
## Rild
rild中主要使用共享内存和client交互，在Initialize client interface的时候创建共享内存并映射到用户空间

```C
void Initialize(int pid, int qid, int tcp_qid)
{
...
  sharedMemID = shmget((key_t)SHARED_MEMORY_KEY, sizeof(SharedData), 0666 | IPC_CREAT);
  if(sharedMemID == -1){
      DEBUG(MSG_ERROR, "Initialize shmget error\r\n");
      perror("shmget failed : ");
      exit(0);
  }

g_pSharedData = (SharedData *)shmat(sharedMemID, NULL, 0);
  if((void *)g_pSharedData ==(void * )-1){
      DEBUG(MSG_ERROR, "Initialize shmat error\r\n");
      perror("shmat failed : ");
      exit(0);
  }

memset(g_pSharedData, 0x0, sizeof(SharedData));
...
}
```

在Uninitialize client interface的时候将共享内存从用户空间解绑。

```C
void Uninitialize(void)
{
  struct shmid_ds ds;

...
  shmdt(g_pSharedData);

shmctl(sharedMemID, IPC_STAT, &ds);

if (0 == ds.shm_nattch)
  {
    shmctl(sharedMemID, IPC_RMID, NULL);  
  }
...

msgctl(clientQueID, IPC_RMID, NULL);  
}
```

## Client接口

在Client端，主要是通过constructro和deconstructor机制，在应用启动前和退出后对共享内存绑定和解绑。

```C
void _attach()
{
  int shm_id;
  
  shm_id = shmget((key_t)SHARED_MEMORY_KEY, sizeof(SharedData), 0666 | IPC_CREAT);
  if(shm_id == -1){
      perror("shmget failed : ");
      return;
  }

s_pSharedData = (SharedData *)shmat(shm_id, NULL, 0);
  if((void *)s_pSharedData ==(void *)-1){
      perror("shmat failed : ");
      return;
  }
  s_sharedID = shm_id;
  
  printf("### _attach(%d) ###\r\n", shm_id);
}
```

```C
void _detach()
{
...
  
  shmdt(s_pSharedData);
  shmctl(shm_id, IPC_STAT, &ds);

if (0 == ds.shm_nattch)
  {
    shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL);  
  }
}
```

解绑这一步非常关键，如果多次将同一块共享内存在用户空间进行绑定，会在用户空间生成多块一样的引用，造成空间浪费，甚至导致用户空间地址耗尽!

可以发现，当前的linux ril使用的是system V定义的共享内存接口，这在RT smart中是没有实现的，但是其与lwp中定义的共享内存接口非常像，我们很轻松就可以移植进去。

# 调试
替换成功后，我们把rild和telephony两个应用push到开发板
查看当前系统中的共享内存, 当前还没有共享内存被创建。

![b89239c3206523fce3ea78698b74fefb.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220515/b89239c3206523fce3ea78698b74fefb.png)

启动rild
```
cd bin
rild.elf -d /dev/uart22 -v &
```

再次查看系统中的共享内存，可以看到rild创建共享内存成功，key为0x4d2，与代码中的key是对应的
```C
 #define SHARED_MEMORY_KEY      1234
```
![5655edb513090f698848938e3a681821.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220515/5655edb513090f698848938e3a681821.png)

启动telephony
```
 telephony.elf &
```

运行telephony获取modem信息的功能，可以得到结果
![01d1d41098af3a6426c7cad3480328f8.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220515/01d1d41098af3a6426c7cad3480328f8.png)

IMEI 和ICCID都已经是空值，说明已经被rild进行过初始化

而如果不执行rild，直接运行telephony，则会显示很多乱码

![d938c2047acb145b3852a6ad18b8393d.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220515/d938c2047acb145b3852a6ad18b8393d.png)

以上说明两个应用已经链接到了同一块共享内存，并且rild的初始化信息可以同步到telephony进程中。

# 代码
[Linux ril开源组件 github](https://github.com/keipy/linux-rild/)

[我的RT-Thread Smart开发仓库 gitee](https://gitee.com/yu-wang-yy/ART-Pi-smart/)

# 总结
1. RT smart中提供的shm接口和POSIX / systemV 接口的兼容度还是很高的，移植起来不怎么废力。
2. 本次主要是验证了创建、绑定共享内存，对于共享内存的control接口并没有太多的研究，lwp也提供了共享内存rm和getinfo接口，有时间可以试一试。
3. 共享内存在使用上，如何同步，避免竞争其实是个大问题，这部分一般要依赖于其他的IPC机制实现，linux ril中是通过消息队列实现的，这个问题在之后的移植中还要多多注意。
4. 时间仓促，很快就要归还板子了，我这种移植方法比较粗暴，直接修改了源码其实是不太好的，后期全部功能验证ok了以后，可以考虑一下如何修改更加优雅。可以从预编译替换，或者最起码要区分平台，用宏控制一下。