Android Sensor傳感器系統架構初探

1. 體系結構

2. 數據結構

3. 四大函數

本文以重力感應器裝置G-sensor爲例探索Android的各層次結構。

1. 體系結構

Android的體系結構可分爲4個層次。

第一層次底層驅動層，包括標準Linux，Android核心驅動，Android相關設備驅動，G-sensor的設備驅動程序即存在於此
第二層次 Android標準C/C++庫，包括硬件抽象層，Android各底層庫，本地庫，JNI
第三層次 Android Java Framwork框架層
第四層次 Java應用程序

本文重點關注硬件抽象層，JNI以及Framework。

1.1 硬件抽象層

硬件抽象層通過例如open(), read(), write(), ioctl(), poll()等函數調用的方式，與底層設備驅動程序進行交互，而這些函數調用是底層設備驅動程序事先準備好的。

用於交互的關鍵是文件描述符fd，fd通過open()打開G-sensor設備節點而得到，即 fd = open ("/dev/bma220", O_RDONLY);而/dev/bma220這個設備節點是在底層設備驅動中註冊完成的。

其他的函數調用如read(), write()等都通過該文件描述符fd對G-sensor設備進行操作。

1.2 JNI (Java Native Interface)

JNI層可以認爲是整個體系結構中的配角，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層爲Java Framework層提供一系列接口，而這些接口函數的具體實現中，利用例如module->methods->open(), sSensorDevice->data_open(), sSensorDevice->poll()等回調函數與硬件抽象層進行交互。而這些open(), poll()回調函數在硬件抽象層中具體實現。

1.3 Java Framework

Framework層提供各種類和類的對象，可作爲系統的守護進程運行，也可供上層應用程序的使用。

例如類SensorManager，它作爲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數據的輪訓訪問，而sensors_data_poll()通過JNI層轉換到硬件抽象層去具體實現poll()。

2 數據結構

一般境況下，硬件抽象層對硬件的描述都分爲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)的代碼分析，探索Android的各層次架構。

3 四大函數

3.1 module->methods->open()

1) Framework

SensorService作爲系統守護進程運行，其類的構造函數實現_sensors_control_init()。

2) JNI

爲_sensors_control_init()提供接口android_init()，並執行回調函數module->methods->open();

3) 硬件抽象層

具體實現(*open)，該函數爲所有G-sensor回調函數的指針賦值。

3.2 sSensorDevice->open_data_source()

1) Framework

SensorService作爲系統守護進程運行，其類的一個公有成員ParcelFileDescriptor通過實現_sensors_control_open()得到設備的文件描述符。

2) JNI

爲_sensors_control_open()提供接口android_open()，並執行回調函數sSensorDevice->open_data_source();

3) 硬件抽象層

具體實現(*open_data_source)，該函數通過打開G-sensor的設備節點得到文件描述符fd = open ("/dev/bma220", O_RDONLY);

4) 設備驅動層

通過misc_register()對G-sensor設備進行註冊，建立設備節點。

3.3 sSensorDevice->data_open()

1) Framework

SensorManager作爲系統守護進程運行，其子類SensorThreadRunnable的行爲函數run()實現sensors_data_open()。

2) JNI

爲sensors_data_open()提供接口sensors_data_open()，並執行回調函數sSensorDevice->data_open();

3) 硬件抽象層

具體實現(*data_open)，該函數的功能就是將已經得到的文件描述符fd複製一份到sensors_data_context結構體中的dev->fd，以便爲處理數據的回調函數如(*poll)使用。

3.4 sSensorDevice->poll()

1) Framework

SensorManager作爲系統守護進程運行，其子類SensorThreadRunnable的行爲函數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的數據values, status和timestamp，再通過此類的一個行爲函數listener.onSensorChangedLocked(sensorObject, values, timestamp, accuracy);爲上層應用程序提供了得到G-sensor設備數據的接口函數。

2) JNI

爲sensors_data_poll()提供接口sensors_data_poll()，並執行回調函數sSensorDevice->poll(sSensorDevice, &data);其中，得到的data就是從底層傳上來的G-sensor數據，然後通過下圖的方式將data中對應的數據分別賦給values, status和timestamp。

3) 硬件抽象層

具體實現(*poll)，該函數通過ioctl()實現與底層驅動程序的交互。

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

其中，dev->fd即剛纔由(*data_open)得到的文件描述符，BMA220_GET_ORIENTATION爲ioctl的一個命令，具體實現由底層驅動程序完成，orient_value即得到的G-sensor數據，它通過下圖的方式將相對應的數據賦給了data結構體中的values, status和time，從而最終實現了從底層到上層的數據通信。