基于安卓的非標準驅動(dòng)程序設計
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1 Android系統驅動(dòng)程序架構
1.1 驅動(dòng)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)，所以應用程序在調用設備驅動(dòng)時(shí)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(guò)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(gè)通用性強的平臺，必須加強它的可移植性。這也是在A(yíng)ndroid架構添加一個(gè)硬件抽象層（HAL）的原因，目的是為設備的調用提供一個(gè)更高級的封裝圖1所示為Android驅動(dòng)程序架構。
HAL Stub是以L(fǎng)inux共享庫(*.so)的形式存在，在整個(gè)驅動(dòng)架構中，它是設備驅動(dòng)程序運行在用戶(hù)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(guò)系統調用與Linux內核中的驅動(dòng)程序進(jìn)行數據交互。在這個(gè)過(guò)程中HAL可以對驅動(dòng)程序的數據進(jìn)行處理，也就是說(shuō)在Linux內核中的驅動(dòng)程序部分只需要提供一個(gè)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A(yíng)ndroid的架構中是在庫這一層中，通過(guò)這一層，硬件廠(chǎng)商可以把部分設備的驅動(dòng)源碼封裝在這一層而不公開(kāi)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(lái)，讓Android使用Linux內核而又不完全依賴(lài)Linux內核。當然，驅動(dòng)程序并不是完全從Linux內核中分離出來(lái)，一些基本的處理必須由內核來(lái)完成，HAL只是分擔了Linux設備驅動(dòng)的部分功能，至于這部分的功能占驅動(dòng)程序功能的比例目前并沒(méi)有一個(gè)標準。
在A(yíng)ndroid系統發(fā)展過(guò)程中，HAL的實(shí)現也逐步有了一些變化，舊的HAL是一種模塊化的思想，通過(guò)共享庫的形式由Runtime在JNI時(shí)以函數調用方法調用，這種做法并沒(méi)有通過(guò)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(gè)進(jìn)程使用，映射到多個(gè)進(jìn)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(dòng)態(tài)庫那樣調用Stub。這種HAL是由模塊與Stub結合而成，Runtime通過(guò)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(gè)Stub。圖2為HAL Stib原理。
1.3 Android的JNI實(shí)現原理
JNI是Java Native Interface的縮寫(xiě)，是在Sun的Java平臺中首先定義出來(lái)的，它允許Java代碼與其他語(yǔ)言代碼進(jìn)行交互。Android中JNI的設計目的也是一樣：
(1) 應用程序需要與硬件平臺交互時(shí)，Java庫中的類(lèi)不可能支持；
(2) 本地已經(jīng)使用其他語(yǔ)言編寫(xiě)的庫允許Java程序訪(fǎng)問(wèn)；
(3) 某些功能用較低級的語(yǔ)言實(shí)現的執行效率較高，讓Java程序調用這些函數。
在A(yíng)ndroid應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格式的字節碼，由Dalvik虛擬機執行，在執行過(guò)程中需要調用本地庫時(shí)，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(guò)標準的JNI界面互相溝通。
應用程序在虛擬機里執行，通過(guò)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：
… …
System.loadLibrary(“sample_jni”);
… …
虛擬機就會(huì )在A(yíng)ndroid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(lái)一起執行。
這些用C語(yǔ)言編寫(xiě)的本地庫必須遵循規范，當虛擬機執行System.loadLibrary()函數時(shí)，首先執行本地庫里的JNI_OnLoad()函數，這個(gè)函數需要實(shí)現的功能是：返回給虛擬機此本地庫使用的JNI版本；對庫進(jìn)行初始化。如果本地庫里沒(méi)有實(shí)現JNI_OnLoad()函數，虛擬機就會(huì )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(shí)，會(huì )調用JNI_OnUnload()函數進(jìn)行資源回收動(dòng)作。
在應用層的Java代碼通過(guò)虛擬機調用本地函數，一般要依賴(lài)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(huì )花費較多的時(shí)間影響效率，在這里可以通過(guò)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(dòng)程序設計
Android是一個(gè)開(kāi)放平臺,在嵌入式移動(dòng)設備領(lǐng)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A(yíng)ndroid中添加這些硬件應用，不是單純地在Linux內核中添加驅動(dòng)模塊，還必須在用戶(hù)空間和應用框架中添加對應的支持。下面以給S3C2440開(kāi)發(fā)板添加一個(gè)LED顯示控制驅動(dòng)功能為例展示Android平臺添加新硬件支持的過(guò)程。
2.1 硬件驅動(dòng)程序的框架
LED控制功能通過(guò)應用程序來(lái)開(kāi)關(guān)開(kāi)發(fā)板上的LED燈。在應用層中LED控制程序調用LED控制服務(wù)(Android Service)，應用層中的LED控制服務(wù)通過(guò)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(dòng)。圖3為L(cháng)ED控制功能的架構設計。
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