Android軟硬件巧妙整合的開發(fā)技巧 - 全文

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　　Android是基于Linux內核的操作系統(tǒng)，是Google公司在2007年11月5日公布的手機操作系統(tǒng)。早期由原名為“Android”的公司開發(fā)，谷歌在2005年收購“Android.Inc”后，繼續(xù)進行對Android系統(tǒng)開發(fā)運營，它采用了軟件堆層(software stack，又名軟件疊層)的架構，主要分為三部分。底層Linux內核只提供基本功能，其他的應用軟件則由各公司自行開發(fā)，部分程序以Java編寫。2011年初數(shù)據(jù)顯示，僅正式上市兩年的操作系統(tǒng)Android已經超越稱霸十年的塞班系統(tǒng)，使之躍居全球最受歡迎的智能手機平臺?，F(xiàn)在，Android系統(tǒng)不但應用于智能手機，也在平板電腦市場急速擴張。采用Android系統(tǒng)主要廠商包括***的HTC,(第一臺谷歌的手機G1由HTC生產代工)美國摩托羅拉，SE等，另外還有中國大陸廠商如：華為、中興、聯(lián)想等。

　　Android以Java為編程語言，從接口到功能，都有層出不窮的變化，其中Activity等同于J2ME的MIDlet，一個 Activity 類(class)負責創(chuàng)建視窗(window)，一個活動中的Activity就是在 foreground(前景)模式，背景運行的程序叫做Service。兩者之間通過由ServiceConnection和AIDL連結，達到復數(shù)程序同時運行的效果。如果運行中的 Activity 全部畫面被其他 Activity 取代時，該 Activity 便被停止(stopped)，甚至被系統(tǒng)清除(kill)。

　　View等同于J2ME的Displayable，程序人員可以通過 View 類與“XML layout”檔將UI放置在視窗上，Android 1.5的版本可以利用 View 打造出所謂的 Widgets，其實Widget只是View的一種，所以可以使用xml來設計layout，HTC的Android Hero手機即含有大量的widget。至于ViewGroup 是各種layout 的基礎抽象類(abstract class)，ViewGroup之內還可以有ViewGroup。View的構造函數(shù)不需要再Activity中調用，但是Displayable的是必須的，在Activity 中，要通過findViewById()來從XML 中取得View，Android的View類的顯示很大程度上是從XML中讀取的。View 與事件(event)息息相關，兩者之間通過Listener 結合在一起，每一個View都可以注冊一個event listener，例如：當View要處理用戶觸碰(touch)的事件時，就要向Android框架注冊View.OnClickListener。另外還有Image等同于J2ME的BitMap。

　　隨著科技的快速演進，現(xiàn)代人對移動通信、無線上網與多媒體娛樂的需求更甚以往，所謂的智能手機(Smart Phone)便成了炙手可熱的個人消費電子產品之一，從Apple不斷推出iPhone企圖顛覆消費者對手機的想象、RIM推出主打商務功能的黑莓機、Google的Android系統(tǒng)讓眾家手機廠商爭食大餅，到微軟屢敗屢戰(zhàn)的從WinMo一路開發(fā)到WP7，智能手機的這塊戰(zhàn)場可說是打的如火如荼。然而在這些眾家競爭者中，Android可說是目前行情看俏的一套操作系統(tǒng)，以國際市調研究機構Gartner最新出爐2010年第三季的調查為例，采用Android操作系統(tǒng)的智能手機在過去一年以來成長幅度最高，光是市占率便是前一年同期的七倍之多，銷售量更是達到14倍的成長，同時也一舉從市占率排名的第六名竄升到第二名。

　　*Gartner 2010 Q3 Worldwide Smartphone Sales

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　　Android在過去一直扮演后起之秀的角色，切入智能手機的速度似乎慢了蘋果的iOS一步，但與Apple相同的是，它也成功的將其應用從手機移植到了平板電腦(Tablet PC)上。Android開放源代碼(Open Source)的特性，能輕易地提高廠商對自家產品的接受度，更不用提背后Google的強力撐腰能帶來多大的經濟效益。目前可見包括手機廠商HTC、摩托羅拉(Motorola)、三星(SAMSUNG)，以及電腦大廠惠普(HP)與戴爾(Dell)等皆投向Android的懷抱，Android被廣泛應用可說是勢在必行。

　　盡管Android系統(tǒng)的普及看似指日可待，但在實際的產品應用上，也有其可能產生的問題風險。Android作為一個開放式的操作系統(tǒng)，是Google提供廠商的操作系統(tǒng)參考架構(reference design)，廠商能有充足的發(fā)揮空間，以Android為基礎向上開發(fā)設計自家產品，但也因為這樣的開放性與自由性，讓廠商在軟硬件結合的這個環(huán)節(jié)必須下更大的功夫，像是如何挑選合適的硬件包括基頻處理器、通信芯片、觸控感應芯片、天線與存儲器模組等，以及如何調整出最適當?shù)能浖O定等，更重要的是如何將軟硬件整合，開發(fā)出差異化的產品。這中間所有的細節(jié)都會對產品最終樣貌產生莫大的影響，像是其功能的完整度、使用接口的設計、效能表現(xiàn)(例如觸控滑動畫面、開啟程序所需時間)、品質可靠度、甚至是后續(xù)的固件升級動作等等。

　　一、解構Android基本技術架構

　　首先我們先來看到Android的基本技術架構，Android是以Linux為核心，并采用軟件堆迭(software stack)的架構延伸發(fā)展的一套軟件平臺與操作系統(tǒng)。根據(jù)下圖可以看出，其基本架構分為五層：

　　*Android Structure by Google

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　　·Linux核心(Linux Kernel)：以Linux開發(fā)提供最底層的核心系統(tǒng)服務，包括安全性(Security)、存儲器管理(Memory Management)、進程管理(Process Management)、網路堆迭(Network Stack)與驅動程序模型(Driver Model)。

　　·Android執(zhí)行環(huán)境(Android Runtime)：透過Core Libraries(核心函式庫)以及暫存器型態(tài)的Dalvik Virtual Machine(Dalvik虛擬機器)來執(zhí)行程序。

　　·系統(tǒng)函式庫(Library)：使用C/C++函式庫的系統(tǒng)組件以供呼叫使用，開發(fā)者可透過上層的應用程序框架來運用這些功能，這也是主要Android設備的效能關鍵。

　　·應用程序框架(Application Framework)：被設計來簡化組件的再運用，開發(fā)者能完整存取使用與核心應用程序(Core Application)相同的API，應用程序可以發(fā)布功能并為其它應用程序所使用(需受限于其安全性限制)，開發(fā)者也可運用同樣的機制來新增與置換組件。

　　·應用程序(Application)：所有Android應用程序皆是以Java程序語言編寫，原始就會包含像是Email、簡訊、日歷、地圖、瀏覽器、聯(lián)絡人等其它應用程序，讓用戶一開始就擁有這些基本功能，開發(fā)者也可在此客制其使用接口。

　　廠商越想要設計出與原始設定不同且增強效能的產品，便越需要對這五層架構進行修改。譬如像是多任務處理能力(multi-tasking)，便可能需要修改包括Linux核心與應用程序框架的設計;而應用程序的開發(fā)者更可能需要針對應用程序與框架進行調整。由此可見，對Android設備而言，任何一個功能的置入或是對硬件設定的細微更動，都需要對Android系統(tǒng)進行從下到上的調整以達到最優(yōu)化的效能，而這正是最為困難與需要驗證的一環(huán)。

　　二、Android設備軟硬件整合的五大技術環(huán)節(jié)

　　如前所述，對眾家開發(fā)廠商而言最大的挑戰(zhàn)其實在于，如何將自己理想的產品訴求，與Android系統(tǒng)巧妙結合成一個功能完整并使用流暢順手的產品，這其中牽涉了不同技術間的整合與運用。在此我們便根據(jù)其多年的測試與研究經驗，歸納出五大Android相關設備在技術整合上的重要環(huán)節(jié)：

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　　1、Linux驅動程序的導入

　　由于Android是根源于Linux所延伸出來的操作系統(tǒng)，因此各種關鍵功能的驅動程序也必須要能順利的寫入其中，舉凡像是字符設備、存儲器的空間配置、中斷處理、網路通信、螢幕顯示或是連接接口像是USB與PCI的驅動程序，這些可能是自行撰寫、或是來自不同組件廠商的驅動程序，都必須要能被導入到Android系統(tǒng)，并維持良好穩(wěn)定的效能表現(xiàn)。

　　2、系統(tǒng)單芯片的優(yōu)化處理

　　對廠商而言，開發(fā)一款Android設備，不僅僅只是將所有零組件組合成為一個產品那么容易，最大的學問便在于將系統(tǒng)單芯片(System-on-a-chip，SoC)、各種新技術和Android系統(tǒng)進行整合，SoC涉及像是Dalvik Virtual Machine、OpenGL、V8、Webkit Engine等上層的演算，與Android間的結合便必須透過不斷的嘗試與驗證，才能研發(fā)出既符合成本效益、又有良好效能的優(yōu)化產品。目前市面上有些SoC廠商已針對Android系統(tǒng)的特性，提供整合過的SoC平臺，將藍牙、相機或上網等常用功能模組預先寫入，減少終端成品廠商費力整合開發(fā)的時間，但對廠商而言，這樣的預先整合是否適合自身產品，以及是否需要再作更細致的修改，則又是更困難的課題。

　　3、新技術的移植

　　隨著技術的快速發(fā)展，更多新興的技術規(guī)格也逐漸應用在手機等手持設備上，以手機為例，已經從過去以撥打電話為主要功能，轉變?yōu)閾碛懈鞣N多樣化用途的產品。像是觸控技術讓消費者可以透過手指的滑動傳送指令甚至是具備多點觸控的支持、Wi-Fi模組提供隨時無線上網的可能、通用圖形處理器(General-purpose computing on graphics procESSing units，GPGPU)則能以并行方式透過圖形處理器來執(zhí)行通用計算任務、Android 2.3版所支持的NFC近場通信技術，以及更高階的相機模組等等，背后都有各自的驅動程序與軟件技術，也必須要與Android系統(tǒng)相結合使用。

　　4、效能表現(xiàn)的穩(wěn)定

　　盡管上述這些技術不斷推陳出新，但也都不能因此而犧牲設備原本的效能表現(xiàn)，讓處理速度因此變慢或造成使用上不順暢的狀況。除了采用更好的硬件設備外(例如現(xiàn)今處理器的時脈已邁向1GHz)，更需要操作系統(tǒng)的支持，像是如何在多任務運作的狀況下維持程序執(zhí)行速度以及系統(tǒng)滿載的處理等等，都必須要透過軟件面的奧援。也就是說，一臺Android設備除了要能將各種功能與技術收納起來、將軟硬件整合外，更必須同時注重它在效能上能否維持應有的水準，以提供使用者在操作上流暢易上手的感受。

　　5、低電耗設計

　　Android的設計概念主要是應用于便攜式設備上，目前市面上可見的像是平板電腦與智能手機等。對這類產品而言，電池續(xù)航力的好壞可說是影響消費者使用感受的關鍵之一，試想，若是一臺智能手機的待機時間過短，而使用者在外時又無法隨時充電使用，不能即時的連網查詢資料或執(zhí)行其他手機功能，這樣的產品便失去了它作為便攜式移動設備應有的便利性。追根究底，良好的待機時間除了需仰賴高容量的電池以提供充足電力之外，另一個重點就是設備本身在被使用執(zhí)行時能否作到低電耗設計。Android設備讓使用者能透過各種多樣化的應用程序，來達到各種不同的使用目的，舉凡像是單純上網、觀看新聞、郵件推播或是游戲等等，各種不同功能的程序都能透過自由下載使用，也由于其多任務處理與讓程序背景執(zhí)行的能力，更讓降低耗電量成為開發(fā)者不可輕忽的一項課題。

　　持續(xù)驗證修正 找出最佳Android整合方案

　　正如前面我們不斷提到的，對Android設備而言，最困難的開發(fā)挑戰(zhàn)便在于如何完美地“整合”軟件與硬件，以開發(fā)出一項功能完整又同時注重使用者感受的產品。從對Android本身程序碼的修改、相關硬件的選擇，到驅動程序的結合運用以及能否維持穩(wěn)定的效能表現(xiàn)等，在在都必須要透過仔細的研究與不斷的嘗試，才能找出問題的根源并解決、更進而找出最合適的整合方案。

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　　像是Android源代碼中對音源的重新取樣(Re-sampling)設計，就會導致設備在讀取48K音源時重新取樣成44K，而造成諧波失真的現(xiàn)象影響音質，這便是廠商不會注意到而未去修改的問題;另外像是天線位置的設計，也可能直接的影響到收訊能力的好壞;而不良的電源管理設計，也極有可能影響到設備在持續(xù)使用狀態(tài)中的耗電情形。百佳泰在此僅以專業(yè)測試驗證實驗室的角度，希冀以宏觀的方式，針對Android設備的開發(fā)設計提供可用的參考，近期內我們也將會提供實際的相關測試數(shù)據(jù)報告，并進一步指陳這些可能的問題風險，以期讓更多廠商與消費者都能注意到品質驗證的重要性，是從產品設計的根源就要開始層層把關。

　　Android 是運行于 Linux kernel之上，但并不是GNU/Linux。因為在一般GNU/Linux 里支持的功能，Android 大都沒有支持，包括Cairo、X11、Alsa、FFmpeg、GTK、Pango及Glibc等都被移除掉了。Android又以bionic 取代Glibc、以Skia 取代Cairo、再以opencore 取代FFmpeg 等等。Android 為了達到商業(yè)應用，必須移除被GNU GPL授權證所約束的部份，例如Android將驅動程序移到 userspace，使得Linux driver 與 Linux kernel徹底分開。bionic/libc/kernel/ 并非標準的kernel header files。Android 的 kernel header 是利用工具由 Linux kernel header 所產生的，這樣做是為了保留常數(shù)、數(shù)據(jù)結構與宏。 　　目前Android 的 Linux kernel控制包括安全(Security)，存儲器管理(Memory Management)，程序管理(Process Management)，網絡堆棧(Network Stack)，驅動程序模型(Driver Model)等。下載Android源碼之前，先要安裝其構建工具 Repo來初始化源碼。Repo 是 Android 用來輔助Git工作的一個工具。