移動(dòng)電話(huà)挑戰嵌入式Linux

摘要： 正當移動(dòng)電話(huà)制造商(OEM)擁抱Linux作為下一代智能電話(huà)的平臺的時(shí)候，開(kāi)發(fā)和布置這樣的設備還在面臨著(zhù)技術(shù)上的挑戰，特別是OEM們必須保證電話(huà)具有電源管理，快速引導，集成的無(wú)線(xiàn)接口，先進(jìn)的多媒體功能，吸引人的小尺寸GUI以及各種PIM應用－而且所有的這些全部集成和運行在一個(gè)適度的手機儲存空間里面。這也是嵌入式Linux 開(kāi)發(fā)者所面臨的挑戰，不同于PC，電話(huà)設計并不是建立在一個(gè)標準的系統上面。文章詳細闡述了基于Linux的移動(dòng)電話(huà)開(kāi)發(fā)的各種技術(shù)問(wèn)題，涉及到關(guān)鍵的Linux技術(shù)和支持電話(huà)開(kāi)發(fā)開(kāi)源項目的可用性和成熟性。另外，文章還討論了移動(dòng)運營(yíng)商提出的技術(shù)和經(jīng)濟層面的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： Linux 電話(huà)；電源管理；智能手機；實(shí)時(shí)性

全球移動(dòng)電話(huà)的市場(chǎng)正在爆炸性的增長(cháng)，分析機構 IDC 2005年Q2的報告中指出，手機市場(chǎng)增長(cháng)了近34％，全球語(yǔ)音和數據網(wǎng)絡(luò )中，近7億部手機正在OEM工廠(chǎng)設計和生產(chǎn)，很快將進(jìn)入百姓的手中，分析公司Gartner 預測到2009年，全球移動(dòng)電話(huà)的安裝數量將達到26億部。 對于以L(fǎng)inux為中心的IT工業(yè)而言,這些數字相對于Linux的發(fā)貨和服務(wù)器的安裝,即使是全球的桌面市場(chǎng)的數量也是巨大的。這樣的移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)即代表了一個(gè)爆炸性增長(cháng)的機會(huì )也表示了它在終端市場(chǎng)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 的設備市場(chǎng)的一個(gè)很好的補充。
　　　
為什么是Linux和無(wú)處不在的Linux?

在過(guò)去3年Linux 作為移動(dòng)電話(huà)的OS平臺已經(jīng)取得了相當大的收獲。OEM 如LG、 摩托羅拉、 NEC、 松下 和三星已經(jīng)銷(xiāo)售了20余款 Linux 電話(huà),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(kāi)始銷(xiāo)售基于Linux 的無(wú)線(xiàn)VoIP 終端。無(wú)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,標準的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(kāi)發(fā)和布置成本,更多的供應商或者自己開(kāi)發(fā)的方案, Linux還可以給OEM 們一個(gè)廣泛開(kāi)發(fā)的商業(yè)技術(shù)生態(tài)環(huán)境和一個(gè)可能的機會(huì ) ——統一的產(chǎn)品線(xiàn)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(mén)級手機),多種網(wǎng)絡(luò )制式(GSM, CDMA, WCMDA 和Wi-Fi)以及運營(yíng)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(huà)的數量已經(jīng)達到市場(chǎng)總量的1-2%，在智能手機這個(gè)快速增長(cháng)的領(lǐng)域里L(fēng)inux 正在占據著(zhù)一個(gè)強有力的位置，智能手機的市場(chǎng)份額正以每年85%的速度增長(cháng)，而Linux 有25%的市場(chǎng)份額(Gartner2005年的數據)，遠遠領(lǐng)先Windows Mobile，只比Symbian OS 落后一個(gè)百分點(diǎn)。

　　　
電話(huà)的分類(lèi)

劃分電話(huà)的類(lèi)型不是一個(gè)精確的科學(xué)過(guò)程，甚至也不是一個(gè)準確的市場(chǎng)活動(dòng)。某些功能電話(huà)的顯著(zhù)特點(diǎn)(如email，圖像處理)已經(jīng)是今天各種價(jià)格的電話(huà)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(gè)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，在假期結束以后已經(jīng)淪為可以作為禮品的入門(mén)手機了，而且它們可能只有從春天到夏天的一個(gè)季節生命周期。

智能手機的陷阱

相比把開(kāi)源的OS放在一個(gè)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(jià)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(shí)現多媒體、顯示和射頻基帶(RF)等電話(huà)的關(guān)鍵功能。一般情況下智能手機的應用OS(Linux，Windows Mobile等)是運行在一個(gè)專(zhuān)門(mén)的應用處理器上，同時(shí)另外的一個(gè)CPU 和DSP處理語(yǔ)音，多媒體和RF功能。智能手機的購買(mǎi)者是典型的成熟用戶(hù)，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(lái)的電池消耗等問(wèn)題更有相當的寬容度。

然而到目前為止智能手機只占整個(gè)手機市場(chǎng)的6％，如果Linux開(kāi)發(fā)者真正希望進(jìn)入廣闊的手機市場(chǎng)，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(wú)法和智能手機賽跑，硬件方面也無(wú)法和智能手機相比，一個(gè)低成本的BOM 意味著(zhù)運行在應用處理器上的Linux 不得不面對所有的語(yǔ)音，數據，RF和圖形任務(wù)。一個(gè)運行在0~200MHz的單芯片CPU 的Linux電話(huà)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(huì )團體和各國政府正在幫助縮小全球數字化的鴻溝，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(kāi)發(fā)的電話(huà)(可以認為是個(gè)瘦Ubuntu：一種時(shí)下流行開(kāi)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(gè)也許是“免費的” Linux 電話(huà)了。

隨著(zhù)時(shí)間的流失，中端甚至低端電話(huà)的硬件都可以滿(mǎn)足Linux 的要求，但是同時(shí)這些手機的利潤也變得越來(lái)越薄。過(guò)去10余年電池技術(shù)不能以一個(gè)適度的速度提升，這就意味著(zhù)應用不能和時(shí)鐘的提速相匹配。所以如果Linux電話(huà)要跳出智能手機的桎梏，它必須采用新的功能并改進(jìn)和合并許多現有的功能以應對面臨的挑戰。
　　　
技術(shù)挑戰

開(kāi)放軟件開(kāi)發(fā)試驗室(OSDL.org)最近發(fā)起了新的行動(dòng)計劃－MLI(Mobile Linux Initiative)，目的是培養和支持Linux 在手機中的應用。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(wèn)題來(lái)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商。

電源管理

今天，如果便攜式設備制造商想要提供一個(gè)基于Linux和有電源管理的設備，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的電源管理，如ACPI和APM，在內核的郵件列表中關(guān)于桌面電源管理的討論確實(shí)也是最多的，非x86/IA-32 結構的筆記本硬件，OEM可以使用針對蘋(píng)果PowerPC 的PMU。 嵌入式的OEM如果是使用ARM授權的芯片可以借助ARM公司的LEM框架，或者10余家ARM授權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授權芯片公司，Freescale，IBM Power 框架，Renesas 和 Hitachi產(chǎn)品線(xiàn)也有自己的更加獨特的電源管理協(xié)議和方法。OEM當然可以選擇像MontaVista 的 DPM和其他嵌入式Linux供應商的方案。選擇當然是一件好的事情，但是太多的選擇會(huì )導致方案支離破碎的狀況和應用缺少可再用性。應對電源管理的問(wèn)題，OSDL MLI的成員和工業(yè)界已經(jīng)表達了一種愿望，即一個(gè)統一的，跨處理器平臺的電源管理途徑，或者一個(gè)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構。

無(wú)線(xiàn)電接口

今天的Linux智能手機中，GPRS接口是被集成在一個(gè)調制解調器里面，它包含一個(gè)CPU核，DSP和支持無(wú)線(xiàn)通訊的RF硬件。很像一個(gè)調制解調器——許多智能手機和這些嵌入式處理器是通過(guò)一個(gè)串口上的AT命令進(jìn)行通訊的。這種靠卸載無(wú)線(xiàn)電功能來(lái)簡(jiǎn)化智能手機設計的方法是可行的，但是這將會(huì )進(jìn)一步增加整個(gè)手機的成本。今天，一些富有經(jīng)驗的設計已經(jīng)去掉了調制解調器，把基帶接口開(kāi)放給了應用處理器(像目前中低端的手機使用Nucleus這種情況)，但是這樣會(huì )給即使是最新Linux的實(shí)時(shí)性技術(shù)(搶占和開(kāi)源的實(shí)時(shí)補?。旅孢€會(huì )提到)帶來(lái)相當的壓力。GSM或者CMDA無(wú)線(xiàn)協(xié)議信令幀大約是800~900微秒的時(shí)間，如果是X86/IA-32 或者是PowerPC處理器一般都是500MHz 到1.5GHz CPU 時(shí)鐘, 一個(gè)毫秒以?xún)鹊淖顗那闆r的響應是很容易到達的，但是如果是處理器時(shí)鐘在0~200MHz，的ARM CPU，基于Linux的硬實(shí)時(shí)的中端響應和搶占延遲仍然是具有挑戰的。另外的一個(gè)挑戰的領(lǐng)域是把已經(jīng)非常成熟的電話(huà)協(xié)議棧移植到Linux上，這種軟件是基于傳統的RTOS開(kāi)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(xiàn)程切換技術(shù)實(shí)現的，如果移植到Linux可能會(huì )在層和層之間增加20~30微秒切換延遲,這樣只是穿越一個(gè)單包的協(xié)議棧就消耗了計算時(shí)間的很大的部分，留給其他任務(wù)的CPU時(shí)間就很少了。所以，如果Linux要想進(jìn)入中低端手機的設計領(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(gè)重要的問(wèn)題。

實(shí)時(shí)性

在過(guò)去的5年中，Linux已經(jīng)在向自身實(shí)時(shí)性改善的方向發(fā)展并取得了長(cháng)足的進(jìn)步。今天Linux已經(jīng)具備了本身的實(shí)時(shí)性選擇，包括搶占內核，0(1) 調度，FUTEXes 和最近的開(kāi)源的實(shí)時(shí)Linux項目－現在已經(jīng)合并到由Ingo Molnar維護的搶占補丁里面了。同時(shí)還有雙內核和虛擬計算的技術(shù)，像RTLinux， RTAI，Adeos和未公開(kāi)的Jaluna Osware。實(shí)現把一個(gè)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(shí)時(shí)項目和技術(shù)，如L4 Micokernel 和L4 Linux 等。OSDL MLI 的成員和社區更愿意接受和喜歡Linux本身的實(shí)時(shí)性改善的實(shí)時(shí)方案，為了支持Linux直接面對RF處理器，多媒體和語(yǔ)音處理，多數人認為L(cháng)inux應該繼續像RTOS 一樣在實(shí)時(shí)響應方面發(fā)展。在移動(dòng)電話(huà)的設計中，為了減少電池消耗，系統時(shí)鐘可能從200MHz降低到40MHz (甚至0Mhz)后再回升回去以響應系統的策略和外設輸入的要求，這些動(dòng)作產(chǎn)生的切換要求Linux必須有足夠的響應能力和時(shí)限保證。

小尺寸

今天智能手機出廠(chǎng)的時(shí)候已經(jīng)有了128MB的FLASH 和64MB的RAM，然而作為一個(gè)電話(huà)的OS需要為在有限的存儲器里尋找節省每個(gè)字節而努力。OS和中間件占掉的每個(gè)字節都不能為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(shí)際電話(huà)的配置中卻大的多。嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員，平臺提供商和Linux 內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(yíng)商的新需求

電話(huà)制造商雖然希望按照自己的想象進(jìn)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計和生產(chǎn)一個(gè)電話(huà)，取而待之的是他們必須遵循他們的用戶(hù)－移動(dòng)運營(yíng)商(像Cingular, 沃達豐 ,中國移動(dòng)等)的要求和規范去做事，這些無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)企業(yè)公司，他們多數是本國政府嚴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)去管理和規范市場(chǎng)，移動(dòng)電話(huà)是這個(gè)系統中的一個(gè)重要組成部分和單元。
 
每個(gè)國家的政府，尤其是美國政府對無(wú)線(xiàn)電頻譜都進(jìn)行嚴格的管理和控制，美國的聯(lián)邦通訊委員會(huì )(FCC)拍賣(mài)和發(fā)放無(wú)線(xiàn)頻譜和管理帶寬，信號強度，安全和內容。雖然個(gè)別國家和地區協(xié)會(huì )趨向于開(kāi)放和免費使用無(wú)線(xiàn)頻率。

負責政策和規則制定的移動(dòng)運營(yíng)商完全可以體會(huì )到開(kāi)放的設備結構帶來(lái)的問(wèn)題，運營(yíng)商并不是完全反對開(kāi)放， 只是會(huì )更多的考慮到如何安全的布置增值服務(wù)和管理問(wèn)題。協(xié)調在技術(shù)層面建立一個(gè)完善開(kāi)放環(huán)境和一個(gè)有限制的API 接口，當然還有著(zhù)更多的政策和法規的討論，設備制造商，電話(huà)的開(kāi)發(fā)者和行業(yè)主管已經(jīng)打開(kāi)了原來(lái)是完全封閉的手機一點(diǎn)點(diǎn)口子，比如在過(guò)去5年里面用戶(hù)和行業(yè)觀(guān)察家看到Java 和 BREW電話(huà), 更令人振奮的是最近幾年的SymbianOS 和 Windows Mobile 5.0.上的本機應用軟件層出不窮。

基于Linux的電話(huà)展示了未來(lái)一個(gè)在用戶(hù)空間可以編程的安全開(kāi)放環(huán)境；而且它擁有一個(gè)具有優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)人員的完善的社區團隊。相信未來(lái)基于Linux的電話(huà)將是一個(gè)完全的開(kāi)放平臺，但是目前的情況還不近人意，現在發(fā)行的Linux電話(huà)是基于一個(gè)內核和許多OS的組件(像某個(gè)版本的Qt)，它們不是一個(gè)開(kāi)放的設備。黑客不能(或者說(shuō)非常不容易)自己構造一個(gè)內核，OS和應用部件替代原來(lái)的系統(像大家以前做過(guò)的Linux PDA一樣)，甚至即使是在電話(huà)應用上面增加一點(diǎn)功能。這些設備不能注冊登陸和讓用戶(hù)自己刷新，現在開(kāi)啟這些Linux 電話(huà)大門(mén)只是Java。市場(chǎng)上有開(kāi)放的Linux手機資源，一個(gè)項目是Harald Welte的 Open-EZX (www.open-ezx.org)。這個(gè)項目還處在一個(gè)早期階段，項目努力在構造一個(gè)100%開(kāi)放的電話(huà)軟件，支持像A780和E680的Motorola電話(huà)。項目的wiki (wiki.openezx.org)里面充滿(mǎn)如果使用Open-EZX可能不能正確的引導和失去正常功能的各種警告信息，但是這個(gè)項目的確包含了如何構造和生成一個(gè)‘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(huà)框架師絕對是不支持這樣的努力， 原因是什么？主要是責任問(wèn)題。電話(huà)用戶(hù)會(huì )擔心他們的電話(huà)網(wǎng)絡(luò )的完整性，安全性。當然Motorola還擔心要支持數百萬(wàn)部電話(huà)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這樣的設備制造商是希望鼓勵社區的開(kāi)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(zhù)未來(lái)開(kāi)放策略發(fā)展的軌跡。今天這個(gè)“Open-EZX”最可能有意義的是為ISV提供了一個(gè)SDK的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

希望不久的將來(lái)，通過(guò)教育和堅持不懈的努力，小心謹慎的網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商和行業(yè)規劃者們將意識到移動(dòng)電話(huà)是個(gè)計算平臺，而不只是個(gè)單功能的無(wú)線(xiàn)電設備。

結語(yǔ)

Linux 的電話(huà)正在走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，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(guān)，穩定的平臺和軟件，新穎的功能為智能手機銷(xiāo)售歷史贏(yíng)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計所 正在努力嘗試著(zhù)Linux手機的設計，ZTE的E2，海爾的N60，E28的HAWK3等就是它們當中的姣姣者。日本NTT DOCOMO電話(huà)公司最近宣布發(fā)表了最新的基于A(yíng)RM11 N903i ，這是繼成功的N900i, N901i,  N902i后的又一款針對日本市場(chǎng)的3G 手機。無(wú)疑，亞洲是Linux 電話(huà)的重要舞臺和市場(chǎng)。OSDL MLI 的第一次成員會(huì )議選擇了中國召開(kāi)，包括了Motorola、Montavista、Windriver、intel數十家成員和觀(guān)察員的OSDL大家庭聚會(huì )在2005年金秋的北京，筆者也看到包括大唐，華為，ZTE,龍旗在內的中國手機制造和設計企業(yè)表現了極大的熱情和關(guān)注。OSDL MLI 通過(guò)會(huì )議的討論樹(shù)立了通過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟層面的努力加快Linux 在電話(huà)領(lǐng)域發(fā)展的奮斗目標。雖然Linux正在和將要面臨移動(dòng)電話(huà)設計中的更多的技術(shù)和商業(yè)方面的挑戰，包括某些領(lǐng)先的手機設備制造商也懷疑Linux的成熟性，但是堅信依托Linux在電信服務(wù)器，通用的嵌入式系統的成功經(jīng)驗，豐富開(kāi)源社區技術(shù)和商業(yè)人才，手機芯片公司，國際性的標準組織和電信運營(yíng)商以及世界和亞洲政府鼎立支持和推動(dòng)，Linux必將在移動(dòng)電話(huà)領(lǐng)域發(fā)揮一個(gè)主導的作用。

參考文獻：
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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