i.MX51平臺的Android系統移植

郭利全，謝維波

（1.華僑大學 計算機科學與技術學院，福建 廈門361021；

2.華僑大學 廈門軟件園嵌入式技術開放實驗室，福建 廈門361008）

近年來，隨著經濟的高速增長及科學技術的突飛猛進，人們的生活質量和生活水平有了顯著地提高，智能手機逐漸走進了人們的生活.智能手機可以方便地獲取互聯網信息，帶來高端的服務與享受.除蘋果系列使用其專用的IOS操作系統外，其他智能手機大多使用Android操作系統.Android系統具有代碼開源、兼容性好、系統可移植等特點，還具有界面美觀、應用軟件開發簡單、音視頻解碼庫齊全等優勢.Android系統的優勢使其在硬件平臺的移植顯得非常必要，將Android系統移植到非手機硬件平臺具有巨大的商業價值.i.MX51平臺是由美國Freescale公司自主研發的，中央處理器基于ARM Cortex A8核心的i.MX51處理器，主頻可擴展到1GHz.Android操作系統在i.MX51平臺上能良好地運行，這為Android系統的移植奠定了硬件基礎.本文對i.MX51平臺上的Android系統移植進行研究.

1 Android系統啟動流程

1.1 Android與嵌入式Linux

Android系統是基于Linux內核搭建的，Linux內核的優勢在于大內存管理、進程管理、基于權限的安全模型、統一的驅動模型、對共享庫的支持和代碼開源等.Android系統在設計過程之中針對移動終端資源有限的特點，對Linux進行了一定程度地裁剪，去除了原生的窗口系統、對GUN libc的支持，并裁剪了一些標準的Linux工具.針對移動終端的特點，對內核在鬧鐘、內核調試、進程間通信、日志、電源管理等方面作了大量地優化.Android使用Linux完成其內存管理、進程管理、網絡和其他服務工作，應用程序不會直接進行Linux的調用，但Linux在Android中的確存在［1］.

1.2 Android系統啟動流程

Android可以作為嵌入式系統的軟件操作系統.Bootloader是嵌入式系統的引導加載程序，也是系統上電后運行的第一段程序，它除了完成基本的初始化系統和調用Linux內核的基本任務外，還對Linux的啟動參數進行設置.Bootloader最后一項任務是調用Linux內核.

Linux內核一般存放于flash或SD卡中，但由于內核在flash中執行時代碼會有限制，而且速度還沒有在RAM中快，所以一般在嵌入式系統中都是將Linux內核解壓到RAM中，然后跳轉到RAM中去執行.Linux內核啟動完成后，會創建init進程，而init進程首先進行一系列硬件初始化，然后通過命令行傳遞的參數掛載根文件系統.根文件系統包含系統引導和使其他文件系統得以掛載所必需的文件，也包括Linux啟動時所必需的目錄和關鍵性的文件.

Android系統自下而上分為linux內核及驅動層、系統運行庫和java運行環境層、應用程序框架層、應用層［2］.應用程序框架層包括有java層和jni層，jni是Android程序訪問硬件抽象層的一種手段.Android系統底層采用Linux2.6內核，Android系統的啟動包括Linux啟動的全過程.在Linux啟動init進程后，init進程根據init.rc腳本文件建立起servicemanamger和zygote等最基本的服務，其中servicemanamger的功能是管理系統中各種服務，zygote的功能是建立java程序運行時的環境并啟動虛擬機，初始化建立的基本服務都是運行在java運行環境層的本地服務.zygote啟動虛擬機后，建立systemserver進程，systemserver是Android java層的系統服務模塊，主要功能是管理供Android應用開發的系統服務，最后由system server建立Android應用層要使用的服務，包括Home Activity啟動所需的Activity Manager.

Android系統啟動流程，如圖1所示.由圖1可知：Android系統的啟動是以Linux啟動為基礎，Android系統的移植包含有Linux系統的移植.嵌入式Linux的移植包括bootloader，Linux內核、根文件系統3大部分移植［3］.Android系統的移植除上述移植外，還必須進行system.img，recover.img，userdata.img等鏡像的移植［4］.

圖1 Android系統啟動流程圖Fig.1 Android system startup flowchart

2 軟硬件平臺的搭建

由于硬件平臺的特殊性及局限性，在此選用交叉開發模式［5］.交叉開發模式是指Linux交叉開發采用宿主機和目標機模式進行，宿主機是一臺運行Linux的個人計算機，目標機為嵌入式硬件平臺.開發時使用宿主機上的交叉編譯、匯編及連接工具，形成可以在目標機上執行的二進制代碼，這種代碼并不能在宿主機上執行，而只能在目標機上執行，然后把可執行文件下載到目標機上運行.調試時可以通過串口、以太網口等進行.

本次移植過程中，宿主機為計算機，操作系統為federa 13，在宿主機上下載u-boot，Linux 2.6內核、Android源代碼，并進行交叉編譯.為了支持EABI，交叉編譯工具采用arm-none-Linux-gnueabi工具鏈.引導程序選用u-boot，Linux內核版本采用linx-2.6.31.14，Android系統版本采用froyo.編譯好鏡像后使用ATK工具通過串口進行鏡像的燒寫.

3 Android系統的移植

Android系統具有可移植性.可移植性指的是在一定程度上，軟部件從一種環境遷移到另一種環境后還能正常工作的能力.Android系統的移植需要經歷源碼的獲取、源碼裁剪、交叉編譯源碼、下載鏡像這四個步驟［6］.

3.1 源碼的獲取

源碼的獲取使用git工具.git是為了幫助管理Linux內核開發而開發的一個開放源碼的分布式版本控制軟件.盡管開發之初是為了輔助Linux內核開發，但現在包括Android在內的很多其他自由開源軟件項目也使用了git.

Android是由kernel，Dalvik，Bionic，prebuilt等多個git項目組成，Android項目編寫了一個名為repo的Python腳本統一管理這些項目使git的使用更加簡單.Android源碼的獲取分為以下5個步驟.

1）yum install git，安裝git工具.

2）curl https：∥dl-ssl.google.com／dl／googlesource／git-repo／repo〉～／bin／repo下載repo腳本.3）chmod a+x～／bin／repo改變下載后的repo權限，使其可以直接被運行.

4）repo init-u https：∥android.googlesource.com／platform／manifest-b froyo.由于 Android現在的版本為4.0，本次移植工作使用的版本為2.2.使用這條語句從服務器端的master主分支中切換參數“-b”后面指定版本分支.

5）repo sync-j4.由于repo sync是從源碼服務器上進行下載，Android源碼一般在10GB左右.由于執行時間比較長，可以使用多線程來并行下載，使用參數“-j4”，4是并行的線程數.

Android源碼目錄及各目錄包含的內容，如表1所示.

表1 Android源碼目錄及作用Tab.1 Android source code directory role

獲取Android源碼后，接著獲取u-boot及Linux內核源碼.在Linux shell終端輸入以下git命令.git clone git：∥git.denx.de／u-boot.git uboot-imx獲取u-boot源碼保存至uboot-imx目錄.

git clone git：∥git.kernel.org／pub／scm／Linux／kernel／git／stable／Linux-2.6.31.y.git kernel＿imx獲取Linux內核源碼，保存至kernel＿imx文件夾中.

3.2 Linux內核裁剪

Linux內核的裁剪是移植工作重要的環節，不同的硬件廠商，裁剪的方式各不相同.每個硬件廠商都會提供硬件的板級支持包（即BSP）.BSP可以屏蔽硬件，提供操作系統及硬件的驅動.本文使用板級支持包加速對Linux內核裁剪工作.

i.MX51的硬件支持包是以補丁文件的形式存在.BSP包下載地址為http：∥www.freescale.com.將Linux內核拷貝到Android源碼同一級目錄，對源碼打上補丁，即可完成對Linux內核的裁剪.裁剪流程有如下2個步驟.

1）.imx-android-r9.2／code／r9.2／android＿pach.sh.運行支持包中的bash文件，設定環境變量.

2）c＿patch imx-android-r9.2／code／r9.2imx＿r9.2.使用支持包為源碼打補丁.

裁剪后的Linux源碼增加了對i.mx51處理器的支持，源碼位于kernel／arch／arm／mach-mx5目錄下；對共享內存處理方式上進行了改變，增加kernel／mm／ashmem.c文件，它為進程間提供大塊內存，同時為內核提供管理和回收這些內存的機制；在驅動程序中增加了mxc目錄，包括對Android相關的驅動的支持，如IPC系統、日志系統、電源、鬧鐘管理、內存控制臺、時鐘控制的gpio，switch驅動等，也包括如圖像處理單元iPU，視頻處理單元VPU等驅動.

3.3 源碼的編譯

下載arm-none-linux-gnueabi交叉編譯工具鏈，將其bin目錄加入PATH環境變量.Android源碼的編譯過程有如下3個步驟.

1）.build／envsetup.sh使用envsetup.sh腳本初始化環境變量.

2）lunch imx51＿bbg-eng完整編譯在imx51平臺運行，使能所有的調試方法.

3）make-j4使用make命令進行編譯.采用4個線程的多線程編譯方式.編譯源碼的配置情況，如圖2所示.

由圖2可知：Android的版本為2.2.1，宿主機為Linux操作系統x86CPU，目標機為arm型CPU.對源碼的編譯配置通過指定參數進行，本次配置參數為imx51＿bbg-eng，參數含義如表2～3所示.

圖2 Android源碼編譯配置Fig.2 Android source code compiled configuration

表2 平臺參數說明Tab.2 Parameter description of platform

表3 BUILDTYPE參數說明Tab.3 Parameter description of BUILDTYPE

3.4 鏡像的燒寫

Android系統源碼編譯完成后，在out文件夾下會生成對應的鏡像文件，包括system.img，userdata.img，ramdisk.img等鏡像.system.img包括了主要的包、庫等文件；userdata.img包括了一些用戶數據；ramdisk.img是emulator的文件系統，emulator加載這3個鏡像文件后，會把system.img和userdata.img分別加載到ramdisk文件系統中的system和userdata目錄下，ramdisk.img在文件系統中解壓后為root目錄，其中包括了init，init.rc等文件.ATK是Freescale公司開發出的一款針對MX系列CPU為核心的flash、SD卡燒錄軟件，可以用來燒錄bootloader和kernel到SD卡上.本次移植過程中使用ATK工具通過串口進行燒寫鏡像.

使用ATK工具將u-boot，kernel，ramdisk.img鏡像燒寫到SD卡上，燒寫的起始地址分別為1K，1 M，4M的地址處.使用Linux中的fdisk命令對SD卡進行分區.分區時不應將u-boot和kenel劃入任何1個分區，第1個分區從10MB的位置開始劃分.分區后，各分區的文件系統信息及分區大小設計，如表4所示.

表4 SD卡分區說明Tab.4 Partition description of SD card

在宿主機上，使用dd命令將system.img及recovery.img拷貝到sd2，sd6分區，拷貝的步驟如下：

經過以上的過程，Android系統平臺運行所需的全部文件都已經燒寫到SD卡上.SD卡上存儲區域分布，如圖3所示.圖3中：MBR主要是存儲SD卡的分區信息，起始地址為0kB.

由圖3可知：第一個分區（Media分區）從大于10MB的位置開始劃分，可避免MBR、引導程序、內核、根文件系統在分區中因誤操作而被破壞的情況發生，保證系統正常啟動.

圖3 SD卡存儲區域分布圖Fig.3 Storage area maps of SD card

4 Android系統的調試

Linux內核開發者為保證內核代碼正確性，不愿在Linux內核源代碼中加入調試器.內核調試可采用監視內核代碼和錯誤跟蹤的方法.對Android的調試方法包括Linux方法和Android特殊方法.標準Linux調試有如下3個方法.

1）啟動Android仿真器環境，使用adb shell進行連接，在終端使用ps查看系統各個進程.也可以使用linux的proc文件系統跟蹤進程相關信息.

2）使用Linux的vmstat和top命令統計系統中性能的信息.

3）使用dmesg查看內核打印出來的信息，可以方便地跟蹤內核狀態信息.

Android的toolbox中包含了一些非標準化的輔助命令，這些命令在Linux的Shell中沒有，專為Andorid系統所使用.Android特殊調試命令有如下4個方法.

1）使用netcfg命令進行網絡配置調試，可用于檢查Android系統的網絡狀況.

2）使用service命令獲取Android系統已經啟動的服務，顯示某一個服務調用進程的情況.

3）Android的am命令可以在控制臺啟動和管理活動、服務和發送廣播等.

4）對基于Android系統的程序開發，使用logcat命令可以方便得到程序的log信息.

5 實現效果

Android系統在i.MX51平臺移植完成并調試成功后，將開發板上的啟動模式設置成從SD卡引導.串口調試信息，如圖4所示.

圖4 Android OS串口打印信息圖Fig.4 Serial print of Android OS

從啟動信息中可以看出，u-boot先從MBR中讀取分區信息，將Linux鏡像解壓到RAM地址為0x9000800處，將Android鏡像解壓到地址為0x90308000處.啟動信息中也包括了CPU信息、內核版本、大小、Android文件系統版本等信息.Android平臺在i.MX51平臺啟動后，其程序測試效果圖如圖5所示.

6 結論

隨著嵌入式技術的發展，嵌入式系統的軟件從只有前后臺程序，發展到使用μC／OS-Ⅱ等小型操作系統，再發展到現在應用如Linux，WinCE等大型操作系統.Android系統是目前最前沿的嵌入式操作系統，雖然設計之初只是針對手機等移動平臺，但在其他非手機硬件平臺的應用已經成為一種趨勢.只有將最前沿的嵌入式操作系統與硬件平臺相結合，嵌入式系統才會更具生命力和競爭力.

所介紹的Android系統在i.MX51平臺的移植過程及調試方法，對Android系統在其他嵌入式平臺的移植具有指導意義.然而，由于對Linux內核裁剪部分使用的是i.MX51的板級支持包，在其他硬件平臺的移植應使用相應的板級支持包，有一定的局限性，也是移植工作的不足，有待今后進一步提高.

圖5 Android程序測試效果圖Fig.5 Effect diagram of Android application test

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