• 11.1 Android 操作系统介绍

• Android 是 Google 公司于2007 年11月发布的一款非常优秀的智能移 动平台操作系统。到2011 年第一季度Android 在全球的市场份额首 次超过Nokia的Symbian系统，跃居全球第一。

• Android系统最初由AndyRubin等人于2003年10月创建。Google于 2005 年8月17日收购Android并组建OHA（OpenHandsetAlliance， 开放手机联盟）开发改良 Android，之后逐渐扩展到平板电脑及其他 移动平台领域上。

• Android 系统是一个基于 Apache License（Apache 许可证）、GPL （GNU General Public License，GNU 通用公共许可证）软件许可的开 源手机操作系统，底层由 Linux 操作系统作为内核，我们可以直接从 Android 的官方网站上下载最新的Android源码和相关开发工具包：

– 面向开发者的Android网址：https://developer.android.google.cn/

– Android开源项目网址：http://source.android.com

• 11.2 Android 软件架构介绍

• Android 的软件架构采用了分层结构，如下图所示，由上至下分别为：Applications 应 用层、Application Framework 应用框架层、Android Runtime & Libraries 运行时库和本 地库层、Linux Kernel 内核层。

 ① Applications 应用层：用户安装应用程序及系统自带应用程序层，主要用来与用户进行 交互，如Home 指Android 手机的桌面，Phone 指电话应用，用来拨打电话等。

② Application Framework 应用框架层：系统框架层，封装了大量应用程序所使用的类， 从而达到组件重用的目的，它主要向上层应用层提供API，如：ActivityManager主要 用于管理所有的Activity、画面导航、回退等生命周期相关的操作，PackageManager 主要用来管理程序安装包的安装、更新、删除等操作。

③ Android Runtime & Libraries 运行时库和本地库层：Runtime 是 Android 的运行环境，在 该层有DalvikVirtualMachine（Android 的虚拟机简称 DVM）的实现，在DVM 中运行着 Java 的核心语言库代码和Java 程序。同时，在DVM 运行期间要调用系统库代码，如： 负责显示的SurfaceManager 本地代码，负责多媒体处理相关的MediaFrameworks代码 及C 库libc等。

④ Linux Kernel 内核层：Android 系统是基于Linux 系统的，所以Android 底层系统相关的 框架和标准的Linux 内核没有什么很大的区别，只不过添加了几个Android 系统运行 必备的驱动，如：BinderIPC进程间通信驱动、PowerManager电源管理驱动等。

• 总结：Android 的软件架构是我们学习Android 开发必须要掌握的知识点，它对我们将 来编写Android 应用程序、理解Android 框架代码、编写本地代码、修改底层驱动都有 重要的指导意义，可谓是学习Android 的灵魂。

• 11.3 Android 内核

• 内核（Kernel）是Android系统最核心的部分，其主要作用在于与计算机 硬件进行交互，实现对硬件的编程控制和接口操作。内核的主要功能包 括：内存管理、进程间通信、进程调度、虚拟文件系统、网络等功能。 和标准的Linux 内核一样，Android 内核主要实现内存管理、进程间通信 及进程调度等功能。Android 对Linux 内核的更改较少，但增加了一些没 有加入标准内核的内容，例如：yaffs文件系统。

• Android 内核结构和标准Linux 4.1.15 内核基本上相同，为了适应嵌入式 硬件环境和移动应用程序的开发，Android 在其基础上，增加了私有内 容。

• Android 在标准Linux 内核中增加的内容是一些驱动程序，这些驱动主要 分为两种类型：

        ① Android 专用驱动

        ② Android 使用的设备驱动

① Android 专用驱动：

– Android 专用驱动和组件并非Linux 标准的内容，它们实际上是纯软件的 内容和体系结构，与硬件平台无关。Android 专用驱动类似于Linux 内存 设备驱动程序。随着Andorid内核的升级，Android 专用驱动的目录几经 变化，在较新的版本中，主要的驱动程序放在drivers/staging/android/目 录中，另外也有几个驱动程序分布在其他的目录中。

– 主要的Android 专用驱动如下：

        ① Binder：基于OpenBinder系统的驱动，为Android 平台提供IPC 支持；

        ② Logger：轻量级的log 驱动；

        ③ LowMemoryKiller：缺少内存的情况下，杀死进程；

        ④ Ashmem：匿名共享内存；

        ⑤ PowerManagement（PM）：电源管理模块；

        ⑥ PMEM：物理内存驱动。

② Android 使用的设备驱动：

– 作为主要为智能手机定制的操作系统，Android 通常使用Linux 中 一些标准的设备驱动程序。

– Android 使用的设备驱动有：

        ① Framebuffer 显示驱动；

        ② Event 输入设备驱动；

        ③ ASLA 音频驱动；

         ④ WLAN 驱动；

        ⑤ 蓝牙驱动等。

• Android 内核目录结构

– Android 内核结构和标准Linux 4.1.15 内核基本上相同，IMX6 综合嵌入式 教学科研平台（实验箱）运行的Android 内核版本位于 /Android/myandroid/kernel_imx，其源码目录结构如图：

 • arch：与体系结构相关的代码全部放在这里，我们的实验设备中使用的是其中的arm 目录。

• Documentation：这里存放着内核的所有开发文档，其中的文件会随版本的演变发生变化， 通过阅读这里的文件是获得内核最新的开发资料的最好的地方。

• drivers：此目录包括所有的驱动程序，下面又建立了多个目录，分别存放各个分类的驱动程 序源代码。drivers 目录是内核中最大的源代码存放处，大约占整个内核的一多半。其中我们 经常会用到的目录有：

        – drivers/char：字符设备是drivers 目录中最为常用，也许是最为重要的目录，因为其中包含了大量与 驱动程序无关的代码。通用的tty层在这里实现，console.c定义了linux终端类型，vt.c中定义了虚拟 控制台；lp.c中实现了一个通用的并口打印机的驱动，并保持设备无关性；kerboard.c实现高级键盘 处理，它导出handle_scancode 函数，以便于其他与平台相关的键盘驱动使用。

        – driver/block：其中存放所有的块设备驱动程序，也保存了一些设备无关的代码。如nbd.c实现了网络 块设备，loop.c实现了回环块设备。

        – drives/ide：专门存放针对IDE 设备的驱动。

        – drivers/scsi：存放SCSI 设备的驱动程序，当前的cd 刻录机、扫描仪、U 盘等设备都依赖这个SCSI 的 通用设备。

        – drivers/staging：Android 专用驱动程序大部分存放在这个目录中。

        – drivers/net：存放网络接口适配器的驱动程序，还包括一些线路规程的实现，但不实现实际的通信协 议，这部分在顶层目录的net 目录中实现。

        – drivers/video：这里保存了所有的帧缓冲区视频设备的驱动程序，整个目录实现了一个单独的字符设 备驱动。/dev/graphics/fb/fb 设备的入口点在fbmem.c文件中，该文件注册主设备号并维护一个此设 备的清单，其中记录了哪一个帧缓冲区设备负责哪个次设备号。

        – drivers/media：这里存放的代码主要是针对无线电和视频输入设备，比如目前流行的usb摄像头。

• fs：此目录下包括了大量的文件系统的源代码，其中在嵌入式开发中要使用的包括：devfs、cramfs、ext2、 jffs2、romfs、yaffs、vfat、nfs、proc 等。 文件系统是Linux 中非常重要的子系统，这里实现了许多重要的 系统调用；用于文件访问的系统调用在open.c、read_write.c等文件中定义，select.c实现了select 和poll 系统调用，pipe.c和fifo.c 实现了管道和命名管道，mkdir、rmdir、rename、link、symlink、mknod 等系统 调用在namei.c中实现。文件系统的挂装和卸载和用于临时根文件系统的initrd在super.c中实现。 Devices.c 中实现了字符设备和块设备驱动程序的注册函数；file.c、inode.c实现了管理文件和索引节点内部 数据结构的组织。Ioctl.c实现ioctl系统调用。

• include：内核所有头文件存放的地方，其中Linux 目录是头文件最多的地方，也是驱动程序经常要包含的 目录。

• init：Linux 的main.c 程序，通过这个比较简单的程序，我们可以理解Linux 的启动流程。

• ipc：systemV的进程间通信的原理实现，包括信号量、共享内存。

• kernel：这个目录下存放的是除网络、文件系统、内存管理之外的所有其他基础设施，其中至少包括进程调 度sched.c，进程建立fork.c，定时器的管理timer.c，中断处理，信号处理等。

• lib：包括一些通用支持函数，类似于标准C 的库函数。其中包括了最重要的vsprintf函数的实现，它是 printk 和 sprintf 函数的核心。还有将字符串转换为长整形数的simple_atol函数。

• mm：包含实现内存管理的代码，包括所有与内存管理相关的数据结构，我们在驱动中需要使用的kmalloc 和kfree 函数在slab.c 中实现，mmap定义在mmap.c中的do_mmap_pgoff函数。将文件映射到内存的实现 在filemap.c 中，mprotect 在mprotect.c，remap 在 remap.c 中实现；vmscan.c中实现了kswapd内核线程。

• net：包含了套接字抽象和网络协议的实现，每一种协议都建立了一个目录，但是其中的core、bridge、 ethernet、 sunrpc、khttpd 不是网络协议。我们使用最多的是ipv4、ipv6、802、ipx等。

• scripts：这个目录存放许多脚本，主要用于配置内核。

• 11.4 Android 子系统介绍

• Android 是一个庞大的手机的系统，它不仅仅实现了手机的基本的打 电话，发信息的功能，还实现了更复杂的多媒体处理、2D 和3D 游戏 处理、信息感知处理等。

• Android 的子系统主要包含：

         ① Android RIL 子系统：Radio Interface Layer（简称：RIL子系统，即：无 线电接口层子系统）用于管理用户的电话、短信、数据通信等相关功 能，它是每个移动通信设备必备的系统。

        ② Android Input 子系统：Input 输入子系统用来处理所有来自己用户的输 入数据，如：触摸屏，声音控制物理按键等。

        ③ Android GUI 子系统：GUI 即：图形用户接口子系统，也就是所谓的图 形界面，它用来负责显示系统图形化界面，形象让用户和系统操作及 信息进行交互。Android 的GUI 系统和其它各子系统关系密切相关，是 Android 中最重要的子系统之一，如：绘制一个2D 图形、通过 OpenGL 库处理3D 游戏、通过SurfaceFlinger（Android 中图形混合器， 用于将屏幕上显示的多个图形进行混合显示）来重叠几个图形界面。

        ④ Android Audio 子系统：Android 的音频处理子系统，主要用于音频方 面的数据流传输和控制功能，也负责音频设备的管理。Android 的 Audio 系统和多媒体处理紧密相连，如：视频的音频处理和播放、电话 通信及录音等。

        ⑤ Android Media 子系统：Android 的多媒体子系统，它是Android 系统 中最庞大的子系统，与硬件编解码、OpenCore多媒体框架、Android 多媒体框架等相关，如：音频播放器，视频播放器，Camera 摄像预览 等。

        ⑥ Android Connectivity 子系统：Android 连接子系统是智能设备的重要组 成部分，它除了一般所谓的网络连接，如：以太网、WIFI 外，还包含： 蓝牙连接、GPS 定位连接、NFC 等。

        ⑦ Android Sensor 子系统：Android 的传感器子系统为当前智能设备大大 提高了交互性，它在创新应用程序和应用体验里发挥了重要作用，传 感器子系统和手机的硬件设备紧密相关，如：gyroscope 陀螺仪、 accelerometer 加速度计、proximity 距离感应器、magnetic 磁力传感器 等。

• 11.5 Android 应用程序开发过程

• Android 应用程序开发是基于Android 架构提供的API 和类库编 写程序，这些应用程序是完全的Java 代码程序，它们构建在 Android 系统提供的API 之上。

• Android 开发方式：开发Android 应用程序可以基于Google 提 供的Android SDK 开发工具包，也可以直接在Android 源码中进 行编写。

        ① Android SDK 开发：它提供给程序员一种最快捷的开发方式，基于IDE 开发环境（Android Studio）和SDK 套件（Android SDK），快速开发出 标准的Android 应用程序，但是，对于一些要修改框架代码或基于自 定义API 的高级开发，这种方式难以胜任。

        ② Android 源码开发：基于Android 提供的源码进行开发，可以最大体现 出开源的优势，让用户自定义个性的Android 系统，开发出更高效、 更与众不同的应用程序，这种方式更适合于系统级开发，对程序员要 求比较高。

API：Application Programming Interface，应用程序接口

SDK：Software Development Kit，软件开发工具包

IDE：Integrated Development Environment，集成开发环境

• Android 源码开发过程：

        ① 搭建开发环境：根据两种开发方式的不同，搭建开发环境略有不同。 如果侧重于系统底层源码开发，则采用第二种开发方式（Android 源码 开发）；如果侧重于应用软件开发，则采用第一种开发方式（Android SDK 开发）。

        ② 下载Android 源码：得益于Android 的开源特点，Android 源码中包含 大量宝贵的技术知识，我们可以在阅读源码过程中更深入的了解 Android 系统的奥秘，为我们编写更高效、更有特点的应用程序打下基 础，同时能展现给读者一个更庞大系统的设计蓝图，为系统设计师及 项目经理提供参考价值。同时，Android 的源码中提供的应用程序示例、 设计模式、软件架构，为我们编写大型应用程序提供经验。

        ③ 编译Android 源码：通过编译Android 源码，生成我们开发环境及目 标系统，为我们做系统底层开发、系统定制与优化做准备，通过分析 编译过程，让我们学习到大型工程的代码管理与编译原理。

        ④ 配置开发环境：为了更有效的开发，我们通常会对开发环境做配置， 不同的程序员可能会有不同的编程习惯。

• 11.6 Android 源码目录结构