1.1.2　基于Android的嵌入式系統構成

1.嵌入式系統架構概述

嵌入式系統由軟件和硬件構成。硬件部分包括微處理器、內存、閃存/硬盤、外部設備等；軟件部分則包括引導器、操作系統、文件系統、用戶程序等。對于簡單嵌入式系統來說，硬件部分通常只是一塊單片機芯片，集成了所需的全部硬件資源，而軟件部分則只是一個單一的二進制文件，包含全部的代碼、常數、存儲分配結構等。本書的研究對象是基于ARM處理器和Android操作系統的復雜嵌入式系統。

2.Android系統的發展與版本演變

Android一詞的本義指“機器人”，該平臺由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成。Android操作系統最初由Andy Rubin開發完成，是一種基于Linux內核的自由及開放源代碼的操作系統，主要應用于移動設備，如智能手機和平板電腦。2005年8月由Google收購并注資。2007年11月，Google與34家硬件制造商、軟件開發商及電信運營商組建開放手機聯盟，共同研發改進Android系統，并且以Apache開源許可證的授權方式，發布了Android的源代碼。第一部Android智能手機HTC G1發布于2008年10月。隨后Android操作系統逐漸擴展到平板電腦及其他領域，如電視、數碼相機、游戲機等。2011年第一季度，Android在全球的市場份額首次超過塞班系統，躍居第一。

2008年，在Google I/O大會上，Google提出了Android HAL架構圖，在同年8月18日，Android獲得了美國聯邦通信委員會的批準。在2008年9月，Google正式發布了Android 1.0系統，這也是Android系統最早的版本。

2009年4月，Google發布了Android 1.5版本，并開始以甜品的名字對各個版本進行命名，Android 1.5命名為Cupcake。該版本與1.0版相比有了很大的改進。

2009年9月，Google發布了Android 1.6的正式版，并且推出了搭載Android 1.6正式版的HTC G3手機。憑借著出色的外觀設計以及全新的Android 1.6操作系統，HTC G3成為當時全球最受歡迎的手機。Android 1.6也有一個有趣的甜品名稱，即Donut。

2010年2月，Linux內核開發者Greg Kroah-Hartman將Android的驅動程序從Linux內核staging tree上除去。從此，Android與Linux開發主流分道揚鑣。同年5月，Google正式發布了Android 2.2操作系統，并將其命名為Froyo。

2010年10月，Google宣布Android系統達到了第一個里程碑，即在電子市場上獲得官方數字認證的Android應用數量已經達到了10萬個，Android系統的應用增長非常迅速。在2010年12月，Google正式發布了Android 2.3操作系統Gingerbread。

2011年1月，Google宣布每日新增的Android設備用戶數達到30萬部，到2011年7月，這個數字增長到55萬部，Android系統設備的用戶總數更是達到了1.35億。Android系統已經成為智能手機市場占有量最高的系統。

2011年8月2日，Android手機已占據全球智能機市場48%的份額，并在亞太地區市場占據統治地位，終結了塞班系統的霸主地位，躍居全球第一。

2011年9月份，Android系統的應用數目已經達到了48萬，而在智能手機市場，Android系統的占有率已經達到了43%，繼續排在移動操作系統首位。全新的Android 4.0操作系統于2011年9月23日發布，這款系統被Google命名為Ice Cream Sandwich。

2012年1月6日，Google Android Market已有10萬開發者推出超過40萬活躍的應用，大多數的應用程序為免費的。Android Market應用程序商店目錄在新年首個周末突破40萬基準，距離突破30萬僅用了一個月。在2011年早些時候，Android Market應用從20萬增加到30萬花了4個月。

2013年9月，Google證實，已有超過10億Android設備被激活，應用下載次數超過480億次。Android系統不僅支持手機和平板電腦，還成功進軍相機、電視、手表甚至是冰箱等消費品領域。同年10月發布了Android 4.4，代號為KitKat（奇巧巧克力）。新的Android 4.4操作系統為開發者提供了兩種編譯模式，一種仍是默認的Dalvik模式，另外一種則是ART模式。ART模式發行的應用在用戶安裝時就進行預編譯操作，將原本在程序運行中的編譯動作提前到應用安裝時，在省去解釋代碼這一過程之后，應用的運行效率更高。Android被人所詬病的虛擬機解釋編譯時代一去不復返。

2014年，隨著更多的手機生產商的加入，Android智能手機總出貨量為13億臺，這意味著Android智能手機占全年手機銷售量的81.2%。

2014年10月16日，Google正式發布Android 5.0，并將系統鏡像發布到Nexus 4、5、7和10的設備上。主要更新包括：支持64位處理器，支持藍牙4.1，采用全新的Material Design界面，全面由Dalvik虛擬機轉用Android RunTime（ART）編譯虛擬機等。

2015年4月22日，Google發布最新版本Android 5.1.1，在Android 5.0基礎上主要增加了新功能和完全性，例如多SIM卡和高清語音的支持、快速設置WiFi和藍牙等

3.Android系統的優勢

（1）開放性

Android平臺最大的優勢就是其開放性。開放的平臺允許任何移動終端廠商加入Android聯盟中來。顯著的開放性可以使其擁有更多的開發者，隨著用戶數量的增多和應用的日益豐富，一個嶄新的平臺也將很快走向成熟。

（2）運營商的鼎力支持

在國內，三大運營商卯足了力量推出Android智能機。聯通的“0元購機”，電信的千元3G，移動的索愛A8i定制機等，都顯示了運營商對Android智能機的期望。在美國，T-Mobile、Sprint、AT&T和Verizon全部推出了Android手機。此外，KDDI及NTT DoCoMo（日本）、Telecom Italia（意大利電信）、T-Mobile（德國）、Telefónica（西班牙）等眾多運營商都是Android的支持者。有這么多的運營商支持Android，自然會使它占據巨大的市場份額。相對于Android的運營商聯盟，只有AT&T一家運營商銷售iPhone。

（3）豐富的硬件選擇

基于Android平臺的開放性，眾多廠商推出了多種產品。這些產品雖然功能上各有特色，卻不會影響數據同步，以及軟件的兼容。例如將一款諾基亞塞班風格的手機更換為蘋果iPhone，不僅可以將塞班中優秀的軟件移植到iPhone上繼續使用，而且聯系人等資料也可以方便地轉移。現在，世界絕大部分智能手機廠商都加入了Android陣營，并推出了一系列的Android智能機。摩托羅拉、三星、HTC、LG、Lumigon等廠商都與Google建立了Android平臺技術聯盟。加盟的廠商越多，手機終端就越多，其市場潛力就越大。Android智能機最近6個月在美國市場的占有率足以說明這一點。

（4）開發商不受任何限制

隨著Android的推廣與普及，應用程序的數量呈指數級增長，Android應用在可預見的未來是有能力與蘋果競爭的。而來自Android應用商店最大的優勢是，不對應用程序進行嚴格的審查，開發不受限制。

（5）無縫結合Google的應用

如今互聯網的Google已經走過10年的歷程，從搜索巨人發展到全面的互聯網滲透，Google服務如地圖、郵件、搜索等已經成為連接用戶和互聯網的重要紐帶，Android平臺則將這些優秀的Google服務無縫結合到系統中。

4.基于Android的嵌入式系統硬件構成

為了支持Android系統的正常運行，一個典型的系統應具備ARM嵌入式處理器、內存、閃存、電源管理系統、音頻子系統、顯示屏和觸摸屏。

圖1-5以基于全智科技A10應用處理器的嵌入式系統為例介紹了一個無線IP電話硬件系統的構成。Android操作系統運行在基于ARM核心的A10處理器上，GPU部分運行圖像加速算法。ARM處理器控制片上外設，片上外設控制系統中的其他設備，比如音頻控制器、背光控制器等。A10SOC通過USB等接口對外實現有線和無線通信。

5.Android嵌入式系統軟件構成

嵌入式系統軟件包含引導器、操作系統、文件系統和用戶程序等，如圖1-6所示。以Android系統為例，系統引導器（通常是U-Boot）在系統通電之后首先運行，該程序負責處理器、內存、閃存的初始化，對系統內核實行解壓縮操作，然后將控制權交給操作系統。操作系統包含內核和用戶態程序。Android系統的內核是Linux，Linux在加載完成后掛載文件系統，并從中加載用戶態程序。Android的用戶態程序包含啟動管理、Java虛擬機、系統庫函數等。在完成Android系統的加載后，Android會自動加載默認的桌面應用程序。至此，Android系統完成啟動過程。

引導器包含設備相關的、與底層打交道的代碼，這部分常用匯編語言和C語言編寫。Linux內核部分包含部分設備相關代碼，比如CPU的優化指令等，以及大量的外設驅動。這部分將是移植Android系統的重點。Android虛擬機和Linux用戶態庫文件提供應用程序與Linux內核溝通的機制，并實現大量的擴展功能。如果要開發自定義的Android系統，就少不了開發指定的用戶態庫文件。如果Android系統是用于特定目的，一般還要為應用程序（APK）開發對應的底層庫文件及JNI庫。這也是Android系統移植的重點。最高層是應用程序框架，該部分提供應用程序可以調用的Java包，它們實現了多數的Android API，是應用開發的重點。最上層是應用程序，該部分由第三方開發，與系統移植無關。