郭利全，谢维波

（1.华侨大学 计算机科学与技术学院，福建 厦门361021；

2.华侨大学 厦门软件园嵌入式技术开放实验室，福建 厦门361008）

近年来，随着经济的高速增长及科学技术的突飞猛进，人们的生活质量和生活水平有了显著地提高，智能手机逐渐走进了人们的生活.智能手机可以方便地获取互联网信息，带来高端的服务与享受.除苹果系列使用其专用的IOS操作系统外，其他智能手机大多使用Android操作系统.Android系统具有代码开源、兼容性好、系统可移植等特点，还具有界面美观、应用软件开发简单、音视频解码库齐全等优势.Android系统的优势使其在硬件平台的移植显得非常必要，将Android系统移植到非手机硬件平台具有巨大的商业价值.i.MX51平台是由美国Freescale公司自主研发的，中央处理器基于ARM Cortex A8核心的i.MX51处理器，主频可扩展到1GHz.Android操作系统在i.MX51平台上能良好地运行，这为Android系统的移植奠定了硬件基础.本文对i.MX51平台上的Android系统移植进行研究.

1 Android系统启动流程

1.1 Android与嵌入式Linux

Android系统是基于Linux内核搭建的，Linux内核的优势在于大内存管理、进程管理、基于权限的安全模型、统一的驱动模型、对共享库的支持和代码开源等.Android系统在设计过程之中针对移动终端资源有限的特点，对Linux进行了一定程度地裁剪，去除了原生的窗口系统、对GUN libc的支持，并裁剪了一些标准的Linux工具.针对移动终端的特点，对内核在闹钟、内核调试、进程间通信、日志、电源管理等方面作了大量地优化.Android使用Linux完成其内存管理、进程管理、网络和其他服务工作，应用程序不会直接进行Linux的调用，但Linux在Android中的确存在［1］.

1.2 Android系统启动流程

Android可以作为嵌入式系统的软件操作系统.Bootloader是嵌入式系统的引导加载程序，也是系统上电后运行的第一段程序，它除了完成基本的初始化系统和调用Linux内核的基本任务外，还对Linux的启动参数进行设置.Bootloader最后一项任务是调用Linux内核.

Linux内核一般存放于flash或SD卡中，但由于内核在flash中执行时代码会有限制，而且速度还没有在RAM中快，所以一般在嵌入式系统中都是将Linux内核解压到RAM中，然后跳转到RAM中去执行.Linux内核启动完成后，会创建init进程，而init进程首先进行一系列硬件初始化，然后通过命令行传递的参数挂载根文件系统.根文件系统包含系统引导和使其他文件系统得以挂载所必需的文件，也包括Linux启动时所必需的目录和关键性的文件.

Android系统自下而上分为linux内核及驱动层、系统运行库和java运行环境层、应用程序框架层、应用层［2］.应用程序框架层包括有java层和jni层，jni是Android程序访问硬件抽象层的一种手段.Android系统底层采用Linux2.6内核，Android系统的启动包括Linux启动的全过程.在Linux启动init进程后，init进程根据init.rc脚本文件建立起servicemanamger和zygote等最基本的服务，其中servicemanamger的功能是管理系统中各种服务，zygote的功能是建立java程序运行时的环境并启动虚拟机，初始化建立的基本服务都是运行在java运行环境层的本地服务.zygote启动虚拟机后，建立systemserver进程，systemserver是Android java层的系统服务模块，主要功能是管理供Android应用开发的系统服务，最后由system server建立Android应用层要使用的服务，包括Home Activity启动所需的Activity Manager.

Android系统启动流程，如图1所示.由图1可知：Android系统的启动是以Linux启动为基础，Android系统的移植包含有Linux系统的移植.嵌入式Linux的移植包括bootloader，Linux内核、根文件系统3大部分移植［3］.Android系统的移植除上述移植外，还必须进行system.img，recover.img，userdata.img等镜像的移植［4］.

图1 Android系统启动流程图Fig.1 Android system startup flowchart

2 软硬件平台的搭建

由于硬件平台的特殊性及局限性，在此选用交叉开发模式［5］.交叉开发模式是指Linux交叉开发采用宿主机和目标机模式进行，宿主机是一台运行Linux的个人计算机，目标机为嵌入式硬件平台.开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具，形成可以在目标机上执行的二进制代码，这种代码并不能在宿主机上执行，而只能在目标机上执行，然后把可执行文件下载到目标机上运行.调试时可以通过串口、以太网口等进行.

本次移植过程中，宿主机为计算机，操作系统为federa 13，在宿主机上下载u-boot，Linux 2.6内核、Android源代码，并进行交叉编译.为了支持EABI，交叉编译工具采用arm-none-Linux-gnueabi工具链.引导程序选用u-boot，Linux内核版本采用linx-2.6.31.14，Android系统版本采用froyo.编译好镜像后使用ATK工具通过串口进行镜像的烧写.

3 Android系统的移植

Android系统具有可移植性.可移植性指的是在一定程度上，软部件从一种环境迁移到另一种环境后还能正常工作的能力.Android系统的移植需要经历源码的获取、源码裁剪、交叉编译源码、下载镜像这四个步骤［6］.

3.1 源码的获取

源码的获取使用git工具.git是为了帮助管理Linux内核开发而开发的一个开放源码的分布式版本控制软件.尽管开发之初是为了辅助Linux内核开发，但现在包括Android在内的很多其他自由开源软件项目也使用了git.

Android是由kernel，Dalvik，Bionic，prebuilt等多个git项目组成，Android项目编写了一个名为repo的Python脚本统一管理这些项目使git的使用更加简单.Android源码的获取分为以下5个步骤.

1）yum install git，安装git工具.

2）curl https：∥dl-ssl.google.com／dl／googlesource／git-repo／repo〉～／bin／repo下载repo脚本.3）chmod a+x～／bin／repo改变下载后的repo权限，使其可以直接被运行.

4）repo init-u https：∥android.googlesource.com／platform／manifest-b froyo.由于 Android现在的版本为4.0，本次移植工作使用的版本为2.2.使用这条语句从服务器端的master主分支中切换参数“-b”后面指定版本分支.

5）repo sync-j4.由于repo sync是从源码服务器上进行下载，Android源码一般在10GB左右.由于执行时间比较长，可以使用多线程来并行下载，使用参数“-j4”，4是并行的线程数.

Android源码目录及各目录包含的内容，如表1所示.

表1 Android源码目录及作用Tab.1 Android source code directory role

获取Android源码后，接着获取u-boot及Linux内核源码.在Linux shell终端输入以下git命令.git clone git：∥git.denx.de／u-boot.git uboot-imx获取u-boot源码保存至uboot-imx目录.

git clone git：∥git.kernel.org／pub／scm／Linux／kernel／git／stable／Linux-2.6.31.y.git kernel＿imx获取Linux内核源码，保存至kernel＿imx文件夹中.

3.2 Linux内核裁剪

Linux内核的裁剪是移植工作重要的环节，不同的硬件厂商，裁剪的方式各不相同.每个硬件厂商都会提供硬件的板级支持包（即BSP）.BSP可以屏蔽硬件，提供操作系统及硬件的驱动.本文使用板级支持包加速对Linux内核裁剪工作.

i.MX51的硬件支持包是以补丁文件的形式存在.BSP包下载地址为http：∥www.freescale.com.将Linux内核拷贝到Android源码同一级目录，对源码打上补丁，即可完成对Linux内核的裁剪.裁剪流程有如下2个步骤.

1）.imx-android-r9.2／code／r9.2／android＿pach.sh.运行支持包中的bash文件，设定环境变量.

2）c＿patch imx-android-r9.2／code／r9.2imx＿r9.2.使用支持包为源码打补丁.

裁剪后的Linux源码增加了对i.mx51处理器的支持，源码位于kernel／arch／arm／mach-mx5目录下；对共享内存处理方式上进行了改变，增加kernel／mm／ashmem.c文件，它为进程间提供大块内存，同时为内核提供管理和回收这些内存的机制；在驱动程序中增加了mxc目录，包括对Android相关的驱动的支持，如IPC系统、日志系统、电源、闹钟管理、内存控制台、时钟控制的gpio，switch驱动等，也包括如图像处理单元iPU，视频处理单元VPU等驱动.

3.3 源码的编译

下载arm-none-linux-gnueabi交叉编译工具链，将其bin目录加入PATH环境变量.Android源码的编译过程有如下3个步骤.

1）.build／envsetup.sh使用envsetup.sh脚本初始化环境变量.

2）lunch imx51＿bbg-eng完整编译在imx51平台运行，使能所有的调试方法.

3）make-j4使用make命令进行编译.采用4个线程的多线程编译方式.编译源码的配置情况，如图2所示.

由图2可知：Android的版本为2.2.1，宿主机为Linux操作系统x86CPU，目标机为arm型CPU.对源码的编译配置通过指定参数进行，本次配置参数为imx51＿bbg-eng，参数含义如表2～3所示.

图2 Android源码编译配置Fig.2 Android source code compiled configuration

表2 平台参数说明Tab.2 Parameter description of platform

表3 BUILDTYPE参数说明Tab.3 Parameter description of BUILDTYPE

3.4 镜像的烧写

Android系统源码编译完成后，在out文件夹下会生成对应的镜像文件，包括system.img，userdata.img，ramdisk.img等镜像.system.img包括了主要的包、库等文件；userdata.img包括了一些用户数据；ramdisk.img是emulator的文件系统，emulator加载这3个镜像文件后，会把system.img和userdata.img分别加载到ramdisk文件系统中的system和userdata目录下，ramdisk.img在文件系统中解压后为root目录，其中包括了init，init.rc等文件.ATK是Freescale公司开发出的一款针对MX系列CPU为核心的flash、SD卡烧录软件，可以用来烧录bootloader和kernel到SD卡上.本次移植过程中使用ATK工具通过串口进行烧写镜像.

使用ATK工具将u-boot，kernel，ramdisk.img镜像烧写到SD卡上，烧写的起始地址分别为1K，1 M，4M的地址处.使用Linux中的fdisk命令对SD卡进行分区.分区时不应将u-boot和kenel划入任何1个分区，第1个分区从10MB的位置开始划分.分区后，各分区的文件系统信息及分区大小设计，如表4所示.

表4 SD卡分区说明Tab.4 Partition description of SD card

在宿主机上，使用dd命令将system.img及recovery.img拷贝到sd2，sd6分区，拷贝的步骤如下：

经过以上的过程，Android系统平台运行所需的全部文件都已经烧写到SD卡上.SD卡上存储区域分布，如图3所示.图3中：MBR主要是存储SD卡的分区信息，起始地址为0kB.

由图3可知：第一个分区（Media分区）从大于10MB的位置开始划分，可避免MBR、引导程序、内核、根文件系统在分区中因误操作而被破坏的情况发生，保证系统正常启动.

图3 SD卡存储区域分布图Fig.3 Storage area maps of SD card

4 Android系统的调试

Linux内核开发者为保证内核代码正确性，不愿在Linux内核源代码中加入调试器.内核调试可采用监视内核代码和错误跟踪的方法.对Android的调试方法包括Linux方法和Android特殊方法.标准Linux调试有如下3个方法.

1）启动Android仿真器环境，使用adb shell进行连接，在终端使用ps查看系统各个进程.也可以使用linux的proc文件系统跟踪进程相关信息.

2）使用Linux的vmstat和top命令统计系统中性能的信息.

3）使用dmesg查看内核打印出来的信息，可以方便地跟踪内核状态信息.

Android的toolbox中包含了一些非标准化的辅助命令，这些命令在Linux的Shell中没有，专为Andorid系统所使用.Android特殊调试命令有如下4个方法.

1）使用netcfg命令进行网络配置调试，可用于检查Android系统的网络状况.

2）使用service命令获取Android系统已经启动的服务，显示某一个服务调用进程的情况.

3）Android的am命令可以在控制台启动和管理活动、服务和发送广播等.

4）对基于Android系统的程序开发，使用logcat命令可以方便得到程序的log信息.

5 实现效果

Android系统在i.MX51平台移植完成并调试成功后，将开发板上的启动模式设置成从SD卡引导.串口调试信息，如图4所示.

图4 Android OS串口打印信息图Fig.4 Serial print of Android OS

从启动信息中可以看出，u-boot先从MBR中读取分区信息，将Linux镜像解压到RAM地址为0x9000800处，将Android镜像解压到地址为0x90308000处.启动信息中也包括了CPU信息、内核版本、大小、Android文件系统版本等信息.Android平台在i.MX51平台启动后，其程序测试效果图如图5所示.

6 结论

随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统的软件从只有前后台程序，发展到使用μC／OS-Ⅱ等小型操作系统，再发展到现在应用如Linux，WinCE等大型操作系统.Android系统是目前最前沿的嵌入式操作系统，虽然设计之初只是针对手机等移动平台，但在其他非手机硬件平台的应用已经成为一种趋势.只有将最前沿的嵌入式操作系统与硬件平台相结合，嵌入式系统才会更具生命力和竞争力.

所介绍的Android系统在i.MX51平台的移植过程及调试方法，对Android系统在其他嵌入式平台的移植具有指导意义.然而，由于对Linux内核裁剪部分使用的是i.MX51的板级支持包，在其他硬件平台的移植应使用相应的板级支持包，有一定的局限性，也是移植工作的不足，有待今后进一步提高.

图5 Android程序测试效果图Fig.5 Effect diagram of Android application test

［1］ 王茜.Android嵌入式系统架构及内核浅析［J］.电脑开发与应用，2011，24（4）：59-61.

［2］ 李凯.Android操作系统分析与移植［D］.广州：华南理工大学，2011：59-61.

［3］ 曹木莲，姚放吾.基于i.MX21的嵌入式Linux研究与移植［J］.计算机技术与发展，2009，19（9）：97-98.

［4］ ABHYUDAI S，SOMYA L.Android porting concepts［C］∥Proceedings of 3rd International Conference on Electronics Computer Technology.Kanyakumari：［s.n.］，2011：129-133.

［5］ 孙纪坤，张小全.嵌入式Linux系统开发技术详解［M］.北京：人民邮电出版社，2007：129-132.

［6］ 韩超，梁泉.Android系统级深入开发-移植与调试［M］.北京：电子工业出版社，2011：70-72.