Android平臺(tái)非標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

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(shí)間內(nèi)已成為主流的手機(jī)操作系統(tǒng)，并已逐步擴(kuò)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(tái)可移植性，也因使用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序帶來(lái)了應(yīng)用軟件只編寫(xiě)一次即可在所有平臺(tái)運(yùn)行的巨大優(yōu)勢(shì)。Android雖然主要基于已有的技術(shù)，但在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有較大的創(chuàng)新。其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是要使應(yīng)用程序和系統(tǒng)能獨(dú)立于具體的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和硬件平臺(tái)，表現(xiàn)在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)上，對(duì)于已有的Linux標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(duì)于Linux沒(méi)有的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備則提倡在Linux內(nèi)核中驅(qū)動(dòng)部分只做很少的接口工作，盡量把驅(qū)動(dòng)程序的主要處理放在Android的上層架構(gòu)中，即在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。本文對(duì)Android系統(tǒng)的底層實(shí)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(shí)現(xiàn)等。并以S3C2440開(kāi)發(fā)板上的LED燈設(shè)計(jì)顯示驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔?，提出了一種非標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。

1 Android系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)

1.1 驅(qū)動(dòng)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)，所以應(yīng)用程序在調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)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(guò)Java虛擬機(jī)的JNI的本地（Native）方法使用設(shè)備。另一方面，Android要成為一個(gè)通用性強(qiáng)的平臺(tái)，必須加強(qiáng)它的可移植性。這也是在Android架構(gòu)添加一個(gè)硬件抽象層（HAL）的原因，目的是為設(shè)備的調(diào)用提供一個(gè)更高級(jí)的封裝圖1所示為Android驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)。

圖1 Android驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)

HALStub是以Linux共享庫(kù)（*.so）的形式存在，在整個(gè)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)中，它是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在用戶(hù)空間的一部分，它向上為Dalvik虛擬機(jī)提供硬件設(shè)備的抽象接口，向下通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用與Linux內(nèi)核中的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在這個(gè)過(guò)程中HAL可以對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也就是說(shuō)在Linux內(nèi)核中的驅(qū)動(dòng)程序部分只需要提供一個(gè)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（HardwareAbstractLayer）在Android的架構(gòu)中是在庫(kù)這一層中，通過(guò)這一層，硬件廠商可以把部分設(shè)備的驅(qū)動(dòng)源碼封裝在這一層而不公開(kāi)源代碼。

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

在Android系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，HAL的實(shí)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(guò)共享庫(kù)的形式由Runtime在JNI時(shí)以函數(shù)調(diào)用方法調(diào)用，這種做法并沒(méi)有通過(guò)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(gè)進(jìn)程使用，映射到多個(gè)進(jìn)程空間中浪費(fèi)內(nèi)存資源。

現(xiàn)在HAL提出一種Stub的思想，HALStub是一種代理的概念，Stub同樣是以共享庫(kù)（*.so）格式存在，但上層應(yīng)用并不像加載動(dòng)態(tài)庫(kù)那樣調(diào)用Stub。這種HAL是由模塊與Stub結(jié)合而成，Runtime通過(guò)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(gè)Stub。圖2為HALStib原理。

圖2 HALStub原理

1.3 ndroid的JNI實(shí)現(xiàn)原理

JNI是JavaNativeInterface的縮寫(xiě)，是在Sun的Java平臺(tái)中首先定義出來(lái)的，它允許Java代碼與其他語(yǔ)言代碼進(jìn)行交互。Android中JNI的設(shè)計(jì)目的也是一樣：

（1）應(yīng)用程序需要與硬件平臺(tái)交互時(shí)，Java庫(kù)中的類(lèi)不可能支持；

（2）本地已經(jīng)使用其他語(yǔ)言編寫(xiě)的庫(kù)允許Java程序訪問(wèn)；

（3）某些功能用較低級(jí)的語(yǔ)言實(shí)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(yǔ)言開(kāi)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(jī)執(zhí)行，在執(zhí)行過(guò)程中需要調(diào)用本地庫(kù)時(shí)，由虛擬機(jī)載入這些本地庫(kù)，然后讓Java函數(shù)調(diào)用庫(kù)中的函數(shù)，虛擬機(jī)相當(dāng)于一座橋梁，讓Java與本地庫(kù)能夠透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的JNI界面互相溝通。

應(yīng)用程序在虛擬機(jī)里執(zhí)行，通過(guò)函數(shù)System.loadLibrary（）通知虛擬機(jī)載入指定的庫(kù)，例如在Java代碼中包含代碼如：

虛擬機(jī)就會(huì)在Android文件系統(tǒng)的“/system/lib/”目錄中查找libsample_jni.so庫(kù)文件，虛擬機(jī)載入libsample_jni.so后，Java代碼就可以與庫(kù)文件結(jié)合起來(lái)一起執(zhí)行。

這些用C語(yǔ)言編寫(xiě)的本地庫(kù)必須遵循規(guī)范，當(dāng)虛擬機(jī)執(zhí)行System.loadLibrary（）函數(shù)時(shí)，首先執(zhí)行本地庫(kù)里的JNI_OnLoad（）函數(shù)，這個(gè)函數(shù)需要實(shí)現(xiàn)的功能是：返回給虛擬機(jī)此本地庫(kù)使用的JNI版本；對(duì)庫(kù)進(jìn)行初始化。如果本地庫(kù)里沒(méi)有實(shí)現(xiàn)JNI_OnLoad（）函數(shù)，虛擬機(jī)就會(huì)默認(rèn)本地庫(kù)使用最老的JNI1.1版本。

JNI_OnUnload（）函數(shù)與裝入函數(shù)相對(duì)應(yīng)，在虛擬機(jī)釋放該本地庫(kù)時(shí)，會(huì)調(diào)用JNI_OnUnload（）函數(shù)進(jìn)行資源回收動(dòng)作。

在應(yīng)用層的Java代碼通過(guò)虛擬機(jī)調(diào)用本地函數(shù)，一般要依賴(lài)于虛擬機(jī)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(huì)花費(fèi)較多的時(shí)間影響效率，在這里可以通過(guò)registerNativeMethods（）函數(shù)把gMethods[]表格所含的本地函數(shù)注冊(cè)到虛擬機(jī)里。