基于安卓的非標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序設(shè)計

Android系統(tǒng)是Google推出的基于Linux內(nèi)核和Java架構(gòu)的操作系統(tǒng)，在很短的時間內(nèi)已成為主流的手機操作系統(tǒng)，并已逐步擴展應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)、平板電腦和上網(wǎng)本上。它既有Linux系統(tǒng)所具有的硬件平臺可移植性，也因使用Java語言開發(fā)應(yīng)用程序帶來了應(yīng)用軟件只編寫一次即可在所有平臺運行的巨大優(yōu)勢。Android雖然主要基于已有的技術(shù)，但在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計上有較大的創(chuàng)新。其主要設(shè)計目標(biāo)之一就是要使應(yīng)用程序和系統(tǒng)能獨立于具體的計算機體系結(jié)構(gòu)和硬件平臺，表現(xiàn)在設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計上，對于已有的Linux標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動程序可以直接繼續(xù)使用，只需為其增加應(yīng)用層JNI接口。但對于Linux沒有的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備則提倡在Linux內(nèi)核中驅(qū)動部分只做很少的接口工作，盡量把驅(qū)動程序的主要處理放在Android的上層架構(gòu)中，即在應(yīng)用層實現(xiàn)。本文對Android系統(tǒng)的底層實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行深入的研究，包括Android的硬件抽象層和JNI技術(shù)實現(xiàn)等。并以S3C2440開發(fā)板上的LED燈設(shè)計顯示驅(qū)動程序為例，提出了一種非標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計和實現(xiàn)方案。

1 Android系統(tǒng)驅(qū)動程序架構(gòu)

1.1 驅(qū)動程序分層體系結(jié)構(gòu)

Android是基于Linux的，它使用了Linux內(nèi)核，但應(yīng)用程序使用Java語言開發(fā)，所以應(yīng)用程序在調(diào)用設(shè)備驅(qū)動時不能像一般的Linux應(yīng)用程序那樣直接使用系統(tǒng)調(diào)用，必須通過Java虛擬機的JNI的本地（Native）方法使用設(shè)備。另一方面，Android要成為一個通用性強的平臺，必須加強它的可移植性。這也是在Android架構(gòu)添加一個硬件抽象層（HAL）的原因，目的是為設(shè)備的調(diào)用提供一個更高級的封裝圖1所示為Android驅(qū)動程序架構(gòu)。
HAL Stub是以Linux共享庫(*.so)的形式存在，在整個驅(qū)動架構(gòu)中，它是設(shè)備驅(qū)動程序運行在用戶空間的一部分，它向上為Dalvik虛擬機提供硬件設(shè)備的抽象接口，向下通過系統(tǒng)調(diào)用與Linux內(nèi)核中的驅(qū)動程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在這個過程中HAL可以對驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也就是說在Linux內(nèi)核中的驅(qū)動程序部分只需要提供一個與硬件設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)接口的功能，而其余具體的操作可以由HAL完成。

1.2 Android的硬件抽象層

Android的硬件抽象層HAL(Hardware Abstract Layer)在Android的架構(gòu)中是在庫這一層中，通過這一層，硬件廠商可以把部分設(shè)備的驅(qū)動源碼封裝在這一層而不公開源代碼。

對圖1分析，設(shè)計HAL就是為了把應(yīng)用框架和Linux內(nèi)核分離出來，讓Android使用Linux內(nèi)核而又不完全依賴Linux內(nèi)核。當(dāng)然，驅(qū)動程序并不是完全從Linux內(nèi)核中分離出來，一些基本的處理必須由內(nèi)核來完成，HAL只是分擔(dān)了Linux設(shè)備驅(qū)動的部分功能，至于這部分的功能占驅(qū)動程序功能的比例目前并沒有一個標(biāo)準(zhǔn)。

在Android系統(tǒng)發(fā)展過程中，HAL的實現(xiàn)也逐步有了一些變化，舊的HAL是一種模塊化的思想，通過共享庫的形式由Runtime在JNI時以函數(shù)調(diào)用方法調(diào)用，這種做法并沒有通過封裝，即上層應(yīng)用可以直接調(diào)用硬件。另外，這種方法可被多個進(jìn)程使用，映射到多個進(jìn)程空間中浪費內(nèi)存資源。

現(xiàn)在HAL提出一種Stub的思想，HAL Stub是一種代理的概念，Stub同樣是以共享庫(*.so)格式存在，但上層應(yīng)用并不像加載動態(tài)庫那樣調(diào)用Stub。這種HAL是由模塊與Stub結(jié)合而成，Runtime通過模塊提供的統(tǒng)一接口獲取并操作Stub。Stub向HAL提供操作的回調(diào)函數(shù)，Runtime向HAL取得指定模塊的操作函數(shù)后，調(diào)用這些回調(diào)函數(shù)。這是一種間接函數(shù)調(diào)用的方式，HAL里包含了多個Stub。圖2為HAL Stib原理。


1.3 Android的JNI實現(xiàn)原理

JNI是Java Native Interface的縮寫，是在Sun的Java平臺中首先定義出來的，它允許Java代碼與其他語言代碼進(jìn)行交互。Android中JNI的設(shè)計目的也是一樣：

(1) 應(yīng)用程序需要與硬件平臺交互時，Java庫中的類不可能支持；
(2) 本地已經(jīng)使用其他語言編寫的庫允許Java程序訪問；
(3) 某些功能用較低級的語言實現(xiàn)的執(zhí)行效率較高，讓Java程序調(diào)用這些函數(shù)。

在Android應(yīng)用層中的程序或組件都是用Java語言開發(fā)的，這些Java代碼編譯后變成Dex格式的字節(jié)碼，由Dalvik虛擬機執(zhí)行，在執(zhí)行過程中需要調(diào)用本地庫時，由虛擬機載入這些本地庫，然后讓Java函數(shù)調(diào)用庫中的函數(shù)，虛擬機相當(dāng)于一座橋梁，讓Java與本地庫能夠透過標(biāo)準(zhǔn)的JNI界面互相溝通。

應(yīng)用程序在虛擬機里執(zhí)行，通過函數(shù)System.loadLibrary( )通知虛擬機載入指定的庫，例如在Java代碼中包含代碼如：
… …
System.loadLibrary(“sample_jni”);
… …
虛擬機就會在Android文件系統(tǒng)的“/system/lib/”目錄中查找libsample_jni.so庫文件,虛擬機載入libsample_jni.so后，Java代碼就可以與庫文件結(jié)合起來一起執(zhí)行。

這些用C語言編寫的本地庫必須遵循規(guī)范，當(dāng)虛擬機執(zhí)行System.loadLibrary()函數(shù)時，首先執(zhí)行本地庫里的JNI_OnLoad()函數(shù)，這個函數(shù)需要實現(xiàn)的功能是：返回給虛擬機此本地庫使用的JNI版本；對庫進(jìn)行初始化。如果本地庫里沒有實現(xiàn)JNI_OnLoad()函數(shù)，虛擬機就會默認(rèn)本地庫使用最老的JNI 1.1版本。

JNI_OnUnload()函數(shù)與裝入函數(shù)相對應(yīng)，在虛擬機釋放該本地庫時，會調(diào)用JNI_OnUnload()函數(shù)進(jìn)行資源回收動作。

在應(yīng)用層的Java代碼通過虛擬機調(diào)用本地函數(shù)，一般要依賴于虛擬機查找?guī)炖锏谋镜睾瘮?shù)，如果需要調(diào)用比較頻繁，每次都要尋找一遍，就會花費較多的時間影響效率，在這里可以通過registerNativeMethods()函數(shù)把gMethods[]表格所含的本地函數(shù)注冊到虛擬機里。

2 Android硬件驅(qū)動程序設(shè)計

Android是一個開放平臺,在嵌入式移動設(shè)備領(lǐng)域里具有很好的應(yīng)用前景，但在不同的設(shè)備上往往有不同的硬件支持，要在Android中添加這些硬件應(yīng)用，不是單純地在Linux內(nèi)核中添加驅(qū)動模塊，還必須在用戶空間和應(yīng)用框架中添加對應(yīng)的支持。下面以給S3C2440開發(fā)板添加一個LED顯示控制驅(qū)動功能為例展示Android平臺添加新硬件支持的過程。

2.1 硬件驅(qū)動程序的框架

LED控制功能通過應(yīng)用程序來開關(guān)開發(fā)板上的LED燈。在應(yīng)用層中LED控制程序調(diào)用LED控制服務(wù)(Android Service)，應(yīng)用層中的LED控制服務(wù)通過JNI讓虛擬機加載LED控制的本地庫,然后向HAL獲取LED Stub，由Stub調(diào)用在Linux內(nèi)核中的LED驅(qū)動。圖3為LED控制功能的架構(gòu)設(shè)計。

從LED控制功能的架構(gòu)來分，整個功能可以分成五個模塊：LED驅(qū)動模塊、LED Stub模塊、LED本地服務(wù)模塊、LED服務(wù)管理模塊和LED應(yīng)用模塊。

2.2 HAL中的Stub的設(shè)計與實現(xiàn)

圖4是LED Stub的實現(xiàn)過程。LED Stub是硬件抽象層中LED控制的代理，當(dāng)LED控制的本地服務(wù)需要調(diào)用LED Stub時,通過函數(shù)hw_get_module( )結(jié)合LED Stub的模塊ID向HAL申請LED Stub，本地服務(wù)獲得Stub對象后，可以把Stub看作一個抽象硬件進(jìn)行操作。

下面是定義LED Stub的HAL結(jié)構(gòu)體：
struct led_module_t {
struct hw_module_t common;
}
struct led_module_t {
struct hw_module_t common;
int fd;
int(*ns_set_on)(struct led_control_device_t*dev,int32_t led);
int(*ns_set_off)(struct led_control_device_t*dev,int32_t led);
}

將結(jié)構(gòu)體led_module_t初始化一個實例名為HAL_MODULE_INFO_SYM，這個名稱不能修改，實例里包含了Stub的模塊信息，主要包括：

tag：標(biāo)記了結(jié)構(gòu)體的類型，這里的值為HARDWARE_MODULE_TAG；
id：LED Stub的模塊ID，在本地服務(wù)向HAL獲取Stub時調(diào)用的函數(shù)hw_get_module()中，通過這里的id查找LED Stub；
methods：是結(jié)構(gòu)體hw_module_methods_t的實例，為HAL定義回調(diào)函數(shù)open()。
這里的open()函數(shù)是一個必須實現(xiàn)的回調(diào)函數(shù)接口，在本地服務(wù)獲得Stub對象后調(diào)用，它負(fù)責(zé)申請結(jié)構(gòu)體led_control_device_t的空間，填充信息，注冊具體操作的回調(diào)函數(shù)接口并打開LED驅(qū)動。
結(jié)構(gòu)體led_control_device_t繼承了hw_device_t，在open()函數(shù)調(diào)用時填充的主要信息包括：
tag：結(jié)構(gòu)體的類型，這里的值為HARDWARE_DEVICE_TAG；
module：Stub的模塊,也就是實例HAL_MODULE_INFO_SYM中的hw_module_t部分；
close：釋放LED Stub的回調(diào)函數(shù)；
fd：打開設(shè)備驅(qū)動文件返回的文件描述符；
ns_set_on：打開LED燈的回調(diào)函數(shù)指針；
ns_set_off：關(guān)閉LED燈的回調(diào)函數(shù)指針。

回調(diào)函數(shù)指針“*ns_set_on”和“*ns_set_off”分別指向?qū)崿F(xiàn)函數(shù)hal_ led_on()和hal_led_off()，在實現(xiàn)函數(shù)中通過系統(tǒng)調(diào)用ioctl()對LED燈進(jìn)行開關(guān)控制。

2.3 硬件控制服務(wù)的JNI實現(xiàn)

LED控制本地庫編譯后為“libled.so”保存在Android文件系統(tǒng)的“/sysem/lib/”目錄下面，LED控制服務(wù)的Android進(jìn)程運行后由虛擬機實例裝入本地庫，具體實現(xiàn)過程如圖5所示。

LED控制服務(wù)調(diào)用System.load()函數(shù)，它的虛擬機實例就會裝入LED控制本地庫，虛擬機會首先調(diào)用 JNI_OnLoad()函數(shù)完成：
(1) 把虛擬機環(huán)境信息保存到本地庫的一個結(jié)構(gòu)體“JNIEnv”的實例中；
(2) 建立一個應(yīng)用層中的LED控制服務(wù)與本地庫的JNI函數(shù)表；
(3) 返回虛擬機本地庫使用的JNI版本。
加載完后，應(yīng)用層中的LED控制服務(wù)就可以通過虛擬機中的JNI函數(shù)表把運行的Java函數(shù)轉(zhuǎn)換為本地函數(shù)執(zhí)行。在LED控制服務(wù)類中定義有JNI函數(shù)的方式,例如下面的代碼段：
public final class LedService extends IledService.Stub {
…….
static {
System.load(“/system/lib/libled.so”);
}
……
private static native boolean as_init();
private static native boolean as_set_on(int led);
private static native boolean as_set_off(int led);
}

本文的研究工作是在S3C2440開發(fā)板上進(jìn)行的，以給開發(fā)板上的LED燈增加驅(qū)動程序為例，展示了一種為Android平臺非標(biāo)準(zhǔn)硬件增加驅(qū)動程序的設(shè)計方案，對于實現(xiàn)其他設(shè)備的驅(qū)動具有一定的借鑒意義。由于各種硬件設(shè)備及其接口差異較大，本文著重于驅(qū)動程序的設(shè)計方案，沒有討論相關(guān)的硬件接口驅(qū)動細(xì)節(jié)。隨著Android平臺日漸成熟以及應(yīng)用數(shù)量的增加,它在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將會更加廣泛。為Android設(shè)備編寫不同于標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序會變得越來越多。