Android開發(fā)技巧：軟硬件的巧妙整合

2011/01/28

　　Android在過去一直扮演后起之秀的角色，切入智能手機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)用從手機移植到了平板電腦(Tablet PC)上。Android開放源代碼(Open Source)的特性，能輕易地提高廠商對自家產(chǎn)品的接受度，更不用提背后Google的強力撐腰能帶來多大的經(jīng)濟效益。目前可見包括手機廠商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)用可說是勢在必行。

　　盡管Android系統(tǒng)的普及看似指日可待，但在實際的產(chǎn)品應(yīng)用上，也有其可能產(chǎn)生的問題風(fēng)險。Android作為一個開放式的操作系統(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)向上開發(fā)設(shè)計自家產(chǎn)品，但也因為這樣的開放性與自由性，讓廠商在軟硬件結(jié)合的這個環(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、天線與存儲器模組等，以及如何調(diào)整出最適當(dāng)?shù)能浖�設(shè)定等，更重要的是如何將軟硬件整合，開發(fā)出差異化的產(chǎn)品。這中間所有的細節(jié)都會對產(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、效能表現(xiàn)(例如觸控滑動畫面、開啟程序所需時間)、品質(zhì)可靠度、甚至是后續(xù)的固件升級動作等等。在此百佳泰便試圖以專業(yè)中立的測試實驗室角度，來點出廠商應(yīng)用Android于手機、平板電腦或其他設(shè)備時應(yīng)注意的開發(fā)重點，以希冀作為一個有效的參考資訊。

　　解構(gòu)Android基本技術(shù)架構(gòu)

　　 首先我們先來看到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開發(fā)提供最底層的核心系統(tǒng)服務(wù)，包括安全性(Security)、存儲器管理(Memory Management)、進程管理(Process Management)、網(wǎng)路堆迭(Network Stack)與驅(qū)動程序模型(Driver Model)。

　　Android執(zhí)行環(huán)境(Android Runtime)：透過Core Libraries(核心函式庫)以及暫存器型態(tài)的Dalvik Virtual Machine(Dalvik虛擬機器)來執(zhí)行程序。

　　系統(tǒng)函式庫(Library)：使用C/C++函式庫的系統(tǒng)組件以供呼叫使用，開發(fā)者可透過上層的應(yīng)用程序框架來運用這些功能，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)計來簡化組件的再運用，開發(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)，開發(fā)者也可運用同樣的機制來新增與置換組件。

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

　　廠商越想要設(shè)計出與原始設(shè)定不同且增強效能的產(chǎn)品，便越需要對這五層架構(gòu)進行修改。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；而應(yīng)用程序的開發(fā)者更可能需要針對應(yīng)用程序與框架進行調(diào)整。由此可見，對Android設(shè)備而言，任何一個功能的置入或是對硬件設(shè)定的細微更動，都需要對Android系統(tǒng)進行從下到上的調(diào)整以達到最優(yōu)化的效能，而這正是最為困難與需要驗證的一環(huán)。

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

　　 如前所述，對眾家開發(fā)廠商而言最大的挑戰(zhàn)其實在于，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)間的整合與運用。在此我們便根據(jù)其多年的測試與研究經(jīng)驗，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)：

　　 一、Linux驅(qū)動程序的導(dǎo)入

　　由于Android是根源于Linux所延伸出來的操作系統(tǒng)，因此各種關(guān)鍵功能的驅(qū)動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)動程序，這些可能是自行撰寫、或是來自不同組件廠商的驅(qū)動程序，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)。

　　 二、系統(tǒng)單芯片的優(yōu)化處理

　　 對廠商而言，開發(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產(chǎn)品那么容易，最大的學(xué)問便在于將系統(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)合便必須透過不斷的嘗試與驗證，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Android系統(tǒng)的特性，提供整合過的SoC平臺，將藍牙、相機或上網(wǎng)等常用功能模組預(yù)先寫入，減少終端成品廠商費力整合開發(fā)的時間，但對廠商而言，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致的修改，則又是更困難的課題。
　　 三、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)用在手機等手持設(shè)備上，以手機為例，已經(jīng)從過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)讓消費者可以透過手指的滑動傳送指令甚至是具備多點觸控的支持、Wi-Fi模組提供隨時無線上網(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圖形處理器來執(zhí)行通用計算任務(wù)、Android 2.3版所支持的NFC近場通信技術(shù)，以及更高階的相機模組等等，背后都有各自的驅(qū)動程序與軟件技術(shù)，也必須要與Android系統(tǒng)相結(jié)合使用。

　　四、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，都必須要透過軟件面的奧援。也就是說，一臺Android設(shè)備除了要能將各種功能與技術(shù)收納起來、將軟硬件整合外，更必須同時注重它在效能上能否維持應(yīng)有的水準，以提供使用者在操作上流暢易上手的感受。

　　五、低電耗設(shè)計

　　Android的設(shè)計概念主要是應(yīng)用于便攜式設(shè)備上，目前市面上可見的像是平板電腦與智能手機等。對這類產(chǎn)品而言，電池續(xù)航力的好壞可說是影響消費者使用感受的關(guān)鍵之一，試想，若是一臺智能手機的待機時間過短，而使用者在外時又無法隨時充電使用，不能即時的連網(wǎng)查詢資料或執(zhí)行其他手機功能，這樣的產(chǎn)品便失去了它作為便攜式移動設(shè)備應(yīng)有的便利性。追根究底，良好的待機時間除了需仰賴高容量的電池以提供充足電力之外，另一個重點就是設(shè)備本身在被使用執(zhí)行時能否作到低電耗設(shè)計。Android設(shè)備讓使用者能透過各種多樣化的應(yīng)用程序，來達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發(fā)者不可輕忽的一項課題。

　　持續(xù)驗證修正 找出最佳Android整合方案

　　正如前面我們不斷提到的，對Android設(shè)備而言，最困難的開發(fā)挑戰(zhàn)便在于如何完美地”整合”軟件與硬件，以開發(fā)出一項功能完整又同時注重使用者感受的產(chǎn)品。從對Android本身程序碼的修改、相關(guān)硬件的選擇，到驅(qū)動程序的結(jié)合運用以及能否維持穩(wěn)定的效能表現(xiàn)等，在在都必須要透過仔細的研究與不斷的嘗試，才能找出問題的根源并解決、更進而找出最合適的整合方案。

　　附圖我們歸納出一些在Android設(shè)備上經(jīng)常出現(xiàn)的問題與其可能肇因，而這些也都是開發(fā)廠商必須重視卻可能忽略的一環(huán)。像是Android源代碼中對音源的重新取樣(Re-sampling)設(shè)計，就會導(dǎo)致設(shè)備在讀取48K音源時重新取樣成44K，而造成諧波失真的現(xiàn)象影響音質(zhì)，這便是廠商不會注意到而未去修改的問題；另外像是天線位置的設(shè)計，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，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)測試驗證實驗室的角度，希冀以宏觀的方式，針對Android設(shè)備的開發(fā)設(shè)計提供可用的參考，近期內(nèi)我們也將會提供實際的相關(guān)測試數(shù)據(jù)報告，并進一步指陳這些可能的問題風(fēng)險，以期讓更多廠商與消費者都能注意到品質(zhì)驗證的重要性，是從產(chǎn)品設(shè)計的根源就要開始層層把關(guān)。

電子工程專輯