作为基于Linux内核的操作系统，Android系统自推出以来，就以“开源”特性逐渐占据了嵌入式设备操作系统的主要市场份额，成为现有主要的嵌入式系统如iOS、Windows Phone、Android等市场占有率最高的操作系统。Android SDK (software development kit )中指定使用Java作为第三方应用开发语言^[1]，且Java应用程序运行在Dalvik虚拟机中。运行在虚拟机中的Java代码可以充分利用Java语言的平台无关性，但是一定程度上造成了Android应用程序很难操作底层硬件的缺点。为此Android系统中引入了JNI机制——利用Java的JNI机制，使用Android NDK( native development kit )编译环境，应用程序可以透过Android系统的应用框架层，直接在Linux的文件系统对设备进行操作^[2]。文中讨论了在Android系统中通过应用程序控制3G模块的常用接口——复位、飞行模式等，讨论了JNI技术在Android系统中的应用价值和意义。

1 Android JNI和NDK介绍

Android系统架构采用了分层结构，保证了层与层之间相互分离，当某一层发生变化时，其他层受影响很少^[3]。如图 1所示，从底层到顶层分别是Linux内核层、系统库和Android运行时库、应用框架层和应用程序层^[4]。

JNI是JDK( Java native kit )的一部分，可以允许Java代码和其他语言写的代码进行交互，以实现代码在不同的平台上移植。通过JNI，可以使得运行于JVM( Java virtual machine )的代码调用C、C++等^[5]语言编写的应用程序或库^[6]，同时也可以通过调用相应的接口函数将Java虚拟机内嵌到本地应用程序中^[7]。JNI机制调用本地的C/C++代码库，可以充分利用C/C++代码的高效性，来提高应用程序的运行效率。

Android NDK本质上是一系列的工具集，用来完善Android应用更加便捷的使用本地代码，如C或C++代码^[8]。因此，用户可以使用NDK将要求高性能的应用逻辑使用C开发，从而提高应用程序的执行效率，而且可避免Java包都是可以反编译的不安全性^[9]。Android系统的层次结构如图 1所示。

2 MU739模块控制引脚及驱动实现

MU739为华为公司推出的支持WCDMA、HSPA+的LGA 3G模块，采用USB接口。在HSPA+模式下，上行速率可以达到5.76 Mbit/s，下行速率可以达到21.6 Mbit/s。在Linux内核中，对USB 3G模块的驱动位于USB设备驱动层^{[10, 11]}，如图 2所示。

在3G模块的驱动移植完成后，为实现对3G模块的控制，文中选取了MU739模块的上电控制引脚(ON1、ON2_N)、复位控制引脚(PWRDWN_N)、飞行模式控制引脚(W_DISABLE_N)和休眠控制引脚(WAKEUP_IN)来实现控制3G模块的工作状态。下面依次介绍这几个引脚的主要功能。

1) ON1和ON2_N引脚用于打开3G模块，其中ON1引脚设置为默认高电平，ON2_N通过控制引脚提供开机时序，使3G模块在上电之后处于工作状态；

2) PWRDWN_N引脚用于复位整个模块系统，使基带、电源管理单元、RF单元进入初始状态；

3) W_DISABLE_N引脚用于使模块进入飞行模式，关闭模块的RF单元；

4) WAKEUP_IN引脚用于CPU来控制3G模块的睡眠状态，当设置为高电平时，CPU唤醒MU739，当电平为低时，CPU使MU739进入睡眠模式。

2.1 配置控制引脚为GPIO模式

设计中采用的CPU为飞思卡尔公司的iMX536多媒体处理器，该处理器采用ARM Cortex^TM-A8 内核，在车载环境中可以实现800 Hz的工作频率。为了实现对片内多种功能模块的支持，iMX53x系列处理器采用IOMUX机制实现对IO引脚的复用分配。

对3G模块的控制，主要通过iMX536处理器的IO控制实现。为此，需要在平台设备的配置文件中，配置对应的IO引脚为GPIO模式：

MX53_PAD_GPIO_19__GPIO4_5,//ON2

MX53_PAD_PATA_DA_2__GPIO7_8,// PWRDWN

MX53_PAD_PATA_CS_0__GPIO7_9,// W_DISABLE

MX53_PAD_PATA_CS_1__GPIO7_10,// WAKEUP_IN

并给与ON2_N的控制引脚实现模块的开启时序(见图 3所示)。

gpio_direction_output(ON2,1);

udelay(40);

gpio_direction_output(ON2,0);

其中，ON2为宏定义——#define ON2(3×32+5) /*GPIO_4_5*/

2.2 控制驱动程序的编写

为实现对底层设备的操作，需要编写对应的控制驱动程序。因此，为实现对上述IO引脚的控制，需要编写对应的驱动代码，即字符型设备驱动。需要首先实例化Linux内核中描述设备文件操作的结构体file_operations(位于Linux内核include/linux/下的Fs.h文件)，其中定义了操作驱动设备的主要操作接口函数指针。下面所示代码为在本驱动代码中实例化结构体file_operations：

static struct file_operations mu739_cont_fops={

.owner = THIS_MODULE,

.open = mu739_cont_open,

.read = mu739_cont_read,

.write = mu739_cont_write,

.ioctl = mu739_cont_ioctl,

.release = mu739_cont_release,

};

上述函数指针中，主要实现功能的函数为mu739_cont_ioctl，该函数的实现原理是通过获取打开设备时传入的参数值，来执行对应的IO控制输出，以实现对应控制引脚的控制时序(见图 4)。

static int mu739_cont_ioctl(struct inode *inode,struct file *file,unsigned int cmd,unsigned long arg){

if(arg > 4){

return -EINVAL;

}

printk(KERN_ERR"mu739_cont_ioctl --CMD=%x /n",cmd);

switch(cmd){

case IOSIGNAL_REST:

……// reset the module

return 0;

case IOSIGNAL_AIRMOD://

……// set the module in airplane mode

return 0;

case IOSIGNAL_UAIRMOD:

……// set the module in normal mode

return 0;

case IOSIGNAL_WAKEUP:

……// wake up the module

return 0;

case IOSIGNAL_UWAKEUP:

……// set the module in sleep mode

return 0;

default: break;

}

}

在驱动代码最后，实现模块的初始和注销函数如下：

static int __init MU739_cont_init(void){

int ret;

//调用register_chrdev方法注册设备驱动

ret=register_chrdev(MU739_MAJOR,DEVICE_NAME,&mu739_cont_fops);

if(ret < 0){

printk(DEVICE_NAME"cant register major No.\\n");

return ret;

}

……

return 0;

}

static void __exit MU739_cont_exit(void){

// 调用unregister_chrdev方法注销设备

unregister_chrdev(MU739_MAJOR,DEVICE_NAME);

……

}

module_init(MU739_cont_init);

module_exit(MU739_cont_exit);

最后，将该驱动静态添加进内核中。编译烧写后，会在Android系统的dev/目录下查看到该设备mu739_cont_dev。

3 应用程序编写

在Eclipse开发环境中新建一个Android应用工程mu739_control，用来作为控制3G模块的Android应用程序。

3.1 编写调用本地方法

在mu739_control工程目录下新建包com.example.myjni，用于声明native方法以及给应用程序调用的静态库名字：

public static native int open3G(int flag);

static{

System.loadLibrary("ContModule");

}

其中native关键字用于告知编译器该方法为本地方法；static关键字包括的语句System.loadLibrary("ContModule")，表示调用本地库文件为libContModule.so(其命名规则是libFileName.so)。

之后，在工程目录中，新建空文件夹jni，用于存放jni文件。并通过终端进入工程的根目录下，运行命令javah，生成JNI头文件：

$ javah -classpath bin/classes -d jni/ com.example.myjni.MyNative

其中，javah命令为NDK开发环境中带有的工具，其用法如图 5所示。

javah命令生成的头文件名字为com_example_myjni_MyNative.h，其中包含了上述本地方法的声明方式：

JNIEXPORT jint JNICALL Java_com_example_ myjni_MyNative_open3G(JNIEnv *,jclass,jint);

之后，在jni/目录下新建C文件myfile.c，实现上述函数的功能：

JNIEXPORT jint JNICALL Java_com_example_ myjni_MyNative_open3G(JNIEnv *env,jclass thiz,jint flag){

int temp,ledstatus = flag;

int fd;

// 调用open函数打开设备mu739_cont_dev

fd = open("/dev/mu739_cont_dev",O_RDWR);

if(fd < 0){

LOGE("Open 3G device error,fd = %d .",fd);

exit(1);

}

// 打开设备后，调用ioctl函数，操作设备并传入控制参数

temp = ioctl(fd,ledstatus,0);

sleep(10);

if(temp < 0 ){

LOGE("ioctl the device error,lestatus = %d",ledstatus);

exit(1);

}

// 完成操作后，调用close函数，关闭设备

……close(fd);

return 1;

}

然后，在jni/目录下编写Android.mk文件，用来指导编译工具编译上述C文件:

LOCAL_PATH := $(call my-dir)

#include $(CLEAR_VARS)

LOCAL_LDLIBS := -llog

LOCAL_MODULE := ContModule

LOCAL_MODULE_FILENAME := libContModule

LOCAL_SRC_FILES := myfile.c

include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

最后，在终端运行命令# ndk-build编译，即可在libs/armeabi/目录下生成.so库文件libContModule.so。即为System.loadLibrary()中引用的静态库文件。

3.2 JAVA代码实现

编写Android应用代码，实现对上述本地方法的调用。

在Android应用工程中开发一个Android应用界面(如图 6所示)，界面上的按键采用监听的方式处理对3G设备的操作。

在代码中，实现对上述按键的监听，为减少函数调用时引起的延时，响应按键的函数在新建的线程中实现。监听按键的onClick函数代码如下：

@Override

public void onClick(View arg0) {

switch(arg0.getId()){

case R.id.Button_Rest: // 对复位按键处理

Log.d(TAG,"Rest the 3G module");// Log调试信息

new Thread(new Runnable() { // 新线程中处理

public void run() {

MyNative.open3G(Rest_Flag);

}

}).start();

break;

case R.id.Button_Normal: // 正常模式

Log.d(TAG,"Set the module Normal Mode");

new Thread(new Runnable() {

public void run() {

MyNative.open3G(Norm_Flag);

}

}).start();

break;

case R.id.Button_Airmode: // 飞行模式

Log.d(TAG,"Set the module Airmode");

new Thread(new Runnable() {

public void run() {

MyNative.open3G(Airm_Flag);

}

}).start();

break;

case R.id.Button_Wakeup:

Log.d(TAG,"WakeUP 3G module");

new Thread(new Runnable() {

public void run() {

MyNative.open3G(Wake_Flag);

}

}).start();

break;

case R.id.Button_Sleep: // 对睡眠模式处理

Log.d(TAG,"Set the module sleep");

new Thread(new Runnable() {

public void run() {

MyNative.open3G(Slep_Flag);

}).start();

break;

}// switch(arg0)

}// onClick

4 结束语

通过介绍Android系统应用层代码对3G模块复位等控制引脚的操作，讨论了Android应用中使用JNI技术控制底层设备的实现方法和步骤，对于涉及到底层设备操作(如串口等)的应用设计具有指导意义。在下一步的研究中，可以结合硬件抽象层实现底层和应用层的隔离，讨论及实现应用层对底层设备的操作。