Android基本技術(shù)架構(gòu)及其軟硬件整合技術(shù)環(huán)節(jié)解析

Android一詞的本義指“機(jī)器人”，同時(shí)也是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平臺(tái)的開(kāi)源手機(jī)操作系統(tǒng)的名稱，該平臺(tái)由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成，號(hào)稱是首個(gè)為移動(dòng)終端打造的真正開(kāi)放和完整的移動(dòng)軟件。目前，最新版本為Android 2.4 Gingerbread和Android 3.0 Honeycomb。

Android是基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)，是Google公司在2007年11月5日公布的手機(jī)操作系統(tǒng)。早期由原名為“Android”的公司開(kāi)發(fā)，谷歌在2005年收購(gòu)“Android.Inc”后，繼續(xù)進(jìn)行對(duì)Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)，它采用了軟件堆層（software stack，又名軟件疊層）的架構(gòu)，主要分為三部分。底層Linux內(nèi)核只提供基本功能，其他的應(yīng)用軟件則由各公司自行開(kāi)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(jīng)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(jī)平臺(tái)?，F(xiàn)在，Android系統(tǒng)不但應(yīng)用于智能手機(jī)，也在平板電腦市場(chǎng)急速擴(kuò)張。采用Android系統(tǒng)主要廠商包括***的HTC,（第一臺(tái)谷歌的手機(jī)G1由HTC生產(chǎn)代工）美國(guó)摩托羅拉，SE等，另外還有中國(guó)大陸廠商如：華為、中興、聯(lián)想等。

Android以Java為編程語(yǔ)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(gè) Activity 類（class）負(fù)責(zé)創(chuàng)建視窗（window），一個(gè)活動(dòng)中的Activity就是在 foreground（前景）模式，背景運(yùn)行的程序叫做Service。兩者之間通過(guò)由ServiceConnection和AIDL連結(jié)，達(dá)到復(fù)數(shù)程序同時(shí)運(yùn)行的效果。如果運(yùn)行中的 Activity 全部畫面被其他 Activity 取代時(shí)，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(guò) 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(shí)Widget只是View的一種，所以可以使用xml來(lái)設(shè)計(jì)layout，HTC的Android Hero手機(jī)即含有大量的widget。至于ViewGroup 是各種layout 的基礎(chǔ)抽象類（abstract class），ViewGroup之內(nèi)還可以有ViewGroup。View的構(gòu)造函數(shù)不需要再Activity中調(diào)用，但是Displayable的是必須的，在Activity 中，要通過(guò)findViewById（）來(lái)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(guān)，兩者之間通過(guò)Listener 結(jié)合在一起，每一個(gè)View都可以注冊(cè)一個(gè)event listener，例如：當(dāng)View要處理用戶觸碰（touch）的事件時(shí)，就要向Android框架注冊(cè)View.OnClickListener。另外還有Image等同于J2ME的BitMap。

隨著科技的快速演進(jìn)，現(xiàn)代人對(duì)移動(dòng)通信、無(wú)線上網(wǎng)與多媒體娛樂(lè)的需求更甚以往，所謂的智能手機(jī)（Smart Phone）便成了炙手可熱的個(gè)人消費(fèi)電子產(chǎn)品之一，從Apple不斷推出iPhone企圖顛覆消費(fèi)者對(duì)手機(jī)的想象、RIM推出主打商務(wù)功能的黑莓機(jī)、Google的Android系統(tǒng)讓眾家手機(jī)廠商爭(zhēng)食大餅，到微軟屢敗屢戰(zhàn)的從WinMo一路開(kāi)發(fā)到WP7，智能手機(jī)的這塊戰(zhàn)場(chǎng)可說(shuō)是打的如火如荼。然而在這些眾家競(jìng)爭(zhēng)者中，Android可說(shuō)是目前行情看俏的一套操作系統(tǒng)，以國(guó)際市調(diào)研究機(jī)構(gòu)Gartner最新出爐2010年第三季的調(diào)查為例，采用Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)在過(guò)去一年以來(lái)成長(zhǎng)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(dá)到14倍的成長(zhǎng)，同時(shí)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

Android在過(guò)去一直扮演后起之秀的角色，切入智能手機(jī)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(yīng)用從手機(jī)移植到了平板電腦（Tablet PC）上。Android開(kāi)放源代碼（Open Source）的特性，能輕易地提高廠商對(duì)自家產(chǎn)品的接受度，更不用提背后Google的強(qiáng)力撐腰能帶來(lái)多大的經(jīng)濟(jì)效益。目前可見(jiàn)包括手機(jī)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(yīng)用可說(shuō)是勢(shì)在必行。

盡管Android系統(tǒng)的普及看似指日可待，但在實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用上，也有其可能產(chǎn)生的問(wèn)題風(fēng)險(xiǎn)。Android作為一個(gè)開(kāi)放式的操作系統(tǒng)，是Google提供廠商的操作系統(tǒng)參考架構(gòu)（reference design），廠商能有充足的發(fā)揮空間，以Android為基礎(chǔ)向上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)自家產(chǎn)品，但也因?yàn)檫@樣的開(kāi)放性與自由性，讓廠商在軟硬件結(jié)合的這個(gè)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(yīng)芯片、天線與存儲(chǔ)器模組等，以及如何調(diào)整出最適當(dāng)?shù)能浖O(shè)定等，更重要的是如何將軟硬件整合，開(kāi)發(fā)出差異化的產(chǎn)品。這中間所有的細(xì)節(jié)都會(huì)對(duì)產(chǎn)品最終樣貌產(chǎn)生莫大的影響，像是其功能的完整度、使用接口的設(shè)計(jì)、效能表現(xiàn)（例如觸控滑動(dòng)畫面、開(kāi)啟程序所需時(shí)間）、品質(zhì)可靠度、甚至是后續(xù)的固件升級(jí)動(dòng)作等等。

一、解構(gòu)Android基本技術(shù)架構(gòu)

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

＊Android Structure by Google

·Linux核心（Linux Kernel）：以Linux開(kāi)發(fā)提供最底層的核心系統(tǒng)服務(wù)，包括安全性（Security）、存儲(chǔ)器管理（Memory Management）、進(jìn)程管理（Process Management）、網(wǎng)路堆迭（Network Stack）與驅(qū)動(dòng)程序模型（Driver Model）。

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

·系統(tǒng)函式庫(kù)（Library）：使用C/C++函式庫(kù)的系統(tǒng)組件以供呼叫使用，開(kāi)發(fā)者可透過(guò)上層的應(yīng)用程序框架來(lái)運(yùn)用這些功能，這也是主要Android設(shè)備的效能關(guān)鍵。

·應(yīng)用程序框架（Application Framework）：被設(shè)計(jì)來(lái)簡(jiǎn)化組件的再運(yùn)用，開(kāi)發(fā)者能完整存取使用與核心應(yīng)用程序（Core Application）相同的API，應(yīng)用程序可以發(fā)布功能并為其它應(yīng)用程序所使用（需受限于其安全性限制），開(kāi)發(fā)者也可運(yùn)用同樣的機(jī)制來(lái)新增與置換組件。

·應(yīng)用程序（Application）：所有Android應(yīng)用程序皆是以Java程序語(yǔ)言編寫，原始就會(huì)包含像是Email、簡(jiǎn)訊、日歷、地圖、瀏覽器、聯(lián)絡(luò)人等其它應(yīng)用程序，讓用戶一開(kāi)始就擁有這些基本功能，開(kāi)發(fā)者也可在此客制其使用接口。

廠商越想要設(shè)計(jì)出與原始設(shè)定不同且增強(qiáng)效能的產(chǎn)品，便越需要對(duì)這五層架構(gòu)進(jìn)行修改。譬如像是多任務(wù)處理能力（multi-tasking），便可能需要修改包括Linux核心與應(yīng)用程序框架的設(shè)計(jì)；而應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)者更可能需要針對(duì)應(yīng)用程序與框架進(jìn)行調(diào)整。由此可見(jiàn)，對(duì)Android設(shè)備而言，任何一個(gè)功能的置入或是對(duì)硬件設(shè)定的細(xì)微更動(dòng)，都需要對(duì)Android系統(tǒng)進(jìn)行從下到上的調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)化的效能，而這正是最為困難與需要驗(yàn)證的一環(huán)。

二、Android設(shè)備軟硬件整合的五大技術(shù)環(huán)節(jié)

如前所述，對(duì)眾家開(kāi)發(fā)廠商而言最大的挑戰(zhàn)其實(shí)在于，如何將自己理想的產(chǎn)品訴求，與Android系統(tǒng)巧妙結(jié)合成一個(gè)功能完整并使用流暢順手的產(chǎn)品，這其中牽涉了不同技術(shù)間的整合與運(yùn)用。在此我們便根據(jù)其多年的測(cè)試與研究經(jīng)驗(yàn)，歸納出五大Android相關(guān)設(shè)備在技術(shù)整合上的重要環(huán)節(jié)：

1、Linux驅(qū)動(dòng)程序的導(dǎo)入

由于Android是根源于Linux所延伸出來(lái)的操作系統(tǒng)，因此各種關(guān)鍵功能的驅(qū)動(dòng)程序也必須要能順利的寫入其中，舉凡像是字符設(shè)備、存儲(chǔ)器的空間配置、中斷處理、網(wǎng)路通信、螢?zāi)伙@示或是連接接口像是USB與PCI的驅(qū)動(dòng)程序，這些可能是自行撰寫、或是來(lái)自不同組件廠商的驅(qū)動(dòng)程序，都必須要能被導(dǎo)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(duì)廠商而言，開(kāi)發(fā)一款A(yù)ndroid設(shè)備，不僅僅只是將所有零組件組合成為一個(gè)產(chǎn)品那么容易，最大的學(xué)問(wèn)便在于將系統(tǒng)單芯片（System-on-a-chip，SoC）、各種新技術(shù)和Android系統(tǒng)進(jìn)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(jié)合便必須透過(guò)不斷的嘗試與驗(yàn)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(chǎn)品。目前市面上有些SoC廠商已針對(duì)Android系統(tǒng)的特性，提供整合過(guò)的SoC平臺(tái)，將藍(lán)牙、相機(jī)或上網(wǎng)等常用功能模組預(yù)先寫入，減少終端成品廠商費(fèi)力整合開(kāi)發(fā)的時(shí)間，但對(duì)廠商而言，這樣的預(yù)先整合是否適合自身產(chǎn)品，以及是否需要再作更細(xì)致的修改，則又是更困難的課題。

3、新技術(shù)的移植

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，更多新興的技術(shù)規(guī)格也逐漸應(yīng)用在手機(jī)等手持設(shè)備上，以手機(jī)為例，已經(jīng)從過(guò)去以撥打電話為主要功能，轉(zhuǎn)變?yōu)閾碛懈鞣N多樣化用途的產(chǎn)品。像是觸控技術(shù)讓消費(fèi)者可以透過(guò)手指的滑動(dòng)傳送指令甚至是具備多點(diǎn)觸控的支持、Wi-Fi模組提供隨時(shí)無(wú)線上網(wǎng)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(guò)圖形處理器來(lái)執(zhí)行通用計(jì)算任務(wù)、Android 2.3版所支持的NFC近場(chǎng)通信技術(shù)，以及更高階的相機(jī)模組等等，背后都有各自的驅(qū)動(dòng)程序與軟件技術(shù)，也必須要與Android系統(tǒng)相結(jié)合使用。

4、效能表現(xiàn)的穩(wěn)定

盡管上述這些技術(shù)不斷推陳出新，但也都不能因此而犧牲設(shè)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(shè)備外（例如現(xiàn)今處理器的時(shí)脈已邁向1GHz），更需要操作系統(tǒng)的支持，像是如何在多任務(wù)運(yùn)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(guò)軟件面的奧援。也就是說(shuō)，一臺(tái)Android設(shè)備除了要能將各種功能與技術(shù)收納起來(lái)、將軟硬件整合外，更必須同時(shí)注重它在效能上能否維持應(yīng)有的水準(zhǔn)，以提供使用者在操作上流暢易上手的感受。

5、低電耗設(shè)計(jì)

Android的設(shè)計(jì)概念主要是應(yīng)用于便攜式設(shè)備上，目前市面上可見(jiàn)的像是平板電腦與智能手機(jī)等。對(duì)這類產(chǎn)品而言，電池續(xù)航力的好壞可說(shuō)是影響消費(fèi)者使用感受的關(guān)鍵之一，試想，若是一臺(tái)智能手機(jī)的待機(jī)時(shí)間過(guò)短，而使用者在外時(shí)又無(wú)法隨時(shí)充電使用，不能即時(shí)的連網(wǎng)查詢資料或執(zhí)行其他手機(jī)功能，這樣的產(chǎn)品便失去了它作為便攜式移動(dòng)設(shè)備應(yīng)有的便利性。追根究底，良好的待機(jī)時(shí)間除了需仰賴高容量的電池以提供充足電力之外，另一個(gè)重點(diǎn)就是設(shè)備本身在被使用執(zhí)行時(shí)能否作到低電耗設(shè)計(jì)。Android設(shè)備讓使用者能透過(guò)各種多樣化的應(yīng)用程序，來(lái)達(dá)到各種不同的使用目的，舉凡像是單純上網(wǎng)、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(guò)自由下載使用，也由于其多任務(wù)處理與讓程序背景執(zhí)行的能力，更讓降低耗電量成為開(kāi)發(fā)者不可輕忽的一項(xiàng)課題。

持續(xù)驗(yàn)證修正 找出最佳Android整合方案

正如前面我們不斷提到的，對(duì)Android設(shè)備而言，最困難的開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)便在于如何完美地“整合”軟件與硬件，以開(kāi)發(fā)出一項(xiàng)功能完整又同時(shí)注重使用者感受的產(chǎn)品。從對(duì)Android本身程序碼的修改、相關(guān)硬件的選擇，到驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)合運(yùn)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(guò)仔細(xì)的研究與不斷的嘗試，才能找出問(wèn)題的根源并解決、更進(jìn)而找出最合適的整合方案。

　　
像是Android源代碼中對(duì)音源的重新取樣（Re-sampling）設(shè)計(jì)，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備在讀取48K音源時(shí)重新取樣成44K，而造成諧波失真的現(xiàn)象影響音質(zhì)，這便是廠商不會(huì)注意到而未去修改的問(wèn)題；另外像是天線位置的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)，也極有可能影響到設(shè)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(cè)試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室的角度，希冀以宏觀的方式，針對(duì)Android設(shè)備的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供可用的參考，近期內(nèi)我們也將會(huì)提供實(shí)際的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)告，并進(jìn)一步指陳這些可能的問(wèn)題風(fēng)險(xiǎn)，以期讓更多廠商與消費(fèi)者都能注意到品質(zhì)驗(yàn)證的重要性，是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的根源就要開(kāi)始層層把關(guān)。

Android 是運(yùn)行于 Linux kernel之上，但并不是GNU/Linux。因?yàn)樵谝话鉍NU/Linux 里支持的功能，Android 大都沒(méi)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(dá)到商業(yè)應(yīng)用，必須移除被GNU GPL授權(quán)證所約束的部份，例如Android將驅(qū)動(dòng)程序移到 userspace，使得Linux driver 與 Linux kernel徹底分開(kāi)。bionic/libc/kernel/ 并非標(biāo)準(zhǔn)的kernel header files。Android 的 kernel header 是利用工具由 Linux kernel header 所產(chǎn)生的，這樣做是為了保留常數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與宏。 　　目前Android 的 Linux kernel控制包括安全（Security），存儲(chǔ)器管理（Memory Management），程序管理（Process Management），網(wǎng)絡(luò)堆棧（Network Stack），驅(qū)動(dòng)程序模型（Driver Model）等。下載Android源碼之前，先要安裝其構(gòu)建工具 Repo來(lái)初始化源碼。Repo 是 Android 用來(lái)輔助Git工作的一個(gè)工具。