Android Sensor感應器系統架構初探

1. 體繫結構

2. 資料結構

3. 四大函數

本文以重力感應器裝置G-sensor為例探索Android的各階層。

1. 體繫結構

    Android的體繫結構可分為4個層次。

• 第一層次  底層驅動層，包括標準Linux，Android核心驅動，Android相關裝置驅動，G-sensor的裝置驅動程式即存在於此
• 第二層次 Android標準C/C++庫，包括硬體抽象層，Android各底層庫，本地庫，JNI
• 第三層次 Android Java Framwork架構層
• 第四層次 Java應用程式

本文重點關注硬體抽象層，JNI以及Framework。

1.1 硬體抽象層

      硬體抽象層通過例如open(), read(), write(), ioctl(), poll()等函數調用的方式，與底層裝置驅動程式進行互動，而這些函數調用是底層裝置驅動程式事先準備好的。

      用於互動的關鍵是檔案描述符fd，fd通過open()開啟G-sensor裝置節點而得到，即 fd = open ("/dev/bma220", O_RDONLY);而/dev/bma220這個裝置節點是在底層裝置驅動中註冊完成的。

      其他的函數調用如read(), write()等都通過該檔案描述符fd對G-sensor裝置進行操作。

1.2 JNI (Java Native Interface)

      JNI層可以認為是整個體繫結構中的配角，概括地講，它就完成了一項任務，既實現從C++語言到Java語言的轉換。JNI層為Java Framework層提供一系列介面，而這些介面函數的具體實現中，利用例如module->methods->open(), sSensorDevice->data_open(), sSensorDevice->poll()等回呼函數與硬體抽象層進行互動。而這些open(), poll()回呼函數在硬體抽象層中具體實現。

1.3 Java Framework

      Framework層提供各種類和類的對象，可作為系統的守護進程運行，也可供上層應用程式的使用。

      例如類SensorManager，它作為系統的守護進程在初始化的時候開始運行，其子類SensorThread中的子類SensorThreadRunnable通過sensors_data_poll()實現了對G-sensor資料的輪訓訪問，而sensors_data_poll()通過JNI層轉換到硬體抽象層去具體實現poll()。

2 資料結構

     一般境況下，硬體抽象層對硬體的描述都分為control和data兩大類。

2.1 sensors_control_context_t

struct sensors_control_context_t {
    struct sensors_control_device_t device;

    int fd;
};

struct sensors_control_device_t {
    struct
hw_device_t common;
    int (*open_data_source)(struct sensors_control_device_t *dev);
    int (*activate)(struct sensors_control_device_t *dev, int handle, int enabled);
    int (*set_delay)(struct sensors_control_device_t *dev, int32_t ms);

    int (*wake)(struct sensors_control_device_t *dev);
};

2.2 sensors_data_context_t

struct sensors_data_context_t {
    struct sensors_data_device_t device;

    int fd;
};

struct sensors_data_device_t {
    struct hw_device_t common;

    int (*data_open)(struct sensors_data_device_t *dev, int fd);
    int (*data_close)(struct sensors_data_device_t *dev);
    int (*poll)(struct sensors_data_device_t *dev,
            sensors_data_t* data);
}

struct hw_device_t {
    uint32_t tag; uint32_t version;

    struct hw_module_t* module;

    int (*close)(struct hw_device_t* device);
};

struct hw_module_t {
    uint32_t tag; uint16_t version_major; uint16_t version_minor;

    const char *id; const char *name; const char *author;

    struct hw_module_methods_t* methods;
};

struct hw_module_methods_t {
    int (*open)(const struct hw_module_t* module, const char* id,
            struct hw_device_t** device);
};

下文將通過對(*open), (*open_data_source), (*data_open)和(*poll)的程式碼分析，探索Android的各層次架構。

3 四大函數

3.1 module->methods->open()

1) Framework

    SensorService作為系統守護進程運行，其類的建構函式實現_sensors_control_init()。

2) JNI

    為_sensors_control_init()提供介面android_init()，並執行回呼函數module->methods->open();

3) 硬體抽象層

    具體實現(*open)，該函數為所有G-sensor回呼函數的指標賦值。

3.2 sSensorDevice->open_data_source()

1) Framework

    SensorService作為系統守護進程運行，其類的一個公有成員ParcelFileDescriptor通過實現_sensors_control_open()得到裝置的檔案描述符。

2) JNI

    為_sensors_control_open()提供介面android_open()，並執行回呼函數sSensorDevice->open_data_source();

3) 硬體抽象層

    具體實現(*open_data_source)，該函數通過開啟G-sensor的裝置節點得到檔案描述符fd = open ("/dev/bma220", O_RDONLY);

4) 裝置驅動層

    通過misc_register()對G-sensor裝置進行註冊，建立裝置節點。

3.3 sSensorDevice->data_open()

1) Framework

    SensorManager作為系統守護進程運行，其子類SensorThreadRunnable的行為函數run()實現sensors_data_open()。

2) JNI

    為sensors_data_open()提供介面sensors_data_open()，並執行回呼函數sSensorDevice->data_open();

3) 硬體抽象層

    具體實現(*data_open)，該函數的功能就是將已經得到的檔案描述符fd複製一份到sensors_data_context結構體中的dev->fd，以便為處理資料的回呼函數如(*poll)使用。

3.4 sSensorDevice->poll()

 

1) Framework

    SensorManager作為系統守護進程運行，其子類SensorThreadRunnable的行為函數run()實現sensors_data_poll(values, status, timestamp)，其目的是通過此函數得到從底層傳上來的有關G-sensor的資料values, status和timestamp，再通過此類的一個行為函數listener.onSensorChangedLocked(sensorObject, values, timestamp, accuracy);為上層應用程式提供了得到G-sensor裝置資料的介面函數。

2) JNI

    為sensors_data_poll()提供介面sensors_data_poll()，並執行回呼函數sSensorDevice->poll(sSensorDevice, &data);其中，得到的data就是從底層傳上來的G-sensor資料，然後通過的方式將data中對應的資料分別賦給values, status和timestamp。

 

3) 硬體抽象層

    具體實現(*poll)，該函數通過ioctl()實現與底層驅動程式的互動。

    ioctl(dev->fd, BMA220_GET_ORIENTATION, &orient_value);

    其中，dev->fd即剛才由(*data_open)得到的檔案描述符，BMA220_GET_ORIENTATION為ioctl的一個命令，具體實現由底層驅動程式完成，orient_value即得到的G-sensor資料，它通過的方式將相對應的資料賦給了data結構體中的values, status和time，從而最終實現了從底層到上層的資料通訊。

4) 裝置驅動層

    與硬體抽象層互動的read(), write(), ioctl()函數由裝置驅動實現。以ioctl()的一條命令BMA220_GET_ORIENTATION為例，

通過bma220_get_orientation(data)得到G-sensor的資料data，然後將其從核心空間上傳到使用者空間的arg.