手机操作系统介绍

一、Windows Mobile系列手机操作系统 Windows mobile 系列操作系统是在微软计算机的Windows操作系统上变化而来的，因此，它们的操作界面非常相似，熟悉计算机Windows系列操作系统的朋友一看到Windows Mobile系列的操作系统就一般会认得它是出于微软之手。Windows Mobile系列操作系统具有功能更强大，多数具备了音频、视频文件播放、上网冲浪、MSN聊天、电子邮件收发等功能。而且，支持该操作系统的智能手机多数都采用了英特尔嵌入式处理器，主频比较高，另外，采用该操作系统的智能手机在其它硬件配置（如内存、储存卡容量等）上也较采用其它操作系统的智能手机要高出许多，因此性能比较强劲，操作起来速度会比较快。但是，此系列手机也有一定的缺点，如因配置高、功能多而产生耗电量大、电池续航时间短、硬件采用成本高等缺点。Windows Mobile系列操作系统包括Smart Phone以及Pocket PC Phone两种平台。Pocket PC phone主要用于掌上电脑型的智能手机，而SmartPhone则主要为单手智能手机提供操作系统。 (1) SmartPhone操作系统 Microsoft Smartphone是微软基于Microsoft Windows CE内核开发的、为智能手机提供的一种操作系统，与使用手写笔来进行操作的智能手机不同的是，基于该操作系统的手机无需借助手写笔，只需用手机提供的键盘就能完成几乎所有的操作，因此，使用该操作系统的手机用户只需一只手操作即可。基于Smartphone操作系统的智能手机与其它微软操作系统的智能手机在功能上并没有很大区别，多数具有MP3播放、MSN聊天、电子邮件收发等功能，无需借助手写笔来进行操作，携带方便。目前支持该操作系统的智能手机有神达Mio 8390和多普达565等. (2) Pocket PC Phone操作系统 Pocket PC Phone 是目前我们最为常见的微软智能手机操作系统，目前市面上绝大多数基于微软操作系统的智能手机都采用了这一操作系统，例如我们熟悉的联想ET180、ET560、多普达696、大显 CU928、多普达等智能手机即采用了此操作系统。与微软Smartphone不同的是，该操作系统主要借助手写笔来完成大部分的操作。 二、Symbian开放式操作系统 Symbian操作系统提供了灵活的应用界面（UI）框架，不但使开发者得以快速掌握必要的技术，同时还使手机制造商能够推出不同界面的产品。Symbian系统手机可以采用多种应用界面形式：一类在设计上很类似当前最常见的手机，即主要通过键盘进行输入的手机；另一类是使用手写笔进行操作；还有一类是既有键盘又有触摸屏的手机，它具有较大的屏幕和较小的键盘。不同的输入方式和外观设计会对各款手机的主要用途产生很大的影响。应用界面在要求上是由手机和市场决定的。有了Symbian操作系统，手机制造商和第三方开发者就可以为上述各类手机开发出独具特色的应用界面，例如： (1) 采用数字键盘的手机(Symbian s60) 此类手机需要灵活的应用界面，方便用户使用导航键（Joystick）、软按键或转点通键（Jogdial）操作，诺基亚3650和N-Gage也就是代表他们采用了Series 60应用界面。如诺基亚 6600；诺基亚 7610； 诺基亚 6670等； (2) 采用触摸式屏幕的手机(Symbian UIQ) 这类手机主要采用了UIQ界面，其中以索尼爱立信P802、P908为代表。UIQ是一种可定制的基于手写笔输入的应用界面，很适合支持具有丰富多媒体功能的手机。 (3) 采用完整键盘和超大彩色屏幕的手机(Symbian s80) 此类手机为那些需要在办公室以外编辑信息和查看业务数据的用户提供了先进的移动通信功能。诺基亚93009500个人通讯器系列是此类应用界面的典型代表。 三 、PALM手机操作系统 PALM是3Com公司的Palm Computing部开发的一种32位的嵌入式操作系统，原本是一家生产掌上电脑及掌上电脑操作系统为主的公司，PALM智能手机所用的PALM操作系统又与PALM掌上电脑所用的操作系统非常相似，因此，基于该操作系统的手机拥有的第三方软件较多，以前用惯了PALM掌上电脑的用户能非常快速地掌握这类的智能手机。 由于PALM一直遵循Less is More（少就是多）这一理念去设计，所以，与微软所推出操作系统要占有大量的系统资源和储存容量不同的是，它本身所占的内存极小，基于PALM操作系统编写的应用程序所占的空间也很小，通常只有几十KB，所以基于PALM操作系统的掌上电脑虽然只有几兆内存却可以运行众多的应用程序。但是，这么一来，它的功能就没那么多，当然，最近PALM似乎也意识到丰富的功能对消费者的吸引力之大，因此，PALM也似乎越来越向提供丰富的功能靠拢，“少就是多”的设计理念逐步削弱。另外，对于中国用户而言，它有一个不足之处是，它的操作系统起初在中国销售的产品仍然要使用中文外挂平台，有相当部分依然是以英文界面为主，在一定程度上影响了基于PALM操作系统的产品在中国市场的大面积进入。目前，基于PALM操作系统的手机有三星SPH-i330、Handspring Treo 650系列等。 四、Linux手机操作系统 与Windows Mobile系列操作系统一样，Linux手机操作系统是由计算机Linux操作系统“变化”而来的。简单地说，Linux是一套免费使用和自由传播的操作系统。它支持32位和64位处理器，在计算机领域中，主要用于配备Intel x86系列CPU的计算机，在手机领域中，较具代表性的产品有摩托罗拉A768。 Linux具有稳定、可靠、安全等优点，有强大的网络功能。在相关软件的支持下，可实现WWW、FTP、DNS、DHCP、E-mail等服务。由于Linux具有源代码开放、这一特点非常重要，因为丰富的应用是智能手机的优越性体现和关键卖点所在。从应用开发的角度看，由于Linux的源代码是开放的，有利于独立软件开发商（ISV）开发出硬件利用效率高、功能更强大的应用软件，也方便行业用户开发自己的安全、可控认证系统。特别是当智能手机大量用作行业应用的移动终端时，Linux在手机操作系统市场中也异军突起，成为一股不容忽视的力量。目前，基于Linux手机操作系统的产品有三星mitssch-i519和摩托罗拉A768、A780、e680等。1 手机软件的运行环境1.1 概述手机可以被看作袖珍的计算机。它有CPU、存储器(flash、RAM）、输入输出设备（键盘、显示屏、USB和串口）。它还有一个更重要的I/O设备， 那就是空中接口。手机通过空中接口协议（例如GSM、CDMA、PHS等）和基站通信，既可以传输语音、也可以传输数据。手机的CPU一般不是独立的芯片，而是基带处理芯片的一个单元，也称作CPU核。基带处理芯片是手机的核心，它不仅包含CPU核、DSP核这些比较通用的单元，还包含通信协议处理单元。通信协议处理单元和手机协议软件一起完成空中接口要求的通信功能。随着芯片技术的不断发展，越来越多的外围电路可以被集成到基带处理芯片中，例如BAP，即基带模拟处理器。这样手机才可能越做越小、越做越便宜。1.2 单CPU和双CPU很多手机只有一个CPU，也就是基带处理芯片中的CPU核。在这个CPU上既要跑通信协议，又要实现用户界面（称作UI或MMI）。当然DSP会分担一些计算量繁重的工作，例如语音编解码、安全层的各种算法等。在市场推动下，手机功能在不断发展。摄像头、MP3、蓝牙这些功能可以依靠硬件，对CPU的压力还不是很大，但java虚拟机、嵌入式浏览器等应用软件就会对CPU资源有较高的要求。单CPU的首要任务是完成通信协议。通信协议软件有着很精确的定时要求，如果这个CPU还要兼顾很多应用软件的话，就难免吃力。于是双CPU手机应运而生。顾名思义，双CPU手机就是有两个CPU的手机，一个CPU专心把通信协议做好，另一个CPU负责UI、java虚拟机、嵌入式浏览器等应用功能。两个CPU可以做在一个芯片里面，也可以分开。市场上的实际情况是，很多手机设计公司（Design House）没有基带处理芯片的开发能力，他们购买国外公司的手机模块，自己在外面再加一块CPU。模块跑通信协议，自己加的CPU跑UI和应用软件，两者通过串行口通信。很多Design House也会购买国外方案商的开发板级方案，自己做PCB、软件上改改UI和外设驱动。市场上的智能手机基本上全是双CPU方案，什么Windows CE、SmartPhone、WindowsMobile、Symbian、嵌入式Linux全是运行在第二块CPU上的。这些商业操作系统无法和无线通 信协议软件集成到一块CPU上。双CPU的手机功能比较多，但它们一般体积大，耗电多，成本高。现在市场上的大部分手机还是单CPU的。目前的大部分手机应用，例如Java、BREW、WAP、邮件、摄像头、闪存、MP3、蓝牙，在单CPU方案里都能实现。我认为不管3G、4G如何发展， 小巧、实用、低成本的单CPU方案总会占据较大的市场份额。微软在单CPU方案的手机市场还没有立足之地，又怎么谈的上什么引领方向呢？本文主要介绍单CPU手机，大多数论述也适用于双CPU方案的通信CPU。1.3 3G和4G3G和4G是指第三代、第四代无线通信技术，对手机而言，它们改进的是空中接口的效率，空中接口能以更大的带宽传送数据。通过手机无线上网的速度会更快。这和话音业务、手机应用软件没有直接的联系。当然，手机的嵌入式数据业务由于更高的带宽，会产生更多的可能性。不过这些可能性的实现还是会受到手机输入慢、显示屏小等条件的制约。 2 手机软件的组成2.1 概述手机软件和PC机软件一样从中断向量表开始，因为比较小，看上去更加清晰。中断向量表的第一个跳转指令当然是跳到复位的处理程序，后面是中断处理、错误处 理的跳转指令。一上电，手机就跳转到复位的处理程序，开始检查内存、初始化C运行环境，然后创建第一个任务。这个任务会按顺序创建、启动其它任务。绝大多 数手机程序都是多任务的，但也有一些小灵通的协议栈是单任务的，没有操作系统，它们的主程序轮流调用各个软件模块的处理程序，模拟多任务环境。手机软件可以粗略地分成启动模块、操作系统、协议栈、数据业务、本地存储、驱动程序、用户界面和其它应用。启动模块前面已经说过了，下面简单介绍其它部分。2.2 操作系统操作系统在手机软件只占很小一部分。它的主要功能就是提供多任务调度、通信机制。有的操作系统会提供动态内存分配，定时函数，但这些都不是必须的。例如需要动态内存分配的模块，可以自己管理一个内存池，这样更易于隔离模块和预测内存需求。大多数手机的操作系统都是一个很小的内核，例如REX、HIOS等。高通REX的源代码连C代码加汇编也不过一千多行，编译后不过是2、3K的代码量。而一般手机软件有几百到上千个源文件、超过一百万行的代码。2.3 协议栈协议栈是手机软件最复杂的部分，它的复杂性在于它和基带处理芯片的设计密切相关。只有具备芯片设计能力的企业才可能开发协议栈。协议栈会使用基带处理芯片的所有资源。2.4 数据业务数据业务主要有两种：在前一种，手机相当于一个调制解调器，PC机通过手机上网，网络协议全在PC机上，手机提供数据链路。另一种就是嵌入式数据业务，手机内部包含TCP/IP/PPP等协议，有时还要实现HTTP和嵌入式浏览器。2.5 本地存储手机都有本地存储功能，存储电话本、短消息、用户设定等。一般手机都有一个基于flash的文件系统。早期的手机存储是基于EEPROM的。2.6 驱动程序硬件驱动一般指外设驱动，不过有的外设已经被集成到基带处理芯片中了。驱动程序包括键盘、电源管理模块、LCD、flash、RTC、串口、USB、SIM卡或UIM卡、射频驱动等。2.7 用户界面用户界面（UI）又称作人机界面（MMI），它负责和用户的交互，在必要的时候调用其它模块的功能。除了手机的必备功能外，用户界面也可能包含一些相对独立的应用程序，例如日程表、游戏等。2.8 其它应用其它应用包括Java虚拟机、WAP浏览器、邮件软件等，是一些比较大，又相对独立的应用模块。 基本上讲完了。大家肯定看得挺没意思吧。这些程序和微软的longhorn、metedata有什么关系呢？手机程序绝大部分是用C语言写的。但对于做应用软件的程序员要求具备面向对象、设计模式的思维能力，然后用C语言实现出来。高通的BREW就是用C语言硬生生地模仿C+，弄出很多奇怪的宏。一般应用软件的开发不用这么死板，但对各种软件设计方法的了解还是必要的。3 手机的核心技术手机的核心技术是芯片和协议栈，两者是密不可分的。芯片设计需要协议栈来验证，协议栈必须充分发挥出芯片的功能。芯片的CPU核、DSP核都可以买到现成的单元，但通信协议部分就需要自己设计了。手机比较难做好的是耗电量、恶劣信号环境的性能等。 4 第三方软件4.1 原理 “第三方软件”这个词的含义比较宽泛。本文用它来指代不是硬编码在手机里，而是可以通过数据线或网络下载到手机上，可以装载、运行，也可以删除的软件。前面讲到的软件都是完整程序的各个部分。这些部分会被放到一起编译，产生一个二进制文件，通过JTAG口（升级时可以用串口）下载到手机的flash中。手机一上电，就会从指定地址开始运行。这个地址的内容就是跳转到复位处理程序的跳转指令。哈哈，又讲回头了。第三方软件是指手机可以通过数据线或者网络下载一些可执行文件到文件系统中。然后有一个装载器可以执行这些文件。这样第三方就可以开发一些应用程序，下载到手机中来扩充手机功能。这些可执行文件现在主要有两种格式：java程序和BREW程序。java程序需要java虚拟机装载运行。BREW程序是一个很奇怪的东西，它实际就是用与编译手机程序相同的编译器编译出来的目标代码。这些目标代码必须是可以重新定位的，即不能包含全局和静态变量。装载器将程序将执行权传给给BREW程序，一种听上去更安全的说法是调用BREW程序的入口函数。这个入口函数的位置在文件中是固定的。装载器在调用 BREW程序的入口函数时会传入一个地址。通过这个地址，BREW程序能够顺藤摸瓜，找到系统提供的各种API的地址，它通过这些API访问手机的显示、 通信等功能。java程序基本上是平台无关的，针对各种平台设计的java虚拟机隔离了平台的大部分特性，除了厂家特意提供的一些OEM功能。BREW程序显然是平台相关，换一个CPU，就不认识原来的目标码了。4.2 其它 除了java、BREW外，Windows CE、SmartPhone、WindowsMobile、Symbian、嵌入式Linux这些商业操作系统当然可以提供各种创建第三方程序的方法。在 这些环境写程序和在PC平台写程序很相近，基本上体会不到嵌入式编程的特点，只是屏幕小一些，输入麻烦一些。这些第三方软件不是必需的。手机在3G的市场中只占了一个较小的部分，网络是大头。而第三方软件相对于手