基于Android 的POS 機(jī)刷卡器閱讀芯片驅(qū)動(dòng)研究

MagTek刷卡器閱讀芯片21006450應(yīng)用廣泛，對(duì)于它的研究將有助于刷卡器閱讀芯片驅(qū)動(dòng)程序在實(shí)際中的應(yīng)用。這里所研究的Android系統(tǒng)架構(gòu)、芯片工作原理及接口調(diào)用是刷卡器閱讀芯片驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)做指導(dǎo)。

0 引言

Google公司在2007年11月5日推出了開(kāi)源的An-droid操作系統(tǒng)，它是基于Linux內(nèi)核的開(kāi)源手機(jī)操作系統(tǒng)。目前，Android應(yīng)用商店Android market已經(jīng)擁有超過(guò)70 萬(wàn)個(gè)應(yīng)用程序，有超過(guò)10 萬(wàn)名軟件開(kāi)發(fā)人員為Android開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，Android系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于便攜式移動(dòng)設(shè)備。

移動(dòng)POS機(jī)又稱無(wú)線POS,是一種RF-SIM卡終端閱讀器，通過(guò)CDMA,GPRS,TCP/IP等與數(shù)據(jù)服務(wù)器相連進(jìn)行工作。移動(dòng)POS機(jī)具有移動(dòng)性強(qiáng)，平均交易時(shí)間段，易于攜帶等特性在各大行業(yè)都已經(jīng)廣泛使用。將Android系統(tǒng)移植到POS機(jī)上，將為POS機(jī)提供更加豐富的應(yīng)用和功能擴(kuò)展。

刷卡器作為POS機(jī)主要功能承擔(dān)者，其驅(qū)動(dòng)程序的研究和優(yōu)化也直接影響到Android系統(tǒng)在POS機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展。

1 Android 系統(tǒng)架構(gòu)

Android是以Linux為內(nèi)核的開(kāi)放式的手機(jī)操作系統(tǒng)，采用了整合的策略思想，包括底層Linux操作系統(tǒng)、中間層的中間件和上層的Java應(yīng)用程序。Android系統(tǒng)是由應(yīng)用程序?qū)?、?yīng)用程序框架層、系統(tǒng)運(yùn)行庫(kù)層、Linux內(nèi)核層組成的，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在應(yīng)用程序?qū)又邪薃ndroid系統(tǒng)的基礎(chǔ)應(yīng)用程序，所有的應(yīng)用程序都是用Java編寫的。

應(yīng)用框架層是開(kāi)發(fā)人員從事Android應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，該層簡(jiǎn)化了組件重用，可以直接使用系統(tǒng)提供的組件快速的進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，主要包括ActivityManager,Content Provider,View System等。

在系統(tǒng)運(yùn)行庫(kù)層中包括了兩個(gè)部分：程序庫(kù)和運(yùn)行時(shí)庫(kù)，主要由Dalvik Java 虛擬機(jī)和基礎(chǔ)的Java 類庫(kù)組成 ,為應(yīng)用程序提供服務(wù)和Java 編程語(yǔ)言核心庫(kù)。

Android的核心系統(tǒng)服務(wù)依賴于Linux 2.6內(nèi)核，如安全性、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和驅(qū)動(dòng)模型。Linux內(nèi)核也同時(shí)作為硬件和軟件堆棧之間的硬件抽象層。

2 刷卡器工作原理

MagTek公司的磁卡閱讀器芯片21006450是一款高性能、低功耗的三軌磁條解碼芯片。在對(duì)磁卡閱讀芯片復(fù)位時(shí)，如果STRBOE沒(méi)有置高，就需要將其置高，并將DATA拉低，然后再將STROBE置低。在復(fù)位之后仍需要將DATA 強(qiáng)制置低，在釋放DATA 之前需要將STROBE置高，然后再置低。在完成上述過(guò)程后，仍需要再完成一次STROBE的置高、置底，這樣才能完成復(fù)位序列。

當(dāng)讀卡器芯片處在準(zhǔn)備讀卡狀態(tài)時(shí)，一旦檢測(cè)到三個(gè)磁通翻轉(zhuǎn)，ASIC就會(huì)通過(guò)將DATA拉低來(lái)表明此時(shí)處于卡在線狀態(tài)。然后就開(kāi)始將磁條卡上的數(shù)據(jù)讀取并存儲(chǔ)到緩存中。對(duì)應(yīng)于這種卡在線狀態(tài)，控制器應(yīng)當(dāng)將STROBE置高。對(duì)應(yīng)于STROBE的上升沿，ASIC會(huì)將DATA置高，并清除卡在線信號(hào)?？刂破鲿?huì)將STROBE置低，然后等待DATA的下降沿，以此來(lái)表明處在緩存器就緒狀態(tài)。從內(nèi)存中讀取或提取數(shù)據(jù)，需要用脈沖信號(hào)將STROBE輸入置高再置低來(lái)驅(qū)使數(shù)據(jù)指針將數(shù)據(jù)指向DATA的管腳。在數(shù)據(jù)讀取期間，當(dāng)STROBE的輸入為低時(shí)，DATA 上的一個(gè)低電平代表1,而高電平代表0.需要說(shuō)明的是，DATA 進(jìn)入緩存器就緒狀態(tài)后，在復(fù)位之前，ASIC不會(huì)對(duì)再一次刷卡做出反應(yīng)。在片上緩存(內(nèi)存)中，為磁條卡的三個(gè)磁道中的每一個(gè)分配了704 b的空間，總共有2 112 b.對(duì)每條磁道而言，只有在卡上檢測(cè)到1的時(shí)候才開(kāi)始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在這個(gè)1之前的所有的0都不會(huì)存儲(chǔ)進(jìn)緩存。當(dāng)檢測(cè)到第一個(gè)1之后，每個(gè)磁道存儲(chǔ)704 b的數(shù)據(jù)，而一旦數(shù)據(jù)超過(guò)這個(gè)長(zhǎng)度，將會(huì)丟失超出的數(shù)據(jù)。但這并不意味著芯片的存儲(chǔ)空間太小，確切來(lái)說(shuō)，這么大的空間已經(jīng)能夠充分的滿足符號(hào)ISO編碼標(biāo)準(zhǔn)的磁條卡的需求。

在提取數(shù)據(jù)時(shí)，STROBE是根據(jù)磁道A,磁道B,然后磁道C的順序進(jìn)行接收的。當(dāng)數(shù)據(jù)指針到達(dá)3個(gè)磁道共2112位的最后位置時(shí)，它將從反方向再次循環(huán)數(shù)據(jù)。需要說(shuō)明的是，數(shù)據(jù)的移出的首選順序是磁道A、磁道B然后磁道C.ASIC并不決定刷卡的方向，只是簡(jiǎn)單的將接收的數(shù)據(jù)表示出來(lái)。然后，反方向刷卡數(shù)據(jù)的移出時(shí)是以磁道C、磁道B、磁道A的順序進(jìn)行的，這就像將一盤磁帶或錄音帶翻帶。

在復(fù)位時(shí)，會(huì)清除ASIC上的所有數(shù)據(jù)，將所有的數(shù)據(jù)位都置為0(高電平)。

3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序是Linux內(nèi)核與硬件之間的接口，直接對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作，同時(shí)對(duì)上層應(yīng)用程序提供接口。

Android的設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要完成以下功能：初始化和釋放設(shè)備;讀取硬件設(shè)備數(shù)據(jù);將內(nèi)核數(shù)據(jù)寫入到硬件設(shè)備;讀取應(yīng)用程序數(shù)據(jù)傳送給設(shè)備文件等。在Android系統(tǒng)中刷卡器驅(qū)動(dòng)應(yīng)包括：Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序、HAL(硬件抽象層)模塊、JNI方法、application framework硬件訪問(wèn)服務(wù)。刷卡器閱讀芯片與開(kāi)發(fā)板的連接框圖如圖1所示。

3.1 Linux內(nèi)核刷卡器閱讀芯片驅(qū)動(dòng)程序

刷卡器的基本功能就是讀取磁卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并將得到的解碼數(shù)據(jù)傳遞給上層應(yīng)用程序。An-droid為了保護(hù)一些硬件提供商的知識(shí)產(chǎn)權(quán)提出了HAL層的概念，避開(kāi)了Linux的GPL束縛，基本的思路是把控制硬件的動(dòng)作都放在Android HAL層，而Linux driver只是完成一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)交換。這里的Linux內(nèi)核刷卡器驅(qū)動(dòng)程序同樣也只是一個(gè)的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，設(shè)備以模塊的形式存在Linux內(nèi)核中，模塊的加載和卸載通過(guò)stat-ic int_init msr_init(void)和static void_exit msr_exit(void)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，static int_msr_setup_dev(structmsr_Android_dev* dev)函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，函數(shù)static long msr_ioctl(struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序?qū)λ⒖ㄆ鞯腎/O控制。設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉及具體的代碼實(shí)現(xiàn)可以參考《Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序》。對(duì)內(nèi)核配置編譯后就可以在Linux內(nèi)核中得到設(shè)備模塊msr.o,在上層中可以通過(guò)調(diào)用這個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)刷卡器的控制。

3.2 HAL層訪問(wèn)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序

硬件抽象層中訪問(wèn)不同設(shè)備內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的模塊是以*.so文件形式存在的，這樣可以有效的保護(hù)硬件廠商的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在runtime(JNI部分)，則向HAL取得特定模塊的operations,再callback 這些操作函數(shù)。在HAL 層包括許多模塊，而runtime 只需要說(shuō)明類型，即module ID,就可以取得相應(yīng)模塊的operations.在HAL層中需要具體實(shí)現(xiàn)刷卡器的讀卡操作。首先需要查找到開(kāi)始標(biāo)志0x0b,然后將磁道1中的數(shù)據(jù)放到buf1中，用同樣的方法可以將磁道2,3的數(shù)據(jù)存到buf2,buf3中，磁道2最多40個(gè)字符每個(gè)5位4位數(shù)據(jù)1位奇校驗(yàn)，而磁道3最多107個(gè)字符每個(gè)5位4位數(shù)據(jù)1位奇校驗(yàn)。

然后將buf中的數(shù)據(jù)補(bǔ)齊之后放在主寄存器中。HAL層中還需要使用static int check_msr_io(void)對(duì)I/O 的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化static int msr_de-vice_init(void)。具體的實(shí)現(xiàn)由于篇幅限制，不在進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.3 編寫JNI方法訪問(wèn)硬件

從編程語(yǔ)言看，Android系統(tǒng)是由基于Java語(yǔ)言的Java層與基于C/C++語(yǔ)言的C/C++層組成的，為了使這兩層相互配合、共同完成任務(wù)就必須使用Java本地接口(JNI,Java Native Interface)將這兩層有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)。

JNI提供了一系列接口，允許Java類與使用C/C++編寫的應(yīng)用程序、模塊、庫(kù)進(jìn)行交互操作。JNI是通過(guò)函數(shù)方法映射表static const JNINativeMethod method_table,將Java本地方法和HAL層提供的C函數(shù)接口銜接起來(lái)。

3.4 在application framework增加硬件訪問(wèn)服務(wù)

在Android Framework或應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)中所需要的主要API都是以服務(wù)的形式存在的。對(duì)應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，硬件服務(wù)是運(yùn)行在一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程中的，若要調(diào)用這些服務(wù)就需要在硬件服務(wù)和應(yīng)用程序之間添加通信接口。應(yīng)用程序通過(guò)Interface IMsrService接口，調(diào)用硬件服務(wù)提供的Init()等函數(shù)。在刷卡器的硬件服務(wù)中是將定義的通信接口與JNI提供的接口相關(guān)聯(lián)起來(lái)。同時(shí)需要將磁卡閱讀芯片服務(wù)添加到系統(tǒng)服務(wù)中Service-Manager.addService(“msr”,new MsrService())，這樣應(yīng)用程序就能通過(guò)Java接口調(diào)用硬件服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁卡閱讀芯片的控制。圖2以讀取芯片數(shù)據(jù)為例，簡(jiǎn)單介紹各層之間的調(diào)用。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著系統(tǒng)逐漸成熟，應(yīng)用程序日益豐富，Android系統(tǒng)與POS機(jī)的結(jié)合將為POS機(jī)的發(fā)展提供更為廣闊的空間。本文在分析了Android架構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析刷卡器的工作原理，研究將POS機(jī)刷卡器閱讀芯片驅(qū)動(dòng)程序添加到Android系統(tǒng)中，為上層應(yīng)用程序提供接口，實(shí)現(xiàn)刷卡器的功能。各層之間的接口調(diào)用銜接是整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序成功運(yùn)行的基礎(chǔ)，在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，每編寫一層都應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，這樣能更好的定位驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中存在的不足。