移動電話挑戰(zhàn)嵌入式Linux

摘要： 正當(dāng)移動電話制造商(OEM)擁抱Linux作為下一代智能電話的平臺的時候，開發(fā)和布置這樣的設(shè)備還在面臨著技術(shù)上的挑戰(zhàn)，特別是OEM們必須保證電話具有電源管理，快速引導(dǎo)，集成的無線接口，先進的多媒體功能，吸引人的小尺寸GUI以及各種PIM應(yīng)用－而且所有的這些全部集成和運行在一個適度的手機儲存空間里面。這也是嵌入式Linux 開發(fā)者所面臨的挑戰(zhàn)，不同于PC，電話設(shè)計并不是建立在一個標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)上面。文章詳細(xì)闡述了基于Linux的移動電話開發(fā)的各種技術(shù)問題，涉及到關(guān)鍵的Linux技術(shù)和支持電話開發(fā)開源項目的可用性和成熟性。另外，文章還討論了移動運營商提出的技術(shù)和經(jīng)濟層面的問題。

關(guān)鍵詞： Linux 電話；電源管理；智能手機；實時性

全球移動電話的市場正在爆炸性的增長，分析機構(gòu) IDC 2005年Q2的報告中指出，手機市場增長了近34％，全球語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，近7億部手機正在OEM工廠設(shè)計和生產(chǎn)，很快將進入百姓的手中，分析公司Gartner 預(yù)測到2009年，全球移動電話的安裝數(shù)量將達(dá)到26億部。 對于以Linux為中心的IT工業(yè)而言,這些數(shù)字相對于Linux的發(fā)貨和服務(wù)器的安裝,即使是全球的桌面市場的數(shù)量也是巨大的。這樣的移動電話市場即代表了一個爆炸性增長的機會也表示了它在終端市場的占有率,而且它也是對于Linux 已經(jīng)占領(lǐng)的基于電信,企業(yè)和嵌入式Linux 的設(shè)備市場的一個很好的補充。
　　　
為什么是Linux和無處不在的Linux?

在過去3年Linux 作為移動電話的OS平臺已經(jīng)取得了相當(dāng)大的收獲。OEM 如LG、 摩托羅拉、 NEC、 松下 和三星已經(jīng)銷售了20余款 Linux 電話,另外還有中國品牌的大唐、e28(上海毅仁信息科技)、 海爾和 中興,  諾基亞 和其他的OEM也已經(jīng)開始銷售基于Linux 的無線VoIP 終端。無論是大型還是小型的OEM都正在選擇Linux 作為智能手機的策略平臺,這里面即有技術(shù)原因也存在經(jīng)濟的因素。在技術(shù)層面，OEM們選擇Linux 是因為它的性能,可靠性,標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和靈活性，在經(jīng)濟方面, Linux 可以給OEM 們更低的開發(fā)和布置成本,更多的供應(yīng)商或者自己開發(fā)的方案, Linux還可以給OEM 們一個廣泛開發(fā)的商業(yè)技術(shù)生態(tài)環(huán)境和一個可能的機會 ——統(tǒng)一的產(chǎn)品線和工程投入以支持多層次的產(chǎn)品(包括智能手機,功能手機和入門級手機),多種網(wǎng)絡(luò)制式(GSM, CDMA, WCMDA 和Wi-Fi)以及運營商日益變化的需要。

因為這些技術(shù)和經(jīng)濟上的利益，Linux 電話的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到市場總量的1-2%，在智能手機這個快速增長的領(lǐng)域里L(fēng)inux 正在占據(jù)著一個強有力的位置，智能手機的市場份額正以每年85%的速度增長，而Linux 有25%的市場份額(Gartner2005年的數(shù)據(jù))，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先Windows Mobile，只比Symbian OS 落后一個百分點。

　　　
電話的分類

劃分電話的類型不是一個精確的科學(xué)過程，甚至也不是一個準(zhǔn)確的市場活動。某些功能電話的顯著特點(如email，圖像處理)已經(jīng)是今天各種價格的電話的基本功能了。即使今天智能手機所具有的特性也許是6個月后所有手機都有的功能,今天你以為物有所值的功能手機，在假期結(jié)束以后已經(jīng)淪為可以作為禮品的入門手機了，而且它們可能只有從春天到夏天的一個季節(jié)生命周期。

智能手機的陷阱

相比把開源的OS放在一個低端手機上，發(fā)布一款智能手機是相對容易多了。因為智能手機的售價和利潤都高，它可以有允許更多的BOM(材料成本)和軟硬件空間實現(xiàn)多媒體、顯示和射頻基帶(RF)等電話的關(guān)鍵功能。一般情況下智能手機的應(yīng)用OS(Linux，Windows Mobile等)是運行在一個專門的應(yīng)用處理器上，同時另外的一個CPU 和DSP處理語音，多媒體和RF功能。智能手機的購買者是典型的成熟用戶，他們熱衷于新技術(shù)，并且對于由于新的技術(shù)和功能代來的電池消耗等問題更有相當(dāng)?shù)膶捜荻取?BR>
然而到目前為止智能手機只占整個手機市場的6％，如果Linux開發(fā)者真正希望進入廣闊的手機市場，Linux 手機平臺必須支持中端手機或者“功能手機”的技術(shù)和經(jīng)濟層面的要求。這些手機在技術(shù)方面無法和智能手機賽跑，硬件方面也無法和智能手機相比，一個低成本的BOM 意味著運行在應(yīng)用處理器上的Linux 不得不面對所有的語音，數(shù)據(jù)，RF和圖形任務(wù)。一個運行在0~200MHz的單芯片CPU 的Linux電話需要電源管理和合適的儲存空間以匹配Linux 的運行和成本的控制要求。

社會團體和各國政府正在幫助縮小全球數(shù)字化的鴻溝，我們可以大膽的想象這是一款針對發(fā)展中國家的低收入人群開發(fā)的電話(可以認(rèn)為是個瘦Ubuntu：一種時下流行開源的Linux)，就好像是目前難以讓人琢磨的100美元 電腦一樣，下一個也許是“免費的” Linux 電話了。

隨著時間的流失，中端甚至低端電話的硬件都可以滿足Linux 的要求，但是同時這些手機的利潤也變得越來越薄。過去10余年電池技術(shù)不能以一個適度的速度提升，這就意味著應(yīng)用不能和時鐘的提速相匹配。所以如果Linux電話要跳出智能手機的桎梏，它必須采用新的功能并改進和合并許多現(xiàn)有的功能以應(yīng)對面臨的挑戰(zhàn)。
　　　
技術(shù)挑戰(zhàn)

開放軟件開發(fā)試驗室(OSDL.org)最近發(fā)起了新的行動計劃－MLI(Mobile Linux Initiative)，目的是培養(yǎng)和支持Linux 在手機中的應(yīng)用。MLI目前的首要任務(wù)是使Linux 成為更適合手機的OS 平臺。下面列舉的一些問題來自MLI的參與者和有興趣的合作伙伴，特別是手機制造商和芯片供應(yīng)商。

電源管理

今天，如果便攜式設(shè)備制造商想要提供一個基于Linux和有電源管理的設(shè)備，他們將面對各種方案而不知所措。

OEM可以參考以筆記本為代表的桌面系統(tǒng)的電源管理，如ACPI和APM，在內(nèi)核的郵件列表中關(guān)于桌面電源管理的討論確實也是最多的，非x86/IA-32 結(jié)構(gòu)的筆記本硬件，OEM可以使用針對蘋果PowerPC 的PMU。 嵌入式的OEM如果是使用ARM授權(quán)的芯片可以借助ARM公司的LEM框架，或者10余家ARM授權(quán)芯片公司也有自己的電源管理方案(如Freescale，Intel，NEC，Samsung，TI等)。MIPS和MIPS授權(quán)芯片公司，F(xiàn)reescale，IBM Power 框架，Renesas 和 Hitachi產(chǎn)品線也有自己的更加獨特的電源管理協(xié)議和方法。OEM當(dāng)然可以選擇像MontaVista 的 DPM和其他嵌入式Linux供應(yīng)商的方案。選擇當(dāng)然是一件好的事情，但是太多的選擇會導(dǎo)致方案支離破碎的狀況和應(yīng)用缺少可再用性。應(yīng)對電源管理的問題，OSDL MLI的成員和工業(yè)界已經(jīng)表達(dá)了一種愿望，即一個統(tǒng)一的，跨處理器平臺的電源管理途徑，或者一個主流的，更高層次的，可以覆蓋嵌入式，桌面和刀片服務(wù)器電源管理的體系結(jié)構(gòu)。

無線電接口

今天的Linux智能手機中，GPRS接口是被集成在一個調(diào)制解調(diào)器里面，它包含一個CPU核，DSP和支持無線通訊的RF硬件。很像一個調(diào)制解調(diào)器——許多智能手機和這些嵌入式處理器是通過一個串口上的AT命令進行通訊的。這種靠卸載無線電功能來簡化智能手機設(shè)計的方法是可行的，但是這將會進一步增加整個手機的成本。今天，一些富有經(jīng)驗的設(shè)計已經(jīng)去掉了調(diào)制解調(diào)器，把基帶接口開放給了應(yīng)用處理器(像目前中低端的手機使用Nucleus這種情況)，但是這樣會給即使是最新Linux的實時性技術(shù)(搶占和開源的實時補?。旅孢€會提到)帶來相當(dāng)?shù)膲毫?。GSM或者CMDA無線協(xié)議信令幀大約是800~900微秒的時間，如果是X86/IA-32 或者是PowerPC處理器一般都是500MHz 到1.5GHz CPU 時鐘, 一個毫秒以內(nèi)的最壞情況的響應(yīng)是很容易到達(dá)的，但是如果是處理器時鐘在0~200MHz，的ARM CPU，基于Linux的硬實時的中端響應(yīng)和搶占延遲仍然是具有挑戰(zhàn)的。另外的一個挑戰(zhàn)的領(lǐng)域是把已經(jīng)非常成熟的電話協(xié)議棧移植到Linux上，這種軟件是基于傳統(tǒng)的RTOS開發(fā)和優(yōu)化的，像Nucleus 和 REX。這些多層協(xié)議是用每一層特有的線程切換技術(shù)實現(xiàn)的，如果移植到Linux可能會在層和層之間增加20~30微秒切換延遲,這樣只是穿越一個單包的協(xié)議棧就消耗了計算時間的很大的部分，留給其他任務(wù)的CPU時間就很少了。所以，如果Linux要想進入中低端手機的設(shè)計領(lǐng)域，它必須要解決低延遲的任務(wù)切換和CDMA/GSM協(xié)議棧的移植這兩個重要的問題。

實時性

在過去的5年中，Linux已經(jīng)在向自身實時性改善的方向發(fā)展并取得了長足的進步。今天Linux已經(jīng)具備了本身的實時性選擇，包括搶占內(nèi)核，0(1) 調(diào)度，F(xiàn)UTEXes 和最近的開源的實時Linux項目－現(xiàn)在已經(jīng)合并到由Ingo Molnar維護的搶占補丁里面了。同時還有雙內(nèi)核和虛擬計算的技術(shù)，像RTLinux， RTAI，Adeos和未公開的Jaluna Osware。實現(xiàn)把一個嵌入式的RTOS虛擬到Linux里面，另外還有一些目前還屬于研究階段的實時項目和技術(shù)，如L4 Micokernel 和L4 Linux 等。OSDL MLI 的成員和社區(qū)更愿意接受和喜歡Linux本身的實時性改善的實時方案，為了支持Linux直接面對RF處理器，多媒體和語音處理，多數(shù)人認(rèn)為Linux應(yīng)該繼續(xù)像RTOS 一樣在實時響應(yīng)方面發(fā)展。在移動電話的設(shè)計中，為了減少電池消耗，系統(tǒng)時鐘可能從200MHz降低到40MHz (甚至0Mhz)后再回升回去以響應(yīng)系統(tǒng)的策略和外設(shè)輸入的要求，這些動作產(chǎn)生的切換要求Linux必須有足夠的響應(yīng)能力和時限保證。

小尺寸

今天智能手機出廠的時候已經(jīng)有了128MB的FLASH 和64MB的RAM，然而作為一個電話的OS需要為在有限的存儲器里尋找節(jié)省每個字節(jié)而努力。OS和中間件占掉的每個字節(jié)都不能為OEM增值而服務(wù)。在原理上嵌入式 Linux 可以以大約1MB的容量布置，但是實際電話的配置中卻大的多。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員，平臺提供商和Linux 內(nèi)核的維護者都提供了一系列配置工具以壓縮Linux平臺的尺寸。
　　　
運營商的新需求

電話制造商雖然希望按照自己的想象進行創(chuàng)新，但是已經(jīng)意識到他們不能完全按照自己想法去設(shè)計和生產(chǎn)一個電話，取而待之的是他們必須遵循他們的用戶－移動運營商(像Cingular, 沃達(dá)豐 ,中國移動等)的要求和規(guī)范去做事，這些無線網(wǎng)絡(luò)運營企業(yè)公司，他們多數(shù)是本國政府嚴(yán)格控制的或者大型的跨國企業(yè)，他們要代表政府和行業(yè)去管理和規(guī)范市場，移動電話是這個系統(tǒng)中的一個重要組成部分和單元。
 
每個國家的政府，尤其是美國政府對無線電頻譜都進行嚴(yán)格的管理和控制，美國的聯(lián)邦通訊委員會(FCC)拍賣和發(fā)放無線頻譜和管理帶寬，信號強度，安全和內(nèi)容。雖然個別國家和地區(qū)協(xié)會趨向于開放和免費使用無線頻率。

負(fù)責(zé)政策和規(guī)則制定的移動運營商完全可以體會到開放的設(shè)備結(jié)構(gòu)帶來的問題，運營商并不是完全反對開放， 只是會更多的考慮到如何安全的布置增值服務(wù)和管理問題。協(xié)調(diào)在技術(shù)層面建立一個完善開放環(huán)境和一個有限制的API 接口，當(dāng)然還有著更多的政策和法規(guī)的討論，設(shè)備制造商，電話的開發(fā)者和行業(yè)主管已經(jīng)打開了原來是完全封閉的手機一點點口子，比如在過去5年里面用戶和行業(yè)觀察家看到Java 和 BREW電話, 更令人振奮的是最近幾年的SymbianOS 和 Windows Mobile 5.0.上的本機應(yīng)用軟件層出不窮。

基于Linux的電話展示了未來一個在用戶空間可以編程的安全開放環(huán)境；而且它擁有一個具有優(yōu)秀的開發(fā)人員的完善的社區(qū)團隊。相信未來基于Linux的電話將是一個完全的開放平臺，但是目前的情況還不近人意，現(xiàn)在發(fā)行的Linux電話是基于一個內(nèi)核和許多OS的組件(像某個版本的Qt)，它們不是一個開放的設(shè)備。黑客不能(或者說非常不容易)自己構(gòu)造一個內(nèi)核，OS和應(yīng)用部件替代原來的系統(tǒng)(像大家以前做過的Linux PDA一樣)，甚至即使是在電話應(yīng)用上面增加一點功能。這些設(shè)備不能注冊登陸和讓用戶自己刷新，現(xiàn)在開啟這些Linux 電話大門只是Java。市場上有開放的Linux手機資源，一個項目是Harald Welte的 Open-EZX (www.open-ezx.org)。這個項目還處在一個早期階段，項目努力在構(gòu)造一個100%開放的電話軟件，支持像A780和E680的Motorola電話。項目的wiki (wiki.openezx.org)里面充滿如果使用Open-EZX可能不能正確的引導(dǎo)和失去正常功能的各種警告信息，但是這個項目的確包含了如何構(gòu)造和生成一個‘Shell’,以及交叉編譯這些有用的信息(因為A780和E680是基于Intel XScale 框架的 PXA 處理器)。

Motorola的首席電話框架師絕對是不支持這樣的努力， 原因是什么？主要是責(zé)任問題。電話用戶會擔(dān)心他們的電話網(wǎng)絡(luò)的完整性，安全性。當(dāng)然Motorola還擔(dān)心要支持?jǐn)?shù)百萬部電話以及他們可能的各種Open-EZX 軟件的分支版本, 這樣你就知道為什么叫“Open-EZX”了，因為像Motorola這樣的設(shè)備制造商是希望鼓勵社區(qū)的開發(fā)者在他們的平臺上作些擴展，他們只是希望這種擴展的道路沿著未來開放策略發(fā)展的軌跡。今天這個“Open-EZX”最可能有意義的是為ISV提供了一個SDK的開發(fā)環(huán)境。

希望不久的將來，通過教育和堅持不懈的努力，小心謹(jǐn)慎的網(wǎng)絡(luò)運營商和行業(yè)規(guī)劃者們將意識到移動電話是個計算平臺，而不只是個單功能的無線電設(shè)備。

結(jié)語

Linux 的電話正在走進千家萬戶，2006年中 Motorola中國公司繼A760,A780,E680后一款叫“明”的Linux手機以她亮麗的外觀，穩(wěn)定的平臺和軟件，新穎的功能為智能手機銷售歷史贏得了新的記錄和突破，更多本土和海外手機制造商和手機設(shè)計所 正在努力嘗試著Linux手機的設(shè)計，ZTE的E2，海爾的N60，E28的HAWK3等就是它們當(dāng)中的姣姣者。日本NTT DOCOMO電話公司最近宣布發(fā)表了最新的基于ARM11 N903i ，這是繼成功的N900i, N901i,  N902i后的又一款針對日本市場的3G 手機。無疑，亞洲是Linux 電話的重要舞臺和市場。OSDL MLI 的第一次成員會議選擇了中國召開，包括了Motorola、Montavista、Windriver、intel數(shù)十家成員和觀察員的OSDL大家庭聚會在2005年金秋的北京，筆者也看到包括大唐，華為，ZTE,龍旗在內(nèi)的中國手機制造和設(shè)計企業(yè)表現(xiàn)了極大的熱情和關(guān)注。OSDL MLI 通過會議的討論樹立了通過技術(shù)和經(jīng)濟層面的努力加快Linux 在電話領(lǐng)域發(fā)展的奮斗目標(biāo)。雖然Linux正在和將要面臨移動電話設(shè)計中的更多的技術(shù)和商業(yè)方面的挑戰(zhàn)，包括某些領(lǐng)先的手機設(shè)備制造商也懷疑Linux的成熟性，但是堅信依托Linux在電信服務(wù)器，通用的嵌入式系統(tǒng)的成功經(jīng)驗，豐富開源社區(qū)技術(shù)和商業(yè)人才，手機芯片公司，國際性的標(biāo)準(zhǔn)組織和電信運營商以及世界和亞洲政府鼎立支持和推動，Linux必將在移動電話領(lǐng)域發(fā)揮一個主導(dǎo)的作用。

參考文獻：
1.  Bill Weinberg, OSDL, Mobile Phones: The Embedded Linux Challenge，
2.  www.linuxdevices.com ,www.mvista.com,www.trolltech.com, www.bmrtech.com
3.  www.osdl.org/lab_activities/mobile_linux/mli
4. www.cpw.com.cn/article/2006-10/2006101792018599561.htm