基于嵌入式Linux的智能手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 智能手機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能手機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。該設(shè)計(jì)采用Motorol公司的MX1（MC9328）高性能的32位微處理器、Wavecom公司的Q2403A無(wú)線收發(fā)模塊等實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)的GSM通話、GPRS上網(wǎng)及其它PDA應(yīng)用等功能。

1.1 微處理器

系統(tǒng)采用的MC9328 MX1微處理器是最新推出的Motorola DragonBall系列微處理器。它采用先進(jìn)節(jié)電的ARM920T核心，速度最高可達(dá)200MHz。集成了LCD控制器、SRAM、USB接口、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器（支持觸摸屏控制）、一個(gè)MMC/SD主機(jī)端控制器。256-pin的MPPBGA封裝。

1.2 無(wú)線收發(fā)模塊

系統(tǒng)采用WAVECOM公司的專用無(wú)線收發(fā)模塊。它是雙頻GSM模塊（EGSM900/1800MHz），其設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)。具有話音、GSM電路數(shù)據(jù)/傳真、GPRS分組數(shù)據(jù)、短消息等功能。該模塊支持AT指令集，通過(guò)RS232與MX1通信。

1．3 其它外圍設(shè)備

智能手機(jī)的其它外圍設(shè)備還有LCD、Touch panel、Audio CODEC等。

2 智能手機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分析和軟件設(shè)計(jì)是智能手機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)之一，設(shè)計(jì)的優(yōu)劣關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、擴(kuò)展性等。因?yàn)橐骖櫟紾SM語(yǔ)音控制與其它智能手機(jī)應(yīng)用之間的互相切換及關(guān)聯(lián)關(guān)系，智能手機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就變得相對(duì)復(fù)雜。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將軟件分為三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。最下面一層為操作系統(tǒng)層，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)Linux操作系統(tǒng)的移植，其中包括Bootloader引導(dǎo)程序、LCD等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。中間層為服務(wù)程序?qū)?，該層主要包括GUI服務(wù)器以及GSM/GPRS控制服務(wù)器。智能手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于各項(xiàng)功能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。對(duì)智能手機(jī)軟件進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，有利于各個(gè)功能有機(jī)地協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也便于軟件的開(kāi)發(fā)與調(diào)試。

2.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

Linux最初是由Linux Torvalds編寫(xiě)及發(fā)布的源代碼公開(kāi)、可免費(fèi)使用的操作系統(tǒng)。后來(lái)，又通過(guò)Internet上成百上千的程序員的加入，使Linux成為一個(gè)幾乎支持所有主流32位CPU的操作系統(tǒng)。其特點(diǎn)主要有：內(nèi)核高效穩(wěn)定、公開(kāi)源代碼、可移植性、可裁減、支持多任務(wù)等。

本設(shè)計(jì)中采用的Linux內(nèi)核是ARM-Linux基礎(chǔ)上，編寫(xiě)符合硬件設(shè)計(jì)的引導(dǎo)程序及電源管理控制程序；并針對(duì)本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，編寫(xiě)了LCD、觸摸屏等硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序。

智能手機(jī)基于Linux操作系統(tǒng)工作時(shí)，首先初始化CPU；然后加載各個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，初始化存儲(chǔ)器及外圍設(shè)備；最后啟動(dòng)各服務(wù)程序，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

2.2 服務(wù)程序的設(shè)計(jì)

智能手機(jī)系統(tǒng)中的服務(wù)程序主要有GUI Server和GSM/GPRS Server，它們是上層應(yīng)用賴以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

2.2.1 GUI Server

為使系統(tǒng)能夠很好地支持瀏覽器及MMS等界面復(fù)雜的應(yīng)用，具有良好的可擴(kuò)展性，本系統(tǒng)中的GUI Server設(shè)計(jì)采用了客戶機(jī)/服務(wù)器模式，并以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式對(duì)圖形設(shè)備接口進(jìn)行封裝。

服務(wù)進(jìn)程與應(yīng)用進(jìn)程之間采用Linux提供的消息隊(duì)列進(jìn)行通信。服務(wù)進(jìn)程保存系統(tǒng)GUI環(huán)境的描述信息，為應(yīng)用進(jìn)程提供注冊(cè)及一些計(jì)算任務(wù)，如計(jì)算當(dāng)前剪切域內(nèi)容等。此外，還負(fù)責(zé)顯示桌面。應(yīng)用程序的啟動(dòng)后，首先與服務(wù)進(jìn)程建立連接并進(jìn)行交互，將自身的一些描述信息發(fā)送到服務(wù)進(jìn)程。

服務(wù)進(jìn)程和應(yīng)用進(jìn)程通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)實(shí)現(xiàn)基本窗口顯示功能。其中窗口樹(shù)與剪切域都定義在動(dòng)態(tài)庫(kù)中，對(duì)于服務(wù)進(jìn)程或應(yīng)用程序而言，它們是透明的，不需要進(jìn)行管理。因服務(wù)進(jìn)程與客戶進(jìn)程分別運(yùn)行在不同的進(jìn)程空間中，所以雖然在動(dòng)態(tài)庫(kù)中定義了相同的數(shù)據(jù)，但它們之間不會(huì)產(chǎn)生任何沖突。

設(shè)計(jì)對(duì)動(dòng)態(tài)庫(kù)中封裝的函數(shù)進(jìn)行了分層。其中直接針對(duì)Framebuffer進(jìn)行輸出的函數(shù)位于系統(tǒng)最低層，其上是設(shè)備上下文。因每次對(duì)一個(gè)窗口輸出的時(shí)都要首先建立設(shè)計(jì)上下文，所以設(shè)備上下文總可以引用窗體結(jié)構(gòu)，自然也可以引用到窗口剪切域，在剪切域范圍內(nèi)才可以進(jìn)行輸出。

圖形設(shè)備接口建立在設(shè)備上下文之上，主要包括點(diǎn)、線、面、文本等。如上文所述，輸出之前，首先建立設(shè)備上下文，即其輸出的目標(biāo)是設(shè)備上下文，而不是窗口。

圖形設(shè)備接口的上層是應(yīng)用開(kāi)發(fā)接口即API層，桌面進(jìn)程與客戶進(jìn)程都通過(guò)調(diào)用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

另外，系統(tǒng)建立了輸入的抽象層，屏蔽了不同輸入設(shè)備。

2.2.2 GSM/GPRS Server多工通信服務(wù)器軟件

GSM/GPRS Server多工通信服務(wù)器軟件是電話、短信及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的守護(hù)進(jìn)程，負(fù)責(zé)響應(yīng)應(yīng)用程序轉(zhuǎn)發(fā)的用戶操作事件及從串口的獲得的無(wú)線通信模塊事件，是整個(gè)智能手機(jī)系統(tǒng)的核心。在這部分的工作中要實(shí)現(xiàn)多鏈路的數(shù)據(jù)通信、事件優(yōu)先級(jí)判別，并在執(zhí)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，保證電話、短信的接入。具體程序設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2．3 智能手機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

有了中間層的服務(wù)程序，上層應(yīng)用程序可以根據(jù)G UI Server及GSM/GPRS Server提供的接口進(jìn)行移植和開(kāi)發(fā)。本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了電話控制程序、短信收發(fā)的管理及數(shù)據(jù)精力的應(yīng)用等。下面以電話控制程序?yàn)槔榻B智能手機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

筆者將電話控制程序設(shè)計(jì)分為三個(gè)運(yùn)行態(tài)：PowerOn State(上電態(tài))、Idle State(空閑態(tài))、Execution State(執(zhí)行態(tài))。圖5表示了三個(gè)狀態(tài)之間的關(guān)系和進(jìn)入各個(gè)狀態(tài)的條件。

電話控制程序在智能手機(jī)系統(tǒng)上電復(fù)位、GSM/GPRS Server啟動(dòng)后，進(jìn)入Power-on State(上電態(tài))。在上電態(tài)，程序首先進(jìn)行初始化工作，與GSM/GPRS Server通信，獲得系統(tǒng)狀態(tài)。初始化后，即進(jìn)入Idle State(空閑態(tài))。在空閑態(tài)，程序循環(huán)等待GSM/GPRS Server的呼入事件及來(lái)自鍵盤(pán)的呼出事件；當(dāng)這些事件發(fā)生時(shí)，程序進(jìn)入Execution State(執(zhí)行態(tài))。在執(zhí)行態(tài)，用戶進(jìn)行語(yǔ)音通信，通話結(jié)束后，程序又回到空閑態(tài)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功地應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，其可行性和實(shí)用性已在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中得到檢驗(yàn)。下一步，可將系統(tǒng)的CPU主頻進(jìn)一步提高，無(wú)線通信模塊也可換成符合3G標(biāo)準(zhǔn)的。這樣，就可以在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更為廣泛的手持設(shè)備應(yīng)用。