基于Android的POS机刷卡器阅读芯片驱动研究

0 引言
    Google公司在2007年11月5日推出了开源的Androld操作系统，它是基于Linux内核的开源手机操作系统。目前，Android应用商店Android market已经拥有超过70万个应用程序，有超过10万名软件开发人员为Android开发应用程序，Android系统已经广泛运用于便携式移动设备。
    移动POS机又称无线POS，是一种RF-SIM卡终端阅读器，通过CDMA，GPRS，TCP／IP等与数据服务器相连进行工作。移动POS机具有移动性强，平均交易时间段，易于携带等特性在各大行业都已经广泛使用。将Android系统移植到POS机上，将为POS机提供更加丰富的应用和功能扩展。
    刷卡器作为POS机主要功能承担者，其驱动程序的研究和优化也直接影响到Android系统在POS机领域的发展。

1 Android系统架构
    Android是以Linux为内核的开放式的手机操作系统，采用了整合的策略思想，包括底层Linux操作系统、中间层的中间件和上层的Java应用程序。Android系统是由应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层、Linux内核层组成的，系统架构如图1所示。

    在应用程序层中包含了Android系统的基础应用程序，所有的应用程序都是用Java编写的。
    应用框架层是开发人员从事Android应用程序开发的基础，该层简化了组件重用，可以直接使用系统提供的组件快速的进行应用程序开发，主要包括Activity Manager，Content Provider，View System等。
    在系统运行库层中包括了两个部分：程序库和运行时库，主要由Dalvik Java虚拟机和基础的Jaya类库组成，为应用程序提供服务和Java编程语言核心库。Android的核心系统服务依赖于Linux 2．6内核，如安全性、内存管理、进程管理、网络协议和驱动模型。Linux内核也同时作为硬件和软件堆栈之间的硬件抽象层。

2 刷卡器工作原理
    MagTek公司的磁卡阅读器芯片21006450是一款高性能、低功耗的三轨磁条解码芯片。在对磁卡阅读芯片复位时，如果STRBOE没有置高，就需要将其置高，并将DATA拉低，然后再将STROBE置低。在复位之后仍需要将DATA强制置低，在释放DATA之前需要将STROBE置高，然后再置低。在完成上述过程后，仍需要再完成一次STROBE的置高、置底，这样才能完成复位序列。
    当读卡器芯片处在准备读卡状态时，一旦检测到三个磁通翻转，ASIC就会通过将DATA拉低来表明此时处于卡在线状态。然后就开始将磁条卡上的数据读取并存储到缓存中。对应于这种卡在线状态，控制器应当将STROBE置高。对应于STROBE的上升沿，ASIC会将DATA置高，并清除卡在线信号。控制器会将STROBE置低，然后等待DATA的下降沿，以此来表明处在缓存器就绪状态。从内存中读取或提取数据，需要用脉冲信号将STROBE输入置高再置低来驱使数据指针将数据指向DATA的管脚。在数据读取期间，当STROBE的输入为低时，DATA上的一个低电平代表1，而高电平代表0。需要说明的是，DATA进入缓存器就绪状态后，在复位之前，ASIC不会对再一次刷卡做出反应。在片上缓存(内存)中，为磁条卡的三个磁道中的每一个分配了704 b的空间，总共有2 112 b。对每条磁道而言，只有在卡上检测到1的时候才开始存储数据，在这个1之前的所有的0都不会存储进缓存。当检测到第一个1之后，每个磁道存储704 b的数据，而一旦数据超过这个长度，将会丢失超出的数据。但这并不意味着芯片的存储空间太小，确切来说，这么大的空间已经能够充分的满足符号ISO编码标准的磁条卡的需求。
    在提取数据时，STROBE是根据磁道A，磁道B，然后磁道C的顺序进行接收的。当数据指针到达3个磁道共2112位的最后位置时，它将从反方向再次循环数据。需要说明的是，数据的移出的首选顺序是磁道A、磁道B然后磁道C。ASIC并不决定刷卡的方向，只是简单的将接收的数据表示出来。然后，反方向刷卡数据的移出时是以磁道C、磁道B、磁道A的顺序进行的，这就像将一盘磁带或录音带翻带。
    在复位时，会清除ASIC上的所有数据，将所有的数据位都置为0(高电平)。
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3 驱动设计
    驱动程序是Linux内核与硬件之间的接口，直接对硬件设备进行操作，同时对上层应用程序提供接口。Android的设备驱动主要完成以下功能：初始化和释放设备；读取硬件设备数据；将内核数据写入到硬件设备；读取应用程序数据传送给设备文件等。在Android系统中刷卡器驱动应包括：Linux内核驱动程序、HAL(硬件抽象层)模块、JNI方法、application framework硬件访问服务。刷卡器阅读芯片与开发板的连接框图如图1所示。
3．1 Linux内核刷卡器阅读芯片驱动程序
    刷卡器的基本功能就是读取磁卡中的数据进行解码，并将得到的解码数据传递给上层应用程序。Android为了保护一些硬件提供商的知识产权提出了HAL层的概念，避开了Linux的GPL束缚，基本的思路是把控制硬件的动作都放在Android HAL层，而Linux driver只是完成一些简单的数据交换。这里的Linux内核刷卡器驱动程序同样也只是一个的字符设备驱动，设备以模块的形式存在Linux内核中，模块的加载和卸载通过static int_init msr_init(void)和static void_exit msr_exit(void)函数实现，static int_msr_setup_dev(structmsr_Android_ dev*dev)函数对设备进行初始化，函数static long msr_ioctI(struct inode*inode，struct file*filp，unsigned int cmd，unsigned long arg)实现驱动程序对刷卡器的I／O控制。设备的打开、关闭及具体的代码实现可以参考《Linux设备驱动程序》。对内核配置编译后就可以在Linux内核中得到设备模块msr．o，在上层中可以通过调用这个模块来实现对刷卡器的控制。
3．2 HAL层访问内核驱动程序
    硬件抽象层中访问不同设备内核驱动程序的模块是以*.so文件形式存在的，这样可以有效的保护硬件厂商的知识产权。在runtime(JNI部分)，则向HAL取得特定模块的opeIlations，再callback这些操作函数。在HAL层包括许多模块，而runtime只需要说明类型，即module ID，就可以取得相应模块的operations。在HAL层中需要具体实现刷卡器的读卡操作。首先需要查找到开始标志0x0b，然后将磁道1中的数据放到bufl中，用同样的方法可以将磁道2，3的数据存到buf2，buf3中，磁道2最多40个字符每个5位4位数据1位奇校验，而磁道3最多107个字符每个5位4位数据1位奇校验。然后将buf中的数据补齐之后放在主寄存器中。HAL层中还需要使用static int check_msr_io(void)对I／O的状态进行检测，并对设备进行初始化static int msr_device_init(void)。具体的实现由于篇幅限制，不在进行详细介绍。
3．3 编写JNI方法访问硬件
    从编程语言看，Android系统是由基于Java语言的Java层与基于C／C++语言的C／C++层组成的，为了使这两层相互配合、共同完成任务就必须使用Java本地接口(JNI，Java Native Interface)将这两层有机的联系起来。JNI提供了一系列接口，允许Java类与使用C／C++编写的应用程序、模块、库进行交互操作。JNI是通过函数方法映射表static const JNINativeMethod method_table，将Java本地方法和HAL层提供的C函数接口衔接起来。
3．4在application framework增加硬件访问服务
    在Android Framework或应用程序开发中所需要的主要API都是以服务的形式存在的。对应用程序来说，硬件服务是运行在一个独立的进程中的，若要调用这些服务就需要在硬件服务和应用程序之间添加通信接口。应用程序通过Interface IMsrService接口，调用硬件服务提供的Init()等函数。在刷卡器的硬件服务中是将定义的通信接口与JNI提供的接口相关联起来。同时需要将磁卡阅读芯片服务添加到系统服务中Service Manager．addService(“msr”，new MsrService())，这样应用程序就能通过Java接口调用硬件服务，实现对磁卡阅读芯片的控制。图2以读取芯片数据为例，简单介绍各层之间的调用。

4 结语
    随着系统逐渐成熟，应用程序日益丰富，Android系统与POS机的结合将为POS机的发展提供更为广阔的空间。本文在分析了Android架构的基础上，分析刷卡器的工作原理，研究将POS机刷卡器阅读芯片驱动程序添加到Android系统中，为上层应用程序提供接口，实现刷卡器的功能。各层之间的接口调用衔接是整个驱动程序成功运行的基础，在驱动设计中，每编写一层都应进行测试，这样能更好的定位驱动设计中存在的不足。