基于A(yíng)ndroid 的POS 機刷卡器閱讀芯片驅動(dòng)研究

MagTek刷卡器閱讀芯片21006450應用廣泛，對于它的研究將有助于刷卡器閱讀芯片驅動(dòng)程序在實(shí)際中的應用。這里所研究的Android系統架構、芯片工作原理及接口調用是刷卡器閱讀芯片驅動(dòng)程序設計的理論基礎，對驅動(dòng)程序的實(shí)現做指導。

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，它是基于Linux內核的開(kāi)源手機操作系統。目前，Android應用商店Android market已經(jīng)擁有超過(guò)70 萬(wàn)個(gè)應用程序，有超過(guò)10 萬(wàn)名軟件開(kāi)發(fā)人員為Android開(kāi)發(fā)應用程序，Android系統已經(jīng)廣泛運用于便攜式移動(dòng)設備。

移動(dòng)POS機又稱(chēng)無(wú)線(xiàn)POS,是一種RF-SIM卡終端閱讀器，通過(guò)CDMA,GPRS,TCP/IP等與數據服務(wù)器相連進(jìn)行工作。移動(dòng)POS機具有移動(dòng)性強，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系統移植到POS機上，將為POS機提供更加豐富的應用和功能擴展。

刷卡器作為POS機主要功能承擔者，其驅動(dòng)程序的研究和優(yōu)化也直接影響到Android系統在POS機領(lǐng)域的發(fā)展。

1 Android 系統架構

Android是以L(fǎng)inux為內核的開(kāi)放式的手機操作系統，采用了整合的策略思想，包括底層Linux操作系統、中間層的中間件和上層的Java應用程序。Android系統是由應用程序層、應用程序框架層、系統運行庫層、Linux內核層組成的，系統架構如圖1所示。

在應用程序層中包含了Android系統的基礎應用程序，所有的應用程序都是用Java編寫(xiě)的。

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

在系統運行庫層中包括了兩個(gè)部分：程序庫和運行時(shí)庫，主要由Dalvik Java 虛擬機和基礎的Java 類(lèi)庫組成 ,為應用程序提供服務(wù)和Java 編程語(yǔ)言核心庫。

Android的核心系統服務(wù)依賴(lài)于Linux 2.6內核，如安全性、內存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和驅動(dòng)模型。Linux內核也同時(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。在對磁卡閱讀芯片復位時(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。在復位之后仍需要將DATA 強制置低，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，這樣才能完成復位序列。

當讀卡器芯片處在準備讀卡狀態(tài)時(shí)，一旦檢測到三個(gè)磁通翻轉，ASIC就會(huì )通過(guò)將DATA拉低來(lái)表明此時(shí)處于卡在線(xiàn)狀態(tài)。然后就開(kāi)始將磁條卡上的數據讀取并存儲到緩存中。對應于這種卡在線(xiàn)狀態(tài)，控制器應當將STROBE置高。對應于STROBE的上升沿，ASIC會(huì )將DATA置高，并清除卡在線(xiàn)信號?？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)。從內存中讀取或提取數據，需要用脈沖信號將STROBE輸入置高再置低來(lái)驅使數據指針將數據指向DATA的管腳。在數據讀取期間，當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，在復位之前，ASIC不會(huì )對再一次刷卡做出反應。在片上緩存(內存)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.對每條磁道而言，只有在卡上檢測到1的時(shí)候才開(kāi)始存儲數據，在這個(gè)1之前的所有的0都不會(huì )存儲進(jìn)緩存。當檢測到第一個(gè)1之后，每個(gè)磁道存儲704 b的數據，而一旦數據超過(guò)這個(gè)長(cháng)度，將會(huì )丟失超出的數據。但這并不意味著(zhù)芯片的存儲空間太小，確切來(lái)說(shuō)，這么大的空間已經(jīng)能夠充分的滿(mǎn)足符號ISO編碼標準的磁條卡的需求。

在提取數據時(shí)，STROBE是根據磁道A,磁道B,然后磁道C的順序進(jìn)行接收的。當數據指針到達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)數據。需要說(shuō)明的是，數據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)單的將接收的數據表示出來(lái)。然后，反方向刷卡數據的移出時(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(pán)磁帶或錄音帶翻帶。

在復位時(shí)，會(huì )清除ASIC上的所有數據，將所有的數據位都置為0(高電平)。

3 驅動(dòng)設計

驅動(dòng)程序是Linux內核與硬件之間的接口，直接對硬件設備進(jìn)行操作，同時(shí)對上層應用程序提供接口。

Android的設備驅動(dòng)主要完成以下功能：初始化和釋放設備;讀取硬件設備數據;將內核數據寫(xiě)入到硬件設備;讀取應用程序數據傳送給設備文件等。在A(yíng)ndroid系統中刷卡器驅動(dòng)應包括：Linux內核驅動(dòng)程序、HAL(硬件抽象層)模塊、JNI方法、application framework硬件訪(fǎng)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內核刷卡器閱讀芯片驅動(dòng)程序

刷卡器的基本功能就是讀取磁卡中的數據進(jìn)行解碼，并將得到的解碼數據傳遞給上層應用程序。An-droid為了保護一些硬件提供商的知識產(chǎn)權提出了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A(yíng)ndroid HAL層，而Linux driver只是完成一些簡(jiǎn)單的數據交換。這里的Linux內核刷卡器驅動(dòng)程序同樣也只是一個(gè)的字符設備驅動(dòng)，設備以模塊的形式存在Linux內核中，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)函數實(shí)現，static int_msr_setup_dev(structmsr_Android_dev* dev)函數對設備進(jìn)行初始化，函數static long msr_ioctl(struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg)實(shí)現驅動(dòng)程序對刷卡器的I/O控制。設備的打開(kāi)、關(guān)閉及具體的代碼實(shí)現可以參考《Linux設備驅動(dòng)程序》。對內核配置編譯后就可以在Linux內核中得到設備模塊msr.o,在上層中可以通過(guò)調用這個(gè)模塊來(lái)實(shí)現對刷卡器的控制。

3.2 HAL層訪(fǎng)問(wèn)內核驅動(dòng)程序

硬件抽象層中訪(fǎng)問(wèn)不同設備內核驅動(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硬件廠(chǎng)商的知識產(chǎn)權。在runtime(JNI部分)，則向HAL取得特定模塊的operations,再callback 這些操作函數。在HAL 層包括許多模塊，而runtime 只需要說(shuō)明類(lèi)型，即module ID,就可以取得相應模塊的operations.在HAL層中需要具體實(shí)現刷卡器的讀卡操作。首先需要查找到開(kāi)始標志0x0b,然后將磁道1中的數據放到buf1中，用同樣的方法可以將磁道2,3的數據存到buf2,buf3中，磁道2最多40個(gè)字符每個(gè)5位4位數據1位奇校驗，而磁道3最多107個(gè)字符每個(gè)5位4位數據1位奇校驗。

然后將buf中的數據補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I/O 的狀態(tài)進(jìn)行檢測，并對設備進(jìn)行初始化static int msr_de-vice_init(void)。具體的實(shí)現由于篇幅限制，不在進(jìn)行詳細介紹。

3.3 編寫(xiě)JNI方法訪(fǎng)問(wèn)硬件

從編程語(yǔ)言看，Android系統是由基于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)將這兩層有機的聯(lián)系起來(lái)。

JNI提供了一系列接口，允許Java類(lèi)與使用C/C++編寫(xiě)的應用程序、模塊、庫進(jìn)行交互操作。JNI是通過(guò)函數方法映射表static const JNINativeMethod method_table,將Java本地方法和HAL層提供的C函數接口銜接起來(lái)。

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

在A(yíng)ndroid Framework或應用程序開(kāi)發(fā)中所需要的主要API都是以服務(wù)的形式存在的。對應用程序來(lái)說(shuō)，硬件服務(wù)是運行在一個(gè)獨立的進(jìn)程中的，若要調用這些服務(wù)就需要在硬件服務(wù)和應用程序之間添加通信接口。應用程序通過(guò)Interface IMsrService接口，調用硬件服務(wù)提供的Init()等函數。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)添加到系統服務(wù)中Service-Manager.addService(“msr”,new MsrService())，這樣應用程序就能通過(guò)Java接口調用硬件服務(wù)，實(shí)現對磁卡閱讀芯片的控制。圖2以讀取芯片數據為例，簡(jiǎn)單介紹各層之間的調用。

4 結語(yǔ)

隨著(zhù)系統逐漸成熟，應用程序日益豐富，Android系統與POS機的結合將為POS機的發(fā)展提供更為廣闊的空間。本文在分析了Android架構的基礎上，分析刷卡器的工作原理，研究將POS機刷卡器閱讀芯片驅動(dòng)程序添加到Android系統中，為上層應用程序提供接口，實(shí)現刷卡器的功能。各層之間的接口調用銜接是整個(gè)驅動(dòng)程序成功運行的基礎，在驅動(dòng)設計中，每編寫(xiě)一層都應進(jìn)行測試，這樣能更好的定位驅動(dòng)設計中存在的不足。