Android系統(tǒng)是Google推出的基于Linux內核和Java架構的操作系統(tǒng)，在很短的時間內已成為主流的手機操作系統(tǒng)，并已逐步擴展應用到嵌入式系統(tǒng)、平板電腦和上網本上。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)應用程序帶來了應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，但在體系結構設計上有較大的創(chuàng)新。其主要設計目標之一就是要使應用程序和系統(tǒng)能獨立于具體的計算機體系結構和硬件平臺，表現在設備驅動程序設計上，對于已有的Linux標準設備驅動程序可以直接繼續(xù)使用，只需為其增加應用層JNI接口。但對于Linux沒有的非標準設備則提倡在Linux內核中驅動部分只做很少的接口工作，盡量把驅動程序的主要處理放在Android的上層架構中，即在應用層實現。本文對Android系統(tǒng)的底層實現技術進行深入的研究，包括Android的硬件抽象層和JNI技術實現等。并以S3C2440開發(fā)板上的LED燈設計顯示驅動程序為例，提出了一種非標準硬件設備驅動程序的設計和實現方案。

1 Android系統(tǒng)驅動程序架構

1.1 驅動程序分層體系結構

Android是基于Linux的，它使用了Linux內核，但應用程序使用Java語言開發(fā)，所以應用程序在調用設備驅動時不能像一般的Linux應用程序那樣直接使用系統(tǒng)調用，必須通過Java虛擬機的JNI的本地（Native）方法使用設備。另一方面，Android要成為一個通用性強的平臺，必須加強它的可移植性。這也是在Android架構添加一個硬件抽象層（HAL）的原因，目的是為設備的調用提供一個更高級的封裝圖1所示為Android驅動程序架構。

HAL Stub是以Linux共享庫(*.so)的形式存在，在整個驅動架構中，它是設備驅動程序運行在用戶空間的一部分，它向上為Dalvik虛擬機提供硬件設備的抽象接口，向下通過系統(tǒng)調用與Linux內核中的驅動程序進行數據交互。在這個過程中HAL可以對驅動程序的數據進行處理，也就是說在Linux內核中的驅動程序部分只需要提供一個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Android的架構中是在庫這一層中，通過這一層，硬件廠商可以把部分設備的驅動源碼封裝在這一層而不公開源代碼。

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，讓Android使用Linux內核而又不完全依賴Linux內核。當然，驅動程序并不是完全從Linux內核中分離出來，一些基本的處理必須由內核來完成，HAL只是分擔了Linux設備驅動的部分功能，至于這部分的功能占驅動程序功能的比例目前并沒有一個標準。

在Android系統(tǒng)發(fā)展過程中，HAL的實現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時以函數調用方法調用，這種做法并沒有通過封裝，即上層應用可以直接調用硬件。另外，這種方法可被多個進程使用，映射到多個進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態(tài)庫那樣調用Stub。這種HAL是由模塊與Stub結合而成，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Stub。圖2為HAL Stib原理。

安卓的非標準驅動程序設計1' />

1.3 Android的JNI實現原理

JNI是Java Native Interface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的設計目的也是一樣：

(1) 應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的執(zhí)行效率較高，讓Java程序調用這些函數。

在Android應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)行過程中需要調用本地庫時，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與本地庫能夠透過標準的JNI界面互相溝通。

應用程序在虛擬機里執(zhí)行，通過函數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，當虛擬機執(zhí)行System.loadLibrary()函數時，首先執(zhí)行本地庫里的JNI_OnLoad()函數，這個函數需要實現的功能是：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JNI_OnLoad()函數，虛擬機就會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，會調用JNI_OnUnload()函數進行資源回收動作。

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

2 Android硬件驅動程序設計

Android是一個開放平臺,在嵌入式移動設備領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Android中添加這些硬件應用，不是單純地在Linux內核中添加驅動模塊，還必須在用戶空間和應用框架中添加對應的支持。下面以給S3C2440開發(fā)板添加一個LED顯示控制驅動功能為例展示Android平臺添加新硬件支持的過程。[!--empirenews.page--]

2.1 硬件驅動程序的框架

LED控制功能通過應用程序來開關開發(fā)板上的LED燈。在應用層中LED控制程序調用LED控制服務(Android Service)，應用層中的LED控制服務通過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。圖3為LED控制功能的架構設計。