面向嵌入式領(lǐng)域的Android教學(xué)方法探討

鄧招奇 郝亞茹 鄧春健

摘要：根據(jù)Android系統(tǒng)本身的開源特性以及脫胎于Linux系統(tǒng)的繼承特性，提出一種橫向借鑒Linux系統(tǒng)知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展、縱向挖掘Android系統(tǒng)知識(shí)進(jìn)行延伸的教學(xué)方法，說(shuō)明教學(xué)思路，結(jié)合實(shí)例闡述教學(xué)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：Android教學(xué)；Linux系統(tǒng)；Android系統(tǒng)；橫向借鑒；縱向挖掘

引言

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展如火如荼，大有趕超互聯(lián)網(wǎng)的勢(shì)頭，而物聯(lián)網(wǎng)本身基于物物相聯(lián)的理念，催生了眾多的智能嵌入式設(shè)備。但是，智能嵌入式設(shè)備并不是空中樓閣，而是基于低功耗精簡(jiǎn)指令的硬件設(shè)備輔以高度可定制化開源系統(tǒng)的一種軟硬結(jié)合體。Android作為一種開源且專門面向移動(dòng)嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)，無(wú)疑成為眾多智能嵌入式設(shè)備的首選，成為物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。因此，Android相關(guān)教學(xué)日益凸顯其重要性。

不過(guò)，目前的Android教學(xué)多注重系統(tǒng)層面之上APP開發(fā)的實(shí)踐，而沒(méi)有深入Android系統(tǒng)內(nèi)部，學(xué)生往往知其然不知其所以然，對(duì)底層的知識(shí)沒(méi)有完整系統(tǒng)的概念。這種教學(xué)顯然無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展、智能嵌入式設(shè)備呈井噴之勢(shì)的現(xiàn)狀。因?yàn)椴还苁俏锫?lián)網(wǎng)還是智能嵌入式設(shè)備，其關(guān)注的不僅僅是上層的APP應(yīng)用，更需要深入Android系統(tǒng)的底層，在完全了解其機(jī)制的基礎(chǔ)上，才能定制開發(fā)出適應(yīng)嵌入式物聯(lián)網(wǎng)需求的智能設(shè)備，更好地實(shí)現(xiàn)物物相聯(lián)的理念。另外，傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)備多以Linux作為首選系統(tǒng)，而Android系統(tǒng)脫胎于Linux系統(tǒng)，二者之間有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。面對(duì)老牌的嵌入式可定制系統(tǒng)Linux，在進(jìn)行Android系統(tǒng)的教學(xué)和實(shí)踐時(shí)，肯定存在許多可以舉一反三的例子。因此，Android相關(guān)教學(xué)除了可以在應(yīng)用開發(fā)的層面深入系統(tǒng)底層，還可以從Linux的教學(xué)中汲取更多的知識(shí)。

1教學(xué)思路

圖1是Android系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可以看到Android的底層是Linux內(nèi)核，中間層是和Linux兼容的標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)，同時(shí)加入核心庫(kù)和虛擬機(jī)構(gòu)成Android特有的runtime環(huán)境。目前的Android教學(xué)一般只關(guān)注最上層的應(yīng)用程序及其需要調(diào)用的應(yīng)用程序框架接口，并沒(méi)有深入Android系統(tǒng)的底層。不過(guò)Android系統(tǒng)本身是開源的，這為我們深入其底層提供了前提條件。另外，從圖1可以看到，Android系統(tǒng)是基于Linux內(nèi)核的衍生版本，許多Linux系統(tǒng)的理念可以直接借鑒，這就為深入理解Android系統(tǒng)提供了一面鏡子?；谏鲜鱿敕?，我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了以全智A20為核心的教學(xué)實(shí)驗(yàn)板，同時(shí)兼容Linux和Android兩套系統(tǒng)，且可以很方便地進(jìn)行系統(tǒng)切換。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)以此實(shí)驗(yàn)板為基礎(chǔ)，進(jìn)行從應(yīng)用到底層的全方位的知識(shí)傳授。

由于Android系統(tǒng)以及其上的應(yīng)用都是實(shí)踐性很強(qiáng)的知識(shí)，因此我們采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，將諸多知識(shí)點(diǎn)分散于各種項(xiàng)目需求中。針對(duì)項(xiàng)目需求，通過(guò)對(duì)Android系統(tǒng)的深入理解以及對(duì)Android和Linux關(guān)系的完整把握，我們首先分析該需求所要實(shí)現(xiàn)的功能如何在Linux系統(tǒng)上通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)以及使用腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)：然后考慮如何在Android的應(yīng)用層調(diào)用應(yīng)用程序框架的接口完成上述功能，最后綜合上述兩個(gè)方案，研究如何深入Android系統(tǒng)的內(nèi)部，在系統(tǒng)層面借鑒Linux的思想，通過(guò)修改底層源代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目需求的功能。對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目需求，都可以從三方面來(lái)分析和實(shí)現(xiàn)，最終可以實(shí)現(xiàn)借鑒Linux的系統(tǒng)知識(shí)、融會(huì)貫通Android的上層應(yīng)用開發(fā)、深入理解Android系統(tǒng)底層原理的教學(xué)目的。

2教學(xué)實(shí)例

前述的教學(xué)實(shí)驗(yàn)板，可以用外接電池供電，且Linux和Android系統(tǒng)的底層均實(shí)現(xiàn)了電源管理模塊的驅(qū)動(dòng)，另外板載一組5個(gè)LED燈；通過(guò)GPIO與核心A20連接。下面就以LED燈顯示電池電量為例，分別從3個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)方法的分析，其中在Linux系統(tǒng)下主要用udev規(guī)則和shell腳本實(shí)現(xiàn)。在Android系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)電池電量的管理，主要有兩種方案：一是直接在應(yīng)用層開發(fā)App，另外一種是在Android系統(tǒng)的源碼層尋求突破。這兩種方案的本質(zhì)是一樣的，都是被動(dòng)地獲得電池電量變化的信號(hào)，來(lái)改變LED的顯示。

1）Linux系統(tǒng)的電池電量管理實(shí)現(xiàn)。

Linux系統(tǒng)分為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)，在用戶態(tài)運(yùn)行的程序調(diào)用底層的c庫(kù)。如圖2所示，Udev是Linux系統(tǒng)用戶態(tài)的一個(gè)守護(hù)進(jìn)程，用來(lái)動(dòng)態(tài)管理外部設(shè)備。系統(tǒng)啟動(dòng)后，它就一直在后臺(tái)運(yùn)行，與內(nèi)核保持socket通訊，監(jiān)聽(tīng)內(nèi)核上報(bào)的uEvent事件。一個(gè)很直觀的例子是，如果有U盤插入U(xiǎn)SB接口，內(nèi)核就會(huì)上報(bào)acRon=add的事件。而此處，如果電池電量發(fā)生了變化，負(fù)責(zé)監(jiān)控電池的芯片就會(huì)上報(bào)powersupply事件。相應(yīng)的處理方法是在udev的規(guī)則目錄/etc/udev/rule.d/下創(chuàng)建一個(gè)規(guī)則文件10-ba.t-monitor.roles，在其中監(jiān)聽(tīng)power_supply事件，并且指明相應(yīng)的處理腳本。當(dāng)電池電量變化時(shí)，udev就會(huì)根據(jù)規(guī)則調(diào)用處理腳本，讀取當(dāng)前的電池電量，然后根據(jù)比例點(diǎn)亮或熄滅LED燈，如此就實(shí)現(xiàn)了Linux系統(tǒng)下的電池電量管理。

2）Android系統(tǒng)應(yīng)用層的電池電量管理實(shí)現(xiàn)。

Android是在Linux系統(tǒng)上的擴(kuò)展，它的層次結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，上層是應(yīng)用程序框架（AF），最上層的APP應(yīng)用主要通過(guò)Java編寫，使用框架提供的API控制接口和資源。為了正確地設(shè)置LED燈暗滅來(lái)反應(yīng)電池的電量變化，需要實(shí)時(shí)獲取電池的電量值。在Android的AF層提供了各種系統(tǒng)廣播信號(hào)，當(dāng)內(nèi)核態(tài)的某些狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)發(fā)布相應(yīng)的廣播事件ACTION BATTERY CHANGED，注冊(cè)了這個(gè)廣播事件的接收器就會(huì)收到該廣播，如圖3所示。在廣播接收器內(nèi)部可以查詢實(shí)時(shí)的電量，并且設(shè)置LED燈的亮滅，最終實(shí)現(xiàn)Android應(yīng)用層的電池電量管理。

3）Android系統(tǒng)底層的電池電量管理實(shí)現(xiàn)。

按照前面的方案，Android系統(tǒng)可以在電池電量變化時(shí)發(fā)出廣播，其后臺(tái)有一個(gè)服務(wù)不斷監(jiān)視電池的變化，一旦變化，就會(huì)在AF層發(fā)出廣播，我們可以直接利用這個(gè)服務(wù)，找到電池變化的關(guān)鍵點(diǎn)，在廣播前或后讀取電量，并設(shè)置LED的亮滅。通過(guò)深入理解Android源碼，可以發(fā)現(xiàn)隨著Android系統(tǒng)的啟動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)一系列的服務(wù)，其中就包括電池服務(wù)BatteryService，如圖3所示，電池服務(wù)內(nèi)部實(shí)例化一個(gè)觀察者，按照udev的規(guī)則注冊(cè)u(píng)event子系統(tǒng)power_supply然后HAL層的uevent維持一個(gè)死循環(huán)，與內(nèi)核層通過(guò)socket通訊，一旦內(nèi)核驅(qū)動(dòng)檢測(cè)到電池電量的變化，就會(huì)上報(bào)HAL層，uevent就會(huì)觸發(fā)觀察者的onUevent函數(shù)，最終調(diào)用到電池服務(wù)的onUevent，發(fā)布電量變化的廣播。按照前面的方案，如果注冊(cè)了電池電量變化的廣播，此時(shí)就可以收到廣播消息，然后就可以做出相應(yīng)的處理。而這就是我們要尋找的關(guān)鍵點(diǎn)，只要在這里調(diào)用查詢電量并且設(shè)置LED燈的腳本即可，此處等同于Linux系統(tǒng)的處理方式。

對(duì)比Linux和Android系統(tǒng)的電池電量管理，二者本質(zhì)上是相同的，最終都是通過(guò)監(jiān)聽(tīng)power_supply，被動(dòng)地等待系統(tǒng)觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)時(shí)只需要注冊(cè)觸發(fā)事件，設(shè)置好處理函數(shù)即可。對(duì)比Android的兩個(gè)方案，應(yīng)用層方案比源碼層方案多出一個(gè)service和一個(gè)廣播接收，這樣就消耗了更多的資源，相對(duì)來(lái)說(shuō)，源碼層的方案直接使用AF框架層的service，不需要注冊(cè)廣播，僅僅執(zhí)行電量設(shè)置的邏輯即可。從中可以看到Android開源的益處，我們可以深入系統(tǒng)源碼的內(nèi)部，進(jìn)行全方位的定制，實(shí)現(xiàn)所需的功能。深入了解Android底層的源碼，在使用AF層的API之前，不斷深入地挖掘其背后的東西，可以更深刻地理解API本身的功能，從而更好更正確地使用它。

3教學(xué)效果

我們以計(jì)算機(jī)學(xué)院嵌入式專業(yè)的學(xué)生為對(duì)象，開展Android教學(xué)方法的實(shí)踐和教學(xué)評(píng)估。此教學(xué)方法開展的前提是學(xué)生已經(jīng)完成了Linux系統(tǒng)的相關(guān)課程，并且對(duì)Linux系統(tǒng)的上層開發(fā)和底層原理有一定程度的理解。我們按照前述項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，將整個(gè)Android課程劃分成16個(gè)具體項(xiàng)目，分別開展16周32學(xué)時(shí)的理論課程和16周32學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程。采用這種知識(shí)講授和上機(jī)操作相結(jié)合的方法，促使學(xué)生借鑒已經(jīng)學(xué)過(guò)的Linux知識(shí)，深入理解Android系統(tǒng)的底層原理，定制實(shí)現(xiàn)Android上層應(yīng)用。對(duì)比往年的Android教學(xué)效果，學(xué)生不僅能夠掌握Android上層應(yīng)用的開發(fā)方法，還可以深入Android系統(tǒng)內(nèi)部，加深對(duì)Linux系統(tǒng)知識(shí)的理解，為嵌入式系統(tǒng)定制開發(fā)打下基礎(chǔ)。這些教學(xué)效果不僅僅體現(xiàn)在上機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和期末教學(xué)評(píng)估，更重要的是使學(xué)生在面對(duì)實(shí)際的嵌入式項(xiàng)目開發(fā)時(shí)能夠從底層機(jī)制思考問(wèn)題，從根本上提高學(xué)生解決具體問(wèn)題的能力。

4結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展對(duì)嵌入式領(lǐng)域Android教學(xué)提出了新的要求，僅僅掌握Android應(yīng)用層的開發(fā)技巧已經(jīng)力不從心，必須深入Android系統(tǒng)的底層核心，了解其內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)原理。Android系統(tǒng)衍生于Linux系統(tǒng)，是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的系統(tǒng)，處于不斷演化更新之中，上層的應(yīng)用程序框架還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定期，但其底層的Linux內(nèi)核卻堅(jiān)如磐石。因此，我們采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，將Android的知識(shí)點(diǎn)分散到各個(gè)實(shí)際項(xiàng)目之中，開發(fā)設(shè)計(jì)用于教學(xué)的嵌入式實(shí)驗(yàn)板，分別從Linux系統(tǒng)層面、Android系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)用婧虯ndroid系統(tǒng)底層3個(gè)方面尋求每個(gè)具體項(xiàng)目的解決方案。在不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐的過(guò)程中，學(xué)生不僅能夠開發(fā)出Android的上層應(yīng)用，更可以借鑒Linux系統(tǒng)的知識(shí)，深入Android系統(tǒng)底層，理解和修改系統(tǒng)源碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)Android系統(tǒng)的定制，從而滿足嵌入式系統(tǒng)定制的要求。這樣，我們就實(shí)現(xiàn)了一種橫向借鑒Linux系統(tǒng)知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展、縱向挖掘Android系統(tǒng)知識(shí)進(jìn)行延伸的教學(xué)方法。下一步，我們將開展深入的研究，逐步完善該教學(xué)方法，以期達(dá)到更好的教學(xué)效果。