摘   要： 在深入研究Android硬件抽象層HAL和Java本地接口JNI技術(shù)原理的基礎(chǔ)上,，提出了一個Android非標準硬件驅(qū)動程序的設(shè)計方案,。以一個非標準設(shè)備的驅(qū)動程式的實現(xiàn)為例介紹了驅(qū)動程序的功能模塊分層設(shè)計，討論了使用HAL Stub技術(shù)對硬件抽象層HAL模塊進行優(yōu)化的方法,。
關(guān)鍵詞： Android; 設(shè)備驅(qū)動程序; 硬件抽象層; JNI

    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)應用程序帶來了應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)計目標之一就是要使應用程序和系統(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標準設(shè)備驅(qū)動程序可以直接繼續(xù)使用,，只需為其增加應用層JNI接口,。但對于Linux沒有的非標準設(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,，即在應用層實現(xiàn),。本文對Android系統(tǒng)的底層實現(xiàn)技術(shù)進行深入的研究,，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,，提出了一種非標準硬件設(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,，但應用程序使用Java語言開發(fā),，所以應用程序在調(diào)用設(shè)備驅(qū)動時不能像一般的Linux應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準,。

    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，即上層應用可以直接調(diào)用硬件。另外,，這種方法可被多個進程使用,，映射到多個進程空間中浪費內(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行交互。Android中JNI的設(shè)計目的也是一樣：
    (1) 應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),，虛擬機相當于一座橋梁，讓Java與本地庫能夠透過標準的JNI界面互相溝通,。
　　應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,，在虛擬機釋放該本地庫時,，會調(diào)用JNI_OnUnload()函數(shù)進行資源回收動作。
　　在應用層的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用框架中添加對應的支持,。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控制功能通過應用程序來開關(guān)開發(fā)板上的LED燈,。在應用層中LED控制程序調(diào)用LED控制服務(Android Service),，應用層中的LED控制服務通過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本地服務模塊、LED服務管理模塊和LED應用模塊,。
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LED控制的本地服務需要調(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,，本地服務獲得Stub對象后,，可以把Stub看作一個抽象硬件進行操作。

    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,，在本地服務獲得Stub對象后調(diào)用,，它負責申請結(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燈進行開關(guān)控制。
2.3 硬件控制服務的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控制服務的Android進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) 建立一個應用層中的LED控制服務與本地庫的JNI函數(shù)表,；
　 (3) 返回虛擬機本地庫使用的JNI版本,。
    加載完后，應用層中的LED控制服務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平臺非標準硬件增加驅(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)動細節(jié),。隨著Android平臺日漸成熟以及應用數(shù)量的增加,它在嵌入式領(lǐng)域的應用范圍將會更加廣泛。為Android設(shè)備編寫不同于標準Linux系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序會變得越來越多,。
參考文獻
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