Android非標(biāo)準(zhǔn)硬件驅(qū)動(dòng)程序的設(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)。

HAL Stub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(Hardware Abstract Layer)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，HAL Stub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HAL Stib原理。


1.3 Android的JNI實(shí)現(xiàn)原理

JNI是Java Native Interface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：
… …
System.loadLibrary(“sample_jni”);
… …
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JNI 1.1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。

2 Android硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

Android是一個(gè)開(kāi)放平臺(tái),在嵌入式移動(dòng)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(dòng)模塊，還必須在用戶空間和應(yīng)用框架中添加對(duì)應(yīng)的支持。下面以給S3C2440開(kāi)發(fā)板添加一個(gè)LED顯示控制驅(qū)動(dòng)功能為例展示Android平臺(tái)添加新硬件支持的過(guò)程。

2.1 硬件驅(qū)動(dòng)程序的框架

LED控制功能通過(guò)應(yīng)用程序來(lái)開(kāi)關(guān)開(kāi)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(guò)JNI讓虛擬機(jī)加載LED控制的本地庫(kù),然后向HAL獲取LED Stub，由Stub調(diào)用在Linux內(nèi)核中的LED驅(qū)動(dòng)。圖3為L(zhǎng)ED控制功能的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

從LED控制功能的架構(gòu)來(lái)分，整個(gè)功能可以分成五個(gè)模塊：LED驅(qū)動(dòng)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖4是LED Stub的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(shí),通過(guò)函數(shù)hw_get_module( )結(jié)合LED Stub的模塊ID向HAL申請(qǐng)LED Stub，本地服務(wù)獲得Stub對(duì)象后，可以把Stub看作一個(gè)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(gè)實(shí)例名為HAL_MODULE_INFO_SYM，這個(gè)名稱不能修改，實(shí)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(shí)調(diào)用的函數(shù)hw_get_module()中，通過(guò)這里的id查找LED Stub；

methods：是結(jié)構(gòu)體hw_module_methods_t的實(shí)例，為HAL定義回調(diào)函數(shù)open()。
這里的open()函數(shù)是一個(gè)必須實(shí)現(xiàn)的回調(diào)函數(shù)接口，在本地服務(wù)獲得Stub對(duì)象后調(diào)用，它負(fù)責(zé)申請(qǐng)結(jié)構(gòu)體led_control_device_t的空間，填充信息，注冊(cè)具體操作的回調(diào)函數(shù)接口并打開(kāi)LED驅(qū)動(dòng)。

結(jié)構(gòu)體led_control_device_t繼承了hw_device_t，在open()函數(shù)調(diào)用時(shí)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(shí)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(kāi)設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件返回的文件描述符；
ns_set_on：打開(kāi)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(shí)現(xiàn)函數(shù)中通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用ioctl()對(duì)LED燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。

2.3 硬件控制服務(wù)的JNI實(shí)現(xiàn)

LED控制本地庫(kù)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(yùn)行后由虛擬機(jī)實(shí)例裝入本地庫(kù)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)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(jī)實(shí)例就會(huì)裝入LED控制本地庫(kù)，虛擬機(jī)會(huì)首先調(diào)用 JNI_OnLoad()函數(shù)完成：

(1) 把虛擬機(jī)環(huán)境信息保存到本地庫(kù)的一個(gè)結(jié)構(gòu)體“JNIEnv”的實(shí)例中；
(2) 建立一個(gè)應(yīng)用層中的LED控制服務(wù)與本地庫(kù)的JNI函數(shù)表；
(3) 返回虛擬機(jī)本地庫(kù)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(guò)虛擬機(jī)中的JNI函數(shù)表把運(yùn)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(kāi)發(fā)板上進(jìn)行的，以給開(kāi)發(fā)板上的LED燈增加驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔?，展示了一種為Android平臺(tái)非標(biāo)準(zhǔn)硬件增加驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于實(shí)現(xiàn)其他設(shè)備的驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序的設(shè)計(jì)方案，沒(méi)有討論相關(guān)的硬件接口驅(qū)動(dòng)細(xì)節(jié)。隨著Android平臺(tái)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(huì)更加廣泛。為Android設(shè)備編寫(xiě)不同于標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)變得越來(lái)越多。