基于嵌入式Linux的智能手機系統(tǒng)設計

1 智能手機系統(tǒng)的硬件設計

智能手機系統(tǒng)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無線收發(fā)模塊等實現(xiàn)智能手機的GSM通話、GPRS上網(wǎng)及其它PDA應用等功能。

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。它采用先進節(jié)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A/D轉換器（支持觸摸屏控制）、一個MMC/SD主機端控制器。256-pin的MPPBGA封裝。

1.2 無線收發(fā)模塊

系統(tǒng)采用WAVECOM公司的專用無線收發(fā)模塊。它是雙頻GSM模塊（EGSM900/1800MHz），其設計及開發(fā)符合ETSI GSM Phase 2+標準。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(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)分析和軟件設計是智能手機系統(tǒng)實現(xiàn)的難點之一，設計的優(yōu)劣關系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、擴展性等。因為要兼顧到GSM語音控制與其它智能手機應用之間的互相切換及關聯(lián)關系，智能手機軟件系統(tǒng)的設計就變得相對復雜。系統(tǒng)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(tǒng)層，主要實現(xiàn)對Linux操作系統(tǒng)的移植，其中包括Bootloader引導程序、LCD等設備的驅動程序。中間層為服務程序層，該層主要包括GUI服務器以及GSM/GPRS控制服務器。智能手機系統(tǒng)設計的關鍵在于各項功能應用的實現(xiàn)。對智能手機軟件進行分層設計，有利于各個功能有機地協(xié)調運轉，同時也便于軟件的開發(fā)與調試。

2.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

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

本設計中采用的Linux內核是ARM-Linux基礎上，編寫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(tǒng)的硬件設計，編寫了LCD、觸摸屏等硬件設計驅動程序。

智能手機基于Linux操作系統(tǒng)工作時，首先初始化CPU；然后加載各個設備驅動程序，初始化存儲器及外圍設備；最后啟動各服務程序，進入待機狀態(tài)。

2.2 服務程序的設計

智能手機系統(tǒng)中的服務程序主要有GUI Server和GSM/GPRS Server，它們是上層應用賴以實現(xiàn)的基礎。

2.2.1 GUI Server

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

服務進程與應用進程之間采用Linux提供的消息隊列進行通信。服務進程保存系統(tǒng)GUI環(huán)境的描述信息，為應用進程提供注冊及一些計算任務，如計算當前剪切域內容等。此外，還負責顯示桌面。應用程序的啟動后，首先與服務進程建立連接并進行交互，將自身的一些描述信息發(fā)送到服務進程。

服務進程和應用進程通過調用動態(tài)庫實現(xiàn)基本窗口顯示功能。其中窗口樹與剪切域都定義在動態(tài)庫中，對于服務進程或應用程序而言，它們是透明的，不需要進行管理。因服務進程與客戶進程分別運行在不同的進程空間中，所以雖然在動態(tài)庫中定義了相同的數(shù)據(jù)，但它們之間不會產生任何沖突。

設計對動態(tài)庫中封裝的函數(shù)進行了分層。其中直接針對Framebuffer進行輸出的函數(shù)位于系統(tǒng)最低層，其上是設備上下文。因每次對一個窗口輸出的時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行輸出。

圖形設備接口建立在設備上下文之上，主要包括點、線、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發(fā)接口即API層，桌面進程與客戶進程都通過調用API函數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

另外，系統(tǒng)建立了輸入的抽象層，屏蔽了不同輸入設備。

2.2.2 GSM/GPRS Server多工通信服務器軟件

GSM/GPRS Server多工通信服務器軟件是電話、短信及數(shù)據(jù)業(yè)務的守護進程，負責響應應用程序轉發(fā)的用戶操作事件及從串口的獲得的無線通信模塊事件，是整個智能手機系統(tǒng)的核心。在這部分的工作中要實現(xiàn)多鏈路的數(shù)據(jù)通信、事件優(yōu)先級判別，并在執(zhí)行數(shù)據(jù)通信時，保證電話、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(tǒng)中的應用程序設計

有了中間層的服務程序，上層應用程序可以根據(jù)G UI Server及GSM/GPRS Server提供的接口進行移植和開發(fā)。本設計中實現(xiàn)了電話控制程序、短信收發(fā)的管理及數(shù)據(jù)精力的應用等。下面以電話控制程序為例，介紹智能手機應用程序的設計與實現(xiàn)。

筆者將電話控制程序設計分為三個運行態(tài)：PowerOn State(上電態(tài))、Idle State(空閑態(tài))、Execution State(執(zhí)行態(tài))。圖5表示了三個狀態(tài)之間的關系和進入各個狀態(tài)的條件。

電話控制程序在智能手機系統(tǒng)上電復位、GSM/GPRS Server啟動后，進入Power-on State(上電態(tài))。在上電態(tài)，程序首先進行初始化工作，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的呼入事件及來自鍵盤的呼出事件；當這些事件發(fā)生時，程序進入Execution State(執(zhí)行態(tài))。在執(zhí)行態(tài)，用戶進行語音通信，通話結束后，程序又回到空閑態(tài)。

本系統(tǒng)設計成功地應用于實際工程項目中，其可行性和實用性已在實際應用環(huán)境中得到檢驗。下一步，可將系統(tǒng)的CPU主頻進一步提高，無線通信模塊也可換成符合3G標準的。這樣，就可以在本系統(tǒng)設計的基礎上，實現(xiàn)更為廣泛的手持設備應用。