工程师需要了解的Android系统架构及内核

Android是Google公司开发的基于Linux平台的开源手机操作系统,它包括操作系统、中间件、用户界面和应用程序,而且不存在任何以往阻碍移动产业创新的专利权障碍,并由Google公司于2007年11月5日正式发布。同时,Google公司组建了一个开放手机联盟,这个联盟由中国移动、摩托罗拉、高通、宏达电和T-Mobile等在内的全球30多家技术和无线应用的领军企业组成,Google通过与运营商、设备制造商、开发商和其他有关各方结成深层次的合作伙伴关系,希望借助建立标准化、开放式的移动电话软件平台,在移动产业内形成一个开放式的生态系统;可预见地,生产和使用基于Android系统的嵌入式手持移动设备将是未来的发展趋势,对相应软件的需求量也将日趋增长,因此对Android系统内部作一个完整和深入的分析,对基于Android平台的软件移植和开发是很有益处的。 
1　Android系统平台架构 
对操作系统而言,必须做到设计合理、层次分明,同时还需考虑整个系统的结构要聚耦适当,Android系统是基于linux内核的,因此还必须具备开源的特性,以符合开源人员共同工作。 

从系统的组成要件来讲,Android平台架构包括硬件设备、板级支持包、驱动程序、操作系统内核、程序运行库,运行框架,应用程序等,它们的有机结合和协同工作共同完成了整个系统的正常运行和对事务的处理。 

依据Google开源资料可知,整个系统由Linux内核、程序库、Android Runtime、应用程序框架和应用程序等5部分组成，,系统架构如图1所示。 

参照图1,由上而下对组成系统各部分的主要组件作以下描述。 
1.1　Linux内核 
Android基于Linux 2.6内核,但并非完全照搬内核,而是对内核作了部分增删和修改,在Linux 2.6内核的基础上,Android核心系统实现了安全性、内存管理、进程管理、网络协议栈和驱动模型等功能,Linux内核也同时作为硬件和软件栈之间的抽象层。 
①硬件驱动程序:完成与各种硬件的通信,Linux内核提供了大部分设备的驱动程序,如显示屏,摄像头,内存,键盘,无线网络,音频设备,电源等组件。 
②系统内存管理:对所有可用的内存进行统一编码管理,定义一整套内存定位,使用与回收的策略。 
③系统进程管理:内核管理进程的创建与销毁,管理进程间的通信,以及采取必要的措施避免死锁等内容。 
④网络管理系统:无线网络设备工作原理,内核掌控如何读取网络设备中的缓存数据。 
1.2　程序库 
程序库是指可供使用的各种标准程序、子程序、文件以及它们的目录等信息的有序集合,Android包含一些C/C++库,Android系统中不同的组件通过应用程序框架可以使用这些库,以下是一些核心库: 
Surface Manager:管理显示子系统,并且为多个应用程序提供2D和3D图层的无缝融合; 
Media Framework:基于OpenCORE的多媒体框架,支持多种常用的音频、视频格式文件的回放和录制,同时支持静态图像文件。 
SQLite:一个对于所有应用程序可用,功能强劲的轻型关系型数据库引擎。 
OpenGL ES:3D图形库,用于3D图形渲染,该库可以使用3D硬件加速。 
FreeType:位图(Bitmap)和矢量(Vector)字体显示。 
WebKit:支持Android浏览器和一个可嵌入的Web视图。 
SGL:2D图形库,用于2D图形渲染。 
LibC:一个从BSD继承的标准C系统函数库,它是专门为基于嵌入式Linux设备定制的。 
1.3　Android运行库(Android Runtime) 
Android运行库包括两部分:一是核心库,二是自身的虚拟机。 

核心库提供Java编程语言核心库的大多数功能。Dalvik虚拟机是Google专为Android开发的,比SunJava虚拟机的效率更高,功能也更为复杂,以更好的支撑Android平台,并拥有独立的版权。每一个Android应用程序都在自己的进程中运行,都拥有一个独立的Dalvik虚拟机实例, Dalvik虚拟机执行.dex的可执行文件,该格式文件针对小内存的使用进行了优化,同时虚拟机是基于寄存器实现的,所有的类由Java编译器编译,然后通过SDK中的相应工具转化成.dex格式,最后由虚拟机执行。 
1.4　应用程序框架 
应用程序框架是指定义了一个应用程序运行所必须的全部功能组件,开发者也可以访问核心应用程序所使用的API框架。该应用程序的架构设计简化了组件的重用;任何一个应用程序都可以发布它的功能块,并且任何其他的应用程序都可以使用其所发布的功能块(应该遵循框架的安全性限制)。同样,该应用程序的重用机制也使用户可以方便地替换程序组件。 

隐藏在每个应用后面的是一系列的服务和系统,其中包括: 
活动管理器(Activity Manager):用来管理应用程序生命周期,并且提供常用的导航回退功能。 
丰富而又可扩展的视图(Views):可以用来构建应用程序,它包括列表(Lists)、网格(Grids)、文本框 
(Text Boxes)、按钮(Buttons),甚至包括可嵌入的Web浏览器。 
内容提供器(Content Providers):使得应用程序可以访问另一个应用程序的数据,或者可以共享它们自己的数据。 
资源管理器(Resource Manager):提供非代码资源的访问,如本地字符串、图形和布局文件(Layout Files)。 
通知管理器(Notification Manager):使得应用程序可以在状态栏中显示自定义的提示信息。 
Android程序框架体显了“统一”与“兼容”的原则,其优势归纳为: 
①任何一个应用程序都可以发布它的功能块。 
②所有的应用程序在Android平台上都是平等的。 
③所有的应用程序与资源都被按类别进行分别管理。 
④所有程序各司其职。 
1.5　应用程序 
Android系统发布时,会同一系列核心应用程序和常用程序一起发布,如常用的手机功能程序,包括语音电话、通讯录、短信收发、照相、话机设置等;数据应用程序,包括邮件工具,日程表,浏览器,地图导航等,以及Android Market上的各种应用程序;所有的应用程序都是使用Java语言编写。 
2　Android内核 
Android内核基于Linux2.6内核作了部分修改和增删,是一个增强内核版本,除了修改部分Bug外,它还提供了用于支持Android平台的设备驱动,与标准的Linux内核比较、分析可知其内核的全貌和基本结构,下面对基于Android修改的核心驱动作初步阐述: 
2.1　系统进程管理 
Android平台的进程间通讯基于Binder机制实现,它提供了一种进程间通信的方法,即一个进程可以以类似远程过程调用的形式调用另一个进程所提供的功能,然后带着执行的结果返回。Android Binder是基于Service与Client的,有一个ServiceManager的守护进程管理着系统的各个服务,它负责监听是否有其他程序向其发送请求,如果有请求就响应,每个服务都要在ServiceManager中注册,而请求服务的客户端去ServiceManager请求服务。 
2.2　内存管理 
低内存管理器(Low Memory Killer):相对于Linux标准OOM(Out Of Memory)机制更加灵活,它可以根据需要杀死进程来释放需要的内存。匿名共享内存(ashmem):为进程间提供大块共享内存,同时为内核提供回收和管理这个内存的机制。Android PMEM(Physical):PMEM用于向用户空间提供连续的物理内存区域,DSP和某些设备只能工作在连续的物理内存上。 
2.3　文件系统管理 
Android平台采用Yaffs2作为MTD nand flash文件系统,Yaffs2是一个快速稳定的应用于NAND和NOR Flash的跨平台的嵌入式设备文件系统,同其他Flash文件系统相比,Yaffs2使用更小的内存来保存它的运行状态,因此它占用内存小;Yaffs2的垃圾回收非常简单而且快速,因此能达到更好的性能;Yaffs2在大容量的NAND Flash上性能表现尤为明显,非常适合大容量的Flash存储。 
2.4　时钟管理 
Android Alarm,提供了一个定时器用于把设备从睡眠状态唤醒,同时它也提供了一个即使在设备睡眠时也会运行的时钟基准,Android timed device,提供了对设备进行定时控制功能,目前支持vibrator和LED设备。 
2.5　电源管理 
Android电源管理(PM),一个基于标准Linux电源管理系统的轻量级的Android电源管理驱动,针对嵌入式设备做了很多优化。 
2.6　USB管理 
Android的USB驱动是基于gaeget框架的,USB Gadget驱动是一个基于标准Linux USB gadget驱动框架的设备驱动。 
2.7　系统日志管理 
Android Logger,一个轻量级的日志设备,用于抓取Android系统的各种日志。 
3　结束语 
Android是一款开放的、基于Linux内核的嵌入式操作系统,将被广泛地应用到各种移动手持设备中,充分发挥其强大的网络功能;由于开源的特性,Android不区分核心应用程序和第三方应用程序,并可自由的吸纳新出现的尖端技术;同时,Android提供广泛而实用的函数库和工具,利用它们可以开发丰富的应用程序。由此可以展望,基于开放手机联盟(Open Handset Alliance)平台强大的技术实力和市场推广,Android系统在移动嵌入式领域的应用将会非常广阔。