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)，在很短的時間內(nèi)已成為主流的手機操作系統(tǒng)，并已逐步擴展應(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運行的巨大優(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)計上有較大的創(chuàng)新。其主要設(shè)計目標(biāo)之一就是要使應(yīng)用程序和系統(tǒng)能獨立于具體的計算機體系結(jié)構(gòu)和硬件平臺，表現(xiàn)在設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計上，對于已有的Linux標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動程序可以直接繼續(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)動部分只做很少的接口工作，盡量把驅(qū)動程序的主要處理放在Android的上層架構(gòu)中，即在應(yīng)用層實現(xiàn)。本文對Android系統(tǒng)的底層實現(xiàn)技術(shù)進行深入的研究，包括Android的硬件抽象層和JNI技術(shù)實現(xiàn)等。并以S3C2440開發(fā)板上的LED燈設(shè)計顯示驅(qū)動程序為例，提出了一種非標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計和實現(xiàn)方案。

1 Android系統(tǒng)驅(qū)動程序架構(gòu)

1.1 驅(qū)動程序分層體系結(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)動時不能像一般的Linux應(yīng)用程序那樣直接使用系統(tǒng)調(diào)用，必須通過Java虛擬機的JNI的本地（Native）方法使用設(shè)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(gòu)添加一個硬件抽象層（HAL）的原因，目的是為設(shè)備的調(diào)用提供一個更高級的封裝圖1所示為Android驅(qū)動程序架構(gòu)。

圖1 Android驅(qū)動程序架構(gòu)

HALStub是以Linux共享庫（*.so）的形式存在，在整個驅(qū)動架構(gòu)中，它是設(shè)備驅(qū)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(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)動程序進行數(shù)據(jù)交互。在這個過程中HAL可以對驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)進行處理，也就是說在Linux內(nèi)核中的驅(qū)動程序部分只需要提供一個與硬件設(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（HardwareAbstractLayer）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)動源碼封裝在這一層而不公開源代碼。

對圖1分析，設(shè)計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)動的部分功能，至于這部分的功能占驅(qū)動程序功能的比例目前并沒有一個標(biāo)準(zhǔn)。

在Android系統(tǒng)發(fā)展過程中，HAL的實現(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，這種方法可被多個進程使用，映射到多個進程空間中浪費內(nèi)存資源。

現(xiàn)在HAL提出一種Stub的思想，HALStub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Stub。圖2為HALStib原理。

圖2 HALStub原理

1.3 ndroid的JNI實現(xiàn)原理

JNI是JavaNativeInterface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(shè)計目的也是一樣：

（1）應(yīng)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(jīng)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(xiàn)的執(zhí)行效率較高，讓Java程序調(diào)用這些函數(shù)。

在Android應(yīng)用層中的程序或組件都是用Java語言開發(fā)的，這些Java代碼編譯后變成Dex格式的字節(jié)碼，由Dalvik虛擬機執(zhí)行，在執(zhí)行過程中需要調(diào)用本地庫時，由虛擬機載入這些本地庫，然后讓Java函數(shù)調(diào)用庫中的函數(shù)，虛擬機相當(dāng)于一座橋梁，讓Java與本地庫能夠透過標(biāo)準(zhǔn)的JNI界面互相溝通。

應(yīng)用程序在虛擬機里執(zhí)行，通過函數(shù)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(tǒng)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(jié)合起來一起執(zhí)行。

這些用C語言編寫的本地庫必須遵循規(guī)范，當(dāng)虛擬機執(zhí)行System.loadLibrary（）函數(shù)時，首先執(zhí)行本地庫里的JNI_OnLoad（）函數(shù)，這個函數(shù)需要實現(xiàn)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(xiàn)JNI_OnLoad（）函數(shù)，虛擬機就會默認本地庫使用最老的JNI1.1版本。

JNI_OnUnload（）函數(shù)與裝入函數(shù)相對應(yīng)，在虛擬機釋放該本地庫時，會調(diào)用JNI_OnUnload（）函數(shù)進行資源回收動作。

在應(yīng)用層的Java代碼通過虛擬機調(diào)用本地函數(shù)，一般要依賴于虛擬機查找?guī)炖锏谋镜睾瘮?shù)，如果需要調(diào)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(shù)把gMethods[]表格所含的本地函數(shù)注冊到虛擬機里。