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

 關鍵詞：Linux 嵌入式系統(tǒng) 智能手機

隨著手持通信設備市場的快速發(fā)展，手機的功能逐漸增多?，F(xiàn)在手機已經(jīng)不只是用于語音通信的手持設備，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被稱為智能手機。近年，嵌入式處理器的運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)的應用，現(xiàn)在都可以在手持設備上實現(xiàn)。目前，市面上的智能手機主要采用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用軟件的移植。為使智能手機能夠為第三方應用軟件提供一個更為開放的嵌入式平臺，筆者對智能手機系統(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系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。

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(nèi)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(nèi)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，具體如圖3所示。

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(nèi)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(chǎn)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(nèi)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)GUI 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。