Android系統非標準設備驅動程序設計

孟小華,黃宗軒

(暨南大學 計算機科學系，廣東 廣州510632)

Android系統是Google推出的基于Linux內核和Java架構的操作系統，在很短的時間內已成為主流的手機操作系統，并已逐步擴展應用到嵌入式系統、平板電腦和上網本上。它既有Linux系統所具有的硬件平臺可移植性，也因使用Java語言開發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勢。Android雖然主要基于已有的技術，但在體系結構設計上有較大的創新。其主要設計目標之一就是要使應用程序和系統能獨立于具體的計算機體系結構和硬件平臺，表現在設備驅動程序設計上，對于已有的Linux標準設備驅動程序可以直接繼續使用，只需為其增加應用層JNI接口。但對于Linux沒有的非標準設備則提倡在Linux內核中驅動部分只做很少的接口工作，盡量把驅動程序的主要處理放在Android的上層架構中，即在應用層實現。本文對Android系統的底層實現技術進行深入的研究，包括Android的硬件抽象層和JNI技術實現等。并以S3C2440開發板上的LED燈設計顯示驅動程序為例，提出了一種非標準硬件設備驅動程序的設計和實現方案。

1 Android系統驅動程序架構

1.1 驅動程序分層體系結構

Android是基于 Linux的，它使用了Linux內核，但應用程序使用Java語言開發，所以應用程序在調用設備驅動時不能像一般的Linux應用程序那樣直接使用系統調用，必須通過 Java虛擬機的 JNI的本地（Native）方法使用設備。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架構添加一個硬件抽象層（HAL）的原因，目的是為設備的調用提供一個更高級的封裝圖1所示為Android驅動程序架構。

圖1 Android驅動程序架構

HAL Stub是以Linux共享庫(*.so)的形式存在，在整個驅動架構中，它是設備驅動程序運行在用戶空間的一部分，它向上為Dalvik虛擬機提供硬件設備的抽象接口，向下通過系統調用與Linux內核中的驅動程序進行數據交互。在這個過程中HAL可以對驅動程序的數據進行處理，也就是說在Linux內核中的驅動程序部分只需要提供一個與硬件設備傳輸數據接口的功能，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的架構中是在庫這一層中，通過這一層，硬件廠商可以把部分設備的驅動源碼封裝在這一層而不公開源代碼。

對圖1分析，設計HAL就是為了把應用框架和Linux內核分離出來，讓Android使用Linux內核而又不完全依賴Linux內核。當然，驅動程序并不是完全從Linux內核中分離出來，一些基本的處理必須由內核來完成，HAL只是分擔了Linux設備驅動的部分功能，至于這部分的功能占驅動程序功能的比例目前并沒有一個標準。

在Android系統發展過程中，HAL的實現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時以函數調用方法調用，這種做法并沒有通過封裝，即上層應用可以直接調用硬件。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存資源。

現在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庫那樣調用Stub。這種HAL是由模塊與Stub結合而成，Runtime通過模塊提供的統一接口獲取并操作Stub。Stub向HAL提供操作的回調函數，Runtime向HAL取得指定模塊的操作函數后，調用這些回調函數。這是一種間接函數調用的方式，HAL里包含了多個Stub。圖2為HAL Stib原理。

圖2 HAL Stub原理

1.3 Android的JNI實現原理

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的執行效率較高，讓Java程序調用這些函數。

在Android應用層中的程序或組件都是用Java語言開發的，這些Java代碼編譯后變成Dex格式的字節碼，由Dalvik虛擬機執行，在執行過程中需要調用本地庫時，由虛擬機載入這些本地庫，然后讓Java函數調用庫中的函數，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行，通過函數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：

虛擬機就會在Android文件系統的“/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合起來一起執行。

這些用C語言編寫的本地庫必須遵循規范，當虛擬機執行System.loadLibrary()函數時，首先執行本地庫里的JNI_OnLoad()函數，這個函數需要實現的功能是：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JNI_OnLoad()函數，虛擬機就會默認本地庫使用最老的JNI 1.1版本。

JNI_OnUnload()函數與裝入函數相對應，在虛擬機釋放該本地庫時，會調用JNI_OnUnload()函數進行資源回收動作。

在應用層的Java代碼通過虛擬機調用本地函數，一般要依賴于虛擬機查找庫里的本地函數，如果需要調用比較頻繁，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()函數把gMethods[]表格所含的本地函數注冊到虛擬機里。

2 Android硬件驅動程序設計

Android是一個開放平臺,在嵌入式移動設備領域里具有很好的應用前景，但在不同的設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內核中添加驅動模塊，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開發板添加一個LED顯示控制驅動功能為例展示Android平臺添加新硬件支持的過程。

2.1 硬件驅動程序的框架

LED控制功能通過應用程序來開關開發板上的LED燈。在應用層中LED控制程序調用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調用在Linux內核中的LED驅動。圖3為LED控制功能的架構設計。

從LED控制功能的架構來分，整個功能可以分成五個模塊：LED驅動模塊、LED Stub模塊、LED本地服務模塊、LED服務管理模塊和LED應用模塊。

圖3 LED控制功能的架構設計

2.2 HAL中的Stub的設計與實現

圖4是LED Stub的實現過程。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用 LED Stub時,通過函數hw_get_module()結合 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。

圖4 LED Stub的實現過程

下面是定義LED Stub的HAL結構體：

將結構體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：標記了結構體的類型，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時調用的函數 hw_get_module()中，通過這里的 id查找LED Stub；

methods：是結構體 hw_module_methods_t的實例，為HAL定義回調函數open()。

這里的open()函數是一個必須實現的回調函數接口，在本地服務獲得Stub對象后調用，它負責申請結構體led_control_device_t的空間，填充信息，注冊具體操作的回調函數接口并打開LED驅動。

結構體 led_control_device_t繼承了hw_device_t，在open()函數調用時填充的主要信息包括：

tag：結構體的類型，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的回調函數；

fd：打開設備驅動文件返回的文件描述符；

ns_set_on：打開LED燈的回調函數指針；

ns_set_off：關閉LED燈的回調函數指針。

回調函數指針“*ns_set_on”和“*ns_set_off”分別指向實現函數 hal_led_on()和 hal_led_off()，在實現函數中通過系統調用ioctl()對LED燈進行開關控制。

2.3 硬件控制服務的JNI實現

LED控制本地庫編譯后為“libled.so”保存在 Android文件系統的 “/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，具體實現過程如圖5所示。

圖5 LED控制服務的JNI實現過程

LED控制服務調用System.load()函數，它的虛擬機實例就會裝入LED控制本地庫，虛擬機會首先調用JNI_OnLoad()函數完成：

(1)把虛擬機環境信息保存到本地庫的一個結構體“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函數表把運行的Java函數轉換為本地函數執行。在LED控制服務類中定義有JNI函數的方式,例如下面的代碼段：

本文的研究工作是在S3C2440開發板上進行的，以給開發板上的LED燈增加驅動程序為例，展示了一種為Android平臺非標準硬件增加驅動程序的設計方案，對于實現其他設備的驅動具有一定的借鑒意義。由于各種硬件設備及其接口差異較大，本文著重于驅動程序的設計方案，沒有討論相關的硬件接口驅動細節。隨著Android平臺日漸成熟以及應用數量的增加,它在嵌入式領域的應用范圍將會更加廣泛。為Android設備編寫不同于標準Linux系統的設備驅動程序會變得越來越多。

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