摘要：Q2403A作為無線收發(fā)模塊、嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)的智能手機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該設(shè)計可以實現(xiàn)GSM語音通信、GPRS上網(wǎng)及PDA相關(guān)應(yīng)用軟件等功能，具有結(jié)構(gòu)清晰、易于開發(fā)等優(yōu)點。    

 關(guān)鍵詞：Linux 嵌入式系統(tǒng) 智能手機(jī)

隨著手持通信設(shè)備市場的快速發(fā)展，手機(jī)的功能逐漸增多?，F(xiàn)在手機(jī)已經(jīng)不只是用于語音通信的手持設(shè)備，而成為集成了短信、彩信、上網(wǎng)以及移動辦公等附加功能的嵌入式通信平臺。集成了這些功能的手機(jī)被稱為智能手機(jī)。近年，嵌入式處理器的運(yùn)行速度和功能都有了很大的提高，使得許多以前只能在PC上實現(xiàn)的應(yīng)用，現(xiàn)在都可以在手持設(shè)備上實現(xiàn)。目前，市面上的智能手機(jī)主要采用Microsoft公司的ocket PC、Palm OS等商用操作系統(tǒng)，但這些操作系統(tǒng)開放的程序不夠高，限制了許多第三方應(yīng)用軟件的移植。為使智能手機(jī)能夠為第三方應(yīng)用軟件提供一個更為開放的嵌入式平臺，筆者對智能手機(jī)系統(tǒng)做了比較深入的研究，提出一種以Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)、Motorola的MX1作為微處理器、以Wavecom的Q2403A作為射頻模塊的智能手機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 智能手機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計

智能手機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖1所示。該設(shè)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(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A/D轉(zhuǎn)換器（支持觸摸屏控制）、一個MMC/SD主機(jī)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(shè)計及開發(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

系統(tǒng)分析和軟件設(shè)計是智能手機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)的難點之一，設(shè)計的優(yōu)劣關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、擴(kuò)展性等。因為要兼顧到GSM語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)計就變得相對復(fù)雜。系統(tǒng)設(shè)計將軟件分為三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。最下面一層為操作系統(tǒng)層，主要實現(xiàn)對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)動程序。中間層為服務(wù)程序?qū)樱搶又饕℅UI服務(wù)器以及GSM/GPRS控制服務(wù)器。智能手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵在于各項功能應(yīng)用的實現(xiàn)。對智能手機(jī)軟件進(jìn)行分層設(shè)計，有利于各個功能有機(jī)地協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時也便于軟件的開發(fā)與調(diào)試。

2.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

Linux最初是由Linux Torvalds編寫及發(fā)布的源代碼公開、可免費(fèi)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(nèi)核高效穩(wěn)定、公開源代碼、可移植性、可裁減、支持多任務(wù)等。

    本設(shè)計中采用的Linux內(nèi)核是ARM-Linux基礎(chǔ)上，編寫符合硬件設(shè)計的引導(dǎo)程序及電源管理控制程序；并針對本系統(tǒng)的硬件設(shè)計，編寫了LCD、觸摸屏等硬件設(shè)計驅(qū)動程序。

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

2.2 服務(wù)程序的設(shè)計

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)計采用了客戶機(jī)/服務(wù)器模式，并以動態(tài)鏈接庫的形式對圖形設(shè)備接口進(jìn)行封裝，具體如圖3所示。

服務(wù)進(jìn)程與應(yīng)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(tǒng)GUI環(huán)境的描述信息，為應(yīng)用進(jìn)程提供注冊及一些計算任務(wù)，如計算當(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)程通過調(diào)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(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，所以雖然在動態(tài)庫中定義了相同的數(shù)據(jù)，但它們之間不會產(chǎn)生任何沖突。

    設(shè)計對動態(tài)庫中封裝的函數(shù)進(jìn)行了分層。其中直接針對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。因每次對一個窗口輸出的時都要首先建立設(shè)計上下文，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、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)用開發(fā)接口即API層，桌面進(jìn)程與客戶進(jìn)程都通過調(diào)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(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線通信模塊事件，是整個智能手機(jī)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(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

有了中間層的服務(wù)程序，上層應(yīng)用程序可以根據(jù)GUI Server及GSM/GPRS Server提供的接口進(jìn)行移植和開發(fā)。本設(shè)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(yīng)用等。下面以電話控制程序為例，介紹智能手機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計與實現(xiàn)。

    筆者將電話控制程序設(shè)計分為三個運(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表示了三個狀態(tài)之間的關(guān)系和進(jìn)入各個狀態(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的呼入事件及來自鍵盤的呼出事件；當(dāng)這些事件發(fā)生時，程序進(jìn)入Execution State(執(zhí)行態(tài))。在執(zhí)行態(tài)，用戶進(jìn)行語音通信，通話結(jié)束后，程序又回到空閑態(tài)。

本系統(tǒng)設(shè)計成功地應(yīng)用于實際工程項目中，其可行性和實用性已在實際應(yīng)用環(huán)境中得到檢驗。下一步，可將系統(tǒng)的CPU主頻進(jìn)一步提高，無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)計的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)更為廣泛的手持設(shè)備應(yīng)用。