基于安卓的非标准驱动程序设计

2 Android硬件驱动程序设计

Android是一个开放平台,在嵌入式移动设备领域里具有很好的应用前景，但在不同的设备上往往有不同的硬件支持，要在Android中添加这些硬件应用，不是单纯地在Linux内核中添加驱动模块，还必须在用户空间和应用框架中添加对应的支持。下面以给S3C2440开发板添加一个LED显示控制驱动功能为例展示Android平台添加新硬件支持的过程。

2.1 硬件驱动程序的框架

LED控制功能通过应用程序来开关开发板上的LED灯。在应用层中LED控制程序调用LED控制服务(Android Service)，应用层中的LED控制服务通过JNI让虚拟机加载LED控制的本地库,然后向HAL获取LED Stub，由Stub调用在Linux内核中的LED驱动。图3为LED控制功能的架构设计。

从LED控制功能的架构来分，整个功能可以分成五个模块：LED驱动模块、LED Stub模块、LED本地服务模块、LED服务管理模块和LED应用模块。

2.2 HAL中的Stub的设计与实现

图4是LED Stub的实现过程。LED Stub是硬件抽象层中LED控制的代理，当LED控制的本地服务需要调用LED Stub时,通过函数hw_get_module( )结合LED Stub的模块ID向HAL申请LED Stub，本地服务获得Stub对象后，可以把Stub看作一个抽象硬件进行操作。

下面是定义LED Stub的HAL结构体：
struct led_module_t {
struct hw_module_t common;
}
struct led_module_t {
struct hw_module_t common;
int fd;
int(*ns_set_on)(struct led_control_device_t*dev,int32_t led);
int(*ns_set_off)(struct led_control_device_t*dev,int32_t led);
}

将结构体led_module_t初始化一个实例名为HAL_MODULE_INFO_SYM，这个名称不能修改，实例里包含了Stub的模块信息，主要包括：

tag：标记了结构体的类型，这里的值为HARDWARE_MODULE_TAG；
id：LED Stub的模块ID，在本地服务向HAL获取Stub时调用的函数hw_get_module()中，通过这里的id查找LED Stub；
methods：是结构体hw_module_methods_t的实例，为HAL定义回调函数open()。
这里的open()函数是一个必须实现的回调函数接口，在本地服务获得Stub对象后调用，它负责申请结构体led_control_device_t的空间，填充信息，注册具体操作的回调函数接口并打开LED驱动。
结构体led_control_device_t继承了hw_device_t，在open()函数调用时填充的主要信息包括：
tag：结构体的类型，这里的值为HARDWARE_DEVICE_TAG；
module：Stub的模块,也就是实例HAL_MODULE_INFO_SYM中的hw_module_t部分；
close：释放LED Stub的回调函数；
fd：打开设备驱动文件返回的文件描述符；
ns_set_on：打开LED灯的回调函数指针；
ns_set_off：关闭LED灯的回调函数指针。

回调函数指针"*ns_set_on"和"*ns_set_off"分别指向实现函数hal_ led_on()和hal_led_off()，在实现函数中通过系统调用ioctl()对LED灯进行开关控制。

2.3 硬件控制服务的JNI实现

LED控制本地库编译后为"libled.so"保存在Android文件系统的"/sysem/lib/"目录下面，LED控制服务的Android进程运行后由虚拟机实例装入本地库，具体实现过程如图5所示。

LED控制服务调用System.load()函数，它的虚拟机实例就会装入LED控制本地库，虚拟机会首先调用 JNI_OnLoad()函数完成：
(1) 把虚拟机环境信息保存到本地库的一个结构体"JNIEnv"的实例中；
(2) 建立一个应用层中的LED控制服务与本地库的JNI函数表；
(3) 返回虚拟机本地库使用的JNI版本。
加载完后，应用层中的LED控制服务就可以通过虚拟机中的JNI函数表把运行的Java函数转换为本地函数执行。在LED控制服务类中定义有JNI函数的方式,例如下面的代码段：
public final class LedService extends IledService.Stub {
…….
static {
System.load("/system/lib/libled.so");
}
……
private static native boolean as_init();
private static native boolean as_set_on(int led);
private static native boolean as_set_off(int led);
}

本文的研究工作是在S3C2440开发板上进行的，以给开发板上的LED灯增加驱动程序为例，展示了一种为Android平台非标准硬件增加驱动程序的设计方案，对于实现其他设备的驱动具有一定的借鉴意义。由于各种硬件设备及其接口差异较大，本文着重于驱动程序的设计方案，没有讨论相关的硬件接口驱动细节。随着Android平台日渐成熟以及应用数量的增加,它在嵌入式领域的应用范围将会更加广泛。为Android设备编写不同于标准Linux系统的设备驱动程序会变得越来越多。