基于安卓的非標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)解析

　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(shí)間內(nèi)已成為主流的手機(jī)操作系統(tǒng)，并已逐步擴(kuò)展應(yīng)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(tái)可移植性，也因使用Java語言開發(fā)應(yīng)用程序帶來了應(yīng)用軟件只編寫一次即可在所有平臺(tái)運(yùn)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(jì)上有較大的創(chuàng)新。其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是要使應(yīng)用程序和系統(tǒng)能獨(dú)立于具體的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和硬件平臺(tái)，表現(xiàn)在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)上，對(duì)于已有的Linux標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以直接繼續(xù)使用，只需為其增加應(yīng)用層JNI接口。但對(duì)于Linux沒有的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備則提倡在Linux內(nèi)核中驅(qū)動(dòng)部分只做很少的接口工作，盡量把驅(qū)動(dòng)程序的主要處理放在Android的上層架構(gòu)中，即在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。本文對(duì)Android系統(tǒng)的底層實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行深入的研究，包括Android的硬件抽象層和JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)等。并以S3C2440開發(fā)板上的LED燈設(shè)計(jì)顯示驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔?，提出了一種非標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。
　　1 Android系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)
　　1.1 驅(qū)動(dòng)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(yīng)用程序使用Java語言開發(fā)，所以應(yīng)用程序在調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)不能像一般的Linux應(yīng)用程序那樣直接使用系統(tǒng)調(diào)用，必須通過Java虛擬機(jī)的JNI的本地（Native）方法使用設(shè)備。另一方面，Android要成為一個(gè)通用性強(qiáng)的平臺(tái)，必須加強(qiáng)它的可移植性。這也是在Android架構(gòu)添加一個(gè)硬件抽象層（HAL）的原因，目的是為設(shè)備的調(diào)用提供一個(gè)更高級(jí)的封裝圖1所示為Android驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)。
　　HAL Stub是以Linux共享庫（*.so）的形式存在，在整個(gè)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)中，它是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在用戶空間的一部分，它向上為Dalvik虛擬機(jī)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(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在這個(gè)過程中HAL可以對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也就是說在Linux內(nèi)核中的驅(qū)動(dòng)程序部分只需要提供一個(gè)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(dòng)源碼封裝在這一層而不公開源代碼。
　　對(duì)圖1分析，設(shè)計(jì)HAL就是為了把應(yīng)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(dāng)然，驅(qū)動(dòng)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(dān)了Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的部分功能，至于這部分的功能占驅(qū)動(dòng)程序功能的比例目前并沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　在Android系統(tǒng)發(fā)展過程中，HAL的實(shí)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(shí)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(yīng)用可以直接調(diào)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(fèi)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(yīng)用并不像加載動(dòng)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(gè)Stub。圖2為HAL Stib原理。