基于嵌入式Linux的智能手機系統設計

1 智能手機系統的硬件設計

智能手機系統的硬件設計如圖1所示。該設計采用Motorol公司的MX1（MC9328）高性能的32位微處理器、Wavecom公司的Q2403A無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊等實(shí)現智能手機的GSM通話(huà)、GPRS上網(wǎng)及其它PDA應用等功能。

1.1 微處理器

系統采用的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)節電的ARM920T核心，速度最高可達200MHz。集成了LCD控制器、SRAM、USB接口、一個(gè)A/D轉換器（支持觸摸屏控制）、一個(gè)MMC/SD主機端控制器。256-pin的MPPBGA封裝。

1.2 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

系統采用WAVECOM公司的專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。它是雙頻GSM模塊（EGSM900/1800MHz），其設計及開(kāi)發(fā)符合ETSI GSM Phase 2+標準。具有話(huà)音、GSM電路數據/傳真、GPRS分組數據、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 其它外圍設備

智能手機的其它外圍設備還有LCD、Touch panel、Audio CODEC等。

2 智能手機系統的軟件設計

系統分析和軟件設計是智能手機系統實(shí)現的難點(diǎn)之一，設計的優(yōu)劣關(guān)系到系統的穩定性、擴展性等。因為要兼顧到GSM語(yǔ)音控制與其它智能手機應用之間的互相切換及關(guān)聯(lián)關(guān)系，智能手機軟件系統的設計就變得相對復雜。系統設計將軟件分為三層結構，如圖2所示。最下面一層為操作系統層，主要實(shí)現對Linux操作系統的移植，其中包括Bootloader引導程序、LCD等設備的驅動(dòng)程序。中間層為服務(wù)程序層，該層主要包括GUI服務(wù)器以及GSM/GPRS控制服務(wù)器。智能手機系統設計的關(guān)鍵在于各項功能應用的實(shí)現。對智能手機軟件進(jìn)行分層設計，有利于各個(gè)功能有機地協(xié)調運轉，同時(shí)也便于軟件的開(kāi)發(fā)與調試。

2.1 嵌入式Linux操作系統

Linux最初是由Linux Torvalds編寫(xiě)及發(fā)布的源代碼公開(kāi)、可免費使用的操作系統。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。其特點(diǎn)主要有：內核高效穩定、公開(kāi)源代碼、可移植性、可裁減、支持多任務(wù)等。

本設計中采用的Linux內核是ARM-Linux基礎上，編寫(xiě)符合硬件設計的引導程序及電源管理控制程序；并針對本系統的硬件設計，編寫(xiě)了LCD、觸摸屏等硬件設計驅動(dòng)程序。

智能手機基于Linux操作系統工作時(shí)，首先初始化CPU；然后加載各個(gè)設備驅動(dòng)程序，初始化存儲器及外圍設備；最后啟動(dòng)各服務(wù)程序，進(jìn)入待機狀態(tài)。

2.2 服務(wù)程序的設計

智能手機系統中的服務(wù)程序主要有GUI Server和GSM/GPRS Server，它們是上層應用賴(lài)以實(shí)現的基礎。

2.2.1 GUI Server

為使系統能夠很好地支持瀏覽器及MMS等界面復雜的應用，具有良好的可擴展性，本系統中的GUI Server設計采用了客戶(hù)機/服務(wù)器模式，并以動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式對圖形設備接口進(jìn)行封裝。

服務(wù)進(jìn)程與應用進(jìn)程之間采用Linux提供的消息隊列進(jìn)行通信。服務(wù)進(jìn)程保存系統GUI環(huán)境的描述信息，為應用進(jìn)程提供注冊及一些計算任務(wù)，如計算當前剪切域內容等。此外，還負責顯示桌面。應用程序的啟動(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)程和應用進(jìn)程通過(guò)調用動(dòng)態(tài)庫實(shí)現基本窗口顯示功能。其中窗口樹(shù)與剪切域都定義在動(dòng)態(tài)庫中，對于服務(wù)進(jìn)程或應用程序而言，它們是透明的，不需要進(jìn)行管理。因服務(wù)進(jìn)程與客戶(hù)進(jìn)程分別運行在不同的進(jìn)程空間中，所以雖然在動(dòng)態(tài)庫中定義了相同的數據，但它們之間不會(huì )產(chǎn)生任何沖突。

設計對動(dòng)態(tài)庫中封裝的函數進(jìn)行了分層。其中直接針對Framebuffer進(jìn)行輸出的函數位于系統最低層，其上是設備上下文。因每次對一個(gè)窗口輸出的時(shí)都要首先建立設計上下文，所以設備上下文總可以引用窗體結構，自然也可以引用到窗口剪切域，在剪切域范圍內才可以進(jìn)行輸出。

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

圖形設備接口的上層是應用開(kāi)發(fā)接口即API層，桌面進(jìn)程與客戶(hù)進(jìn)程都通過(guò)調用API函數實(shí)現系統功能。

另外，系統建立了輸入的抽象層，屏蔽了不同輸入設備。

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(huà)、短信及數據業(yè)務(wù)的守護進(jìn)程，負責響應應用程序轉發(fā)的用戶(hù)操作事件及從串口的獲得的無(wú)線(xiàn)通信模塊事件，是整個(gè)智能手機系統的核心。在這部分的工作中要實(shí)現多鏈路的數據通信、事件優(yōu)先級判別，并在執行數據通信時(shí)，保證電話(huà)、短信的接入。具體程序設備結構如圖4所示。

2．3 智能手機系統中的應用程序設計

有了中間層的服務(wù)程序，上層應用程序可以根據G UI Server及GSM/GPRS Server提供的接口進(jìn)行移植和開(kāi)發(fā)。本設計中實(shí)現了電話(huà)控制程序、短信收發(fā)的管理及數據精力的應用等。下面以電話(huà)控制程序為例，介紹智能手機應用程序的設計與實(shí)現。

筆者將電話(huà)控制程序設計分為三個(gè)運行態(tài)：PowerOn State(上電態(tài))、Idle State(空閑態(tài))、Execution State(執行態(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(huà)控制程序在智能手機系統上電復位、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；當這些事件發(fā)生時(shí)，程序進(jìn)入Execution State(執行態(tài))。在執行態(tài)，用戶(hù)進(jìn)行語(yǔ)音通信，通話(huà)結束后，程序又回到空閑態(tài)。

本系統設計成功地應用于實(shí)際工程項目中，其可行性和實(shí)用性已在實(shí)際應用環(huán)境中得到檢驗。下一步，可將系統的CPU主頻進(jìn)一步提高，無(wú)線(xiàn)通信模塊也可換成符合3G標準的。這樣，就可以在本系統設計的基礎上，實(shí)現更為廣泛的手持設備應用。