（检测技术与自动化装置专业论文）基于wince50智能手机的研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 摘要 伴随着通信产业的不断发展，今天的移动终端已经由原来单一的通话功 能向话音、数据、图像综合的方向演变。其中智能手机以其强大的功能和便 捷的操作特点得到了大众的青睐。与传统手机相比，智能手机的优势非常明 显，不但内容丰富，还具有可以无限扩展的强大功能以及硬件的可升级性， 使得智能手机能够真正实现通信、电脑和互联网的融合。智能化是手机发展 的趋势。 本论文基于企业的实际产品设计，对w i n c e 5 0 平台上的智能手机的开 发设计过程进行了分析研究。 论文从系统设计的角度对智能手机的开发进行了详细的阐述。采用“基带 处理器+ 应用处理器”双处理器的系统架构，改善了传统手机单处理器处理能 力的不足，也更便于手机基带芯片的升级。系统的无线通信模块实现呼叫、 接听、数据传输等基本的通信功能，应用处理器负责处理高负荷的多媒体应 用功能。首先介绍了智能手机的操作系统和系统架构；然后对硬件系统和各 主要硬件模块的选择、功能及实现方法进行了说明；其次阐述了本智能手机 的软件系统；最后对系统的硬件和软件调试进行了说明。本系统采用 c e n t r a l i t y 的a t l a s 一1 1 4 4 0 作为应用处理器，采用w i n d o w s c e 5 0 作为操作系统。 关键词：智能手机：w i n c e 5 0 ；a t l a s 一1 1 4 4 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1v 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t et e c h n o l o g y , t h em o b i l e t e r m i n a t eh a sb e e nc h a n g e dt om u l t i f u n c t i o n so fv o i c e ，d a t aa n di m a g ef r o m s i n g l ev o i c ef u n c t i o n b e c a u s eo ft h es t r o n gf u n c t i o na n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n ， s m a r t p h o n eb e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc e l l p h o n e ，t h es u p e r i o r i t yo fs m a r t p h o n ei so b v i o u s i th a sp l e n t i f u lf u n c t i o n s a n dh a s s t r o n gc a p a b i l i t yt oe x t e n da n du p g r a d eh a r d w a r e ，w h i c hm a k et h em e r g i n go f c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e ra n di n t e r n e tr e a l i z e do ns m a r t p h o n e s m a r t p h o n ei st h e d i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ep h o n ei nf u t u r e t h i sp a p e ra n a l y s e sa n ds t u d i e st h ed e s i g n i n gp r o c e s so fs m a r t p h o n eb a s e d o nt h ep r a c t i c a l l yp r o d u c t i o nd e s i g n i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fs m a r t p h o n ef r o ms y s t e ml e v e l t h e s o l u t i o no ft h es m a r t p h o n ei sd u a l p r o c e s s o rs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，w h i c hp r o m o t e s i n g l e p r o c e s s o ra n dm a k et h eb a s e b a n dc h i pu p g r a d em o r ec o n v e n i e n t l y t h e g s mm o d u l er e a l i z e sc a l l i n g ，r e c e i v i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o na n dt h ea p p l i c a t i o n p r o c e s s o rh a n d l e sh i g h b u r d e nm u l t i - m e d i aa p p l i c a t i o ns p e c i a l l y f i r s t l y , i t i n t r o d u c e st h eo p e r a t i o ns y s t e ma n dt h ea r c h i t e c t u r eo fs m a r t p h o n e ，a n dt h e n d i s c u s s e sh a r d w a r es y s t e md e s i g na n dg i v e sm o r ed e t a i li nr e a l i z a t i o no ft h em a i n h a r d w a r em o d u l e s t h i r d l y , i ti n t r o d u c e st h es o f t w a r es y s t e m f i n a l l y , i td i s c u s s e s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u g g i n go ft h es m a n p h o n e c e n t r a l i t ya t l a s - 1 1 4 4 0 p r o c e s s o ri su s e da sa p p l i c a t i o np r o c e s s o r i nt h es m a r t p h o n es y s t e m w i n c e 5 0i s t h eo p e r a t i o ns y s t e mo ft h es m a a p h o n e k e y w o r d s ：s m a r t p h o n e ；w i n c e 5 o ：a t l a s - 1 1 4 4 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 嚣篇篙诽青，日期：卿8 ，6 ，叩 u 指导挪签名：後 撕 日期：m 吕6 v 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 论文在主控芯片a t l a s i i4 4 0 的硬件平台上，对智能手机硬件系统主要模 块的开发进行了阐述。在w i n d o w sc e5 0 的操作系统上，对智能手机软件系 统进行了开发，对多媒体模块部分进行了详细的分析和设计。最后对部分模 块进行了测试，达到了正常运行的预期目标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 智能手机概述与发展现状 智能手机，说通俗一点就是一个简单的“1 + 1 = ”的公式，即“掌上电脑+ 手 机= 智能手机”。智能手机具有一个开放性的操作系统，并且能够进行功能扩 展和可以安装第三方应用软件。所以说判定一款手机是否为智能手机，并不 是看其是否支持m p 3 、是否支持h t m l 页面浏览、是否支持外插存储卡等功 能，而是看其操作系统的程序扩展性，是否可以支持第三方软件安装、应用。 从整个手机发展的进程来看，我们可以将其分为三个阶段。第一阶段是 体积上的变化，手机由最初的大砖头演变到现在的小巧玲珑；第二阶段是色 彩变化，手机屏幕由黑白色变到彩色，进而出现了拍照手机、音乐手机、游 戏手机等；第三阶段则是智能手机的出现，手机由封闭式操作系统变成开放 式操作系统，可以实现多种扩展功能的应用。针对这三个阶段，可以把手机 划分为以下三类【l 】： 普通手机：2 0 0 1 年以前出现的第一代数字手机和目前市面上出现的超低 成本手机基本上属于这类。一般来说，这类手机只具备基本的通话功能，也 以黑白屏为主。它内部的处理器比较简单，运算速度较低。当然，它还是可 以处理一些简单的附加任务，比如玩一些游戏，记事本，日历等功能，但应 用软件不能扩充。 多功能手机：熟称f e a t u r ep h o n e ，现在市面上大多数手机属于这类，如 m p 3 手机，手机电视等。这类手机的功能相对强大，除了基本的语音通话功 能，还要很强的附加功能，如w a p 上网、j a v a 游戏、e m s ( 增强消息服 务) 、m m s ( 多媒体消息服务) 等。屏幕也从单色发展到彩屏，大多数支持 和弦铃声，但应用软件的可扩充性还是比较d x 1 1 。 智能手机：智能手机( s m a r tp h o n e ) 的概念是由m o t o r o l a 、n o k i a 等国 际著名手机制造公司在2 0 0 4 年开始提出来的。它通常被定义为一种把手机功 能、可编程信息管理功能和互联网接入功能融合在一起的便携式设备。智能 手机的更为普通的定义是指有开放式操作系统和c p u ，可以扩展硬件和软件 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 功能，可以添加各种娱乐、办公、上网等应用的多功能手机。但半导体技术 的发展和处理器能力的不断增强已经使智能手机的概念不再仅仅是手机 + p d a 的简单内涵。当前的智能手机方案已经能实现很多通常在桌面电脑中 才涉及的性能和功能，包括高保真立体声效、3 d 图形效果、d v d 效果的视 频播放以及具有丰富经验的多媒体游戏、蓝牙、w i f i 等【l 】。 智能手机是和3 g 技术相伴而生的概念，是移动通信终端与p c 融合的产 物。自2 0 0 5 年以来，智能手机这一新兴的高端2 5 g 终端就一直被媒体誉为 “3 g 手机的敲门砖”和“3 g 的试金石”。相关人士表示，由于智能手机与3 g 手 机有着诸多共同点，智能手机已经成为厂商进入3 g 终端领域的预演。以智 能手机为突破将为厂商在未来的3 g 之争中提供重要的基础和经验。从某种 意义上来说，智能手机已经敲开了3 g 的大f - jr 。 智能手机将承载更多的增值服务，“拇指经济”需要以手机作为工具和使 用平台，而智能手机将承载更多的移动增值业务。未来技术的发展方向是3 c 融合( 计算机、通信产品、消费电子产品) 与“三网融合”( 互联网、电信网、 广电网) 6 1 。 总的来说，智能手机虽然还有许多不足的地方需要发展和完善，但就目 前来看，智能手机以其特有的优势跻身主流市场。为用户提供了足够的屏幕 尺寸和带宽，既方便随身携带，又为软件运行和内容服务提供了广阔的舞台， 很多增值服务可以就此展开，如股票、新闻、天气、交通、商品、应用程序 下载、音乐图片下载等。融合3 c 的智能手机必将成为未来手机发展的新方 向。 1 2 嵌入式操作系统概述 嵌入式系统被描述为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可 裁减的，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求 的专用计算机系统【2 1 。嵌入式系统是不同于常见计算机系统的一种计算机系 统，它不以独立设备的物理形态出现，即它没有一个统一的外观，它的部件 根据主体设备以及应用的需要嵌入在设备的内部，发挥着运算、处理、存储 以及控制作用。从体系结构上看，嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、支撑 硬件和嵌入式软件组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种支持嵌入式 系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包括软、硬件系统) 极为重要 的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接 口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等【9 】。嵌入式操作系统是与应用环 境密切相关的，从应用范围角度来看，大致可以分为通用型的嵌入式操作系 统，如w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、嵌入式l i n u x 等，和专用型的嵌入式操作系 统，如p a l mo s 、s y m b i a n 等。从实时性的角度看，大致可以分为实时嵌入 式操作系统和一般嵌入式操作系统。 从原理上说，嵌入式操作系统仍旧是一种操作系统，因此它同样具有操 作系统在进程管理、存储管理、设备管理、处理器管理和输入输出管理几方 面的基本功能。但由于硬件平台和应用环境与一般操作系统不同，那么它也 有自身的特点。最大的特点就是可定制性，也就是它能够提供可配置或可裁 减的内核功能和其它功能，可以根据应用的需要有选择的提供或不提供某些 功能以减少系统开销【5 】。嵌入式操作系统是一种基本的系统软件，负责嵌入 系统的全部软、硬件资源的分配、调度，控制、协调并发等；它必须体现其 所在系统的特征，能够通过装卸系统模块来配置整个平台所要求的功能。嵌 入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有3 个部分：硬件平台、 嵌入式操作系统、嵌入式应用程序【i o 】。通常把硬件平台称为硬件系统，嵌入 式应用程序和嵌入式操作系统称为软件系统。 作为嵌入式系统核心的操作系统是开发嵌入式应用设备的关键环节。在 这个领域内，没有像桌面办公操作系统市场中w i n d o w s 系统那样的一支独秀 的商品。目前国内外多家机构、公司相继推出了很多商业性嵌入式系统，都 在努力的为自己争取着嵌入式市场份额。如微软( m i c r o s o f t ) 公司开发了各 种嵌入式操作系统( w i n d o w sc e ，w i n d o w sm o b i l e ) ，三星公司开发了适应 各种要求的嵌入式控制器( 2 4 1 0 等) 。毋庸置疑，嵌入式系统应用正进入飞 速发展的时代。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3w i n d o w sc e 嵌入式操作系统 1 3 1w i n d o w sc e 嵌入式系统的系统结构 一个典型的基于w i n d o w sc e 的嵌入式系统可分为四个层次，从底层到 上层分别是硬件层、o e m 层、操作系统层和应用程序层 1 1 1 。硬件层是系统的 硬件，包括微处理器和各种周边设备。o e m 层是一个硬件抽象层，包含o a l 层( o e m a d a p t a t i o nl a y e r ) 和设备驱动程序，它提供了硬件和操作系统之间 的接口 5 1 。操作系统要访问具体的硬件就可以通过o e m 层提供的a p i 进行 访问，而不必直接与硬件打交道。开发0 a l 层一般有两种途径。第一种途 径是修改预先配置好的板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，另一种 途径则是自行开发b s p t l 3 】。 在嵌入式操作系统中，b s p 的概念如下：它为每一种系统的相应硬件写 了一套可以简单称为初始化驱动程序的程序包。这样可以隔离操作系统与底 层硬件的联系，大大提高操作系统与底层硬件无关函数的重要性。同时，即 使是相同结构的嵌入式系统，也会因为实际应用的不同，有不同的硬件，用 户可以为这些硬件开发相应的驱动，添加到b s p 中，这样可以更为简单的使 用这个硬件。b s p 是一个包括启动程序、o e m 适配程序( o a l ) 、标准开发 板( s d b ) 和相关硬件设备的驱动程序的软件包，是基于w i n d o w sc e 平台 系统的主要部分，它主要由一些源文件和二进制文件组成【7 】。微软提供了对 十几种标准开发板( s d b ) 支持的b s p ，这十几种标准开发板都是已经发行 并可以购买的产品。这些b s p 覆盖了所有w i n d o w sc e 可支持的处理器类型。 它可以使开发者快速的评估各种操作系统特性并减少新产品开发时间。 操作系统层中有w i n d o w sc e 的组件，用户可以根据自己的系统需要进 行定制，选择需要的组件，去掉不必要的组件，这样可以减小内存需求，使 系统性能达到最优。在操作系统层中，设备管理器提供对可安装设备的支持， 允许在系统中安装诸如p c 卡存储器和调制解调器之类的设备。内核提供最 基本的操作系统功能，例如进程调度、内存管理、进程通信等。图形、窗口 事件处理模块将用户的击键、鼠标移动和控件选择转换为消息，传送给应用 程序和操作系统来处理用户的输入。对象存储、文件系统、数据库和注册表 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 提供存储数据的能力。用户界面模块为系统提供一个与p c 电脑上的视窗操 作系统类似的图形化操作界面。 应用程序层是为特定的嵌入式系统开发的应用程序。对系统设计者而言， 需要自行开发的是应用程序和直接与硬件有关的部分，包括硬件系统本身、 o a l 、设备驱动程序。其中，o a l 是指建立在硬件设备与系统内核之间的一 层代码，主要任务是为内核管理具体的硬件设备时钟、中断和实施电源管理 提供支持【3 2 】。设备驱动程序负责支持操作系统对目标硬件的访问。o a l 和驱 动程序都要针对具体的硬件设备编写。 在w i n d o w sc e 系统中，所有涉及硬件的操作都通过调用相应的a p i 接 口函数来完成，而o a l 和驱动程序就是要为这些a p i 函数提供支持，将其 翻译为直接对目标硬件进行底层操作。通过这种方式，w i n d o w sc e 系统将 应用程序与具体的硬件设备进行了隔离，应用程序只需调用a p i 函数就可以 实现对硬件的访问【3 6 j 。因此程序员在开发应用程序时就不用关心具体的硬件 特性，没有必要编写任何直接针对硬件的代码，而应用程序也具有了不依赖 于具体的硬件设备的独立性。 为了适应多种硬件平台，w i n d o w sc e 被设计成完全模块化的系统，因此 能十分灵活的针对各种特殊产品进行定制1 3 0 1 。w i n d o w sc e 操作系统由 c o r e d l l 、内核、设备管理模块、对象存储模块、图形窗口与事件子系统、 通信和网络服务模块、应用和服务开发模块及一些附加模块组成。 1 3 2w i n d o w sc e 的特点 w i n c e 操作系统是一个紧凑的、高效且可扩展的3 2 位操作系统，适用于 各种嵌入式系统和产品。它拥有多线程、多任务和确定性的实时、完全抢占 式优先级的操作系统环境，专门面向只有有限资源的硬件系统；同时，它的 模块化设计方式使得系统开发人员和应用开发人员能够为多种多样的产品来 定制它i 可以选择、组合和配置w i n c e 的模块和组件来创建用户版的操作系 统【3 。在w i n c e 产品开发中，主要有内核定制和应用程序开发两项非常重要 的工作。微软在两方面都提供了良好的开发工具，即内核定制工具p l a t f o r m b u i l d e r ( 简称p b ) 和应用程序开发工具e m b e d d e dv i s u a lc + + ( 简称e v c + + ) 。 从操作系统内核的角度来看，w i n d o w sc e 具有灵活的电源管理功能，包 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 括睡眠唤醒模式。在w i n d o w sc e 中，还使用了对象存储技术，包括文件系 统、注册表及数据库。它还具有很多高性能、高效率的操作系统特性，包括 按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容量堆( h e a p ) 等。 w i n d o w sc e 拥有良好的通信能力。它广泛支持各种通信硬件，同时支持 直接的局域网连接以及拨号连接，并提供与p c 、内部网以及i n t e r a c t 的连接， 包括用于应用级数据传输的设备至设备的连接【3 0 】。在提供各种基本的通信基 础结构的同时，w i n d o w sc e 还提供与w i n d o w s9 x n t 的最佳集成和通信。 w i n d o w sc e 的图形用户界面相当出色。它拥有基于m i c r o s o f ti n t e m e t e x p l o r e r 的i n t e r a c t 浏览器。此外，还支持t r u et y p e 字体。开发人员可以利 用丰富灵活的控件库在w i n d o w sc e 环境下为嵌入式应用建立各种专门的图 形用户界面。w i n d o w sc e 甚至还能支持诸如手写体和声音识别、动态影像、 3 d 图形等特殊应用【2 7 1 。 m i c r o s o f tw i n d o w sc e5 0 是w i n d o w sc e n e t 的后续产品，它不仅是一 个功能强劲的实时嵌入式操作系统，而且提供了众多强大工具，允许用户利 用它快速开发出下一代的智能化小体积连接设备。借助于完善的操作系统功 能和开发工具，w i n d o w sc e5 0 为开发人员提供了构建、调试和部署基于 w i n d o w sc e5 0 的定制设备所需的一切特性【2 5 1 。 1 4 智能手机其它主流操作系统介绍 s y m b i a n 是一个实时性、多任务的纯3 2 位操作系统，具有功耗低、内存 占用少等特点，非常适合手机等移动设备使用 1 4 1 。经过不断完善，可以支持 g p r s 、蓝牙、s y n c m l 、以及3 g 技术。最重要的是它是一个标准化的开放 式平台，任何人都可以为支持s y m b i a n 的设备开发软件。与微软产品不同的 是，s y m b i a n 将移动设备的通用技术，也就是操作系统的内核，与图形用户 界面技术分开，能很好的适应不同方式输入的平台，也可以使厂商可以为自 己的产品制作更加友好的操作界面，符合个性化的潮流，这也是用户能见到 不同样子的s y m b i a n 系统的主要原因。现在为这个平台开发的j a v a 程序已经 开始在互联网上盛行。用户可以通过安装这些软件，扩展手机功能。 p a l mo s 是p a l m 公司的是一种3 2 位的嵌入式操作系统，它的操作界面采用 触控式，差不多所有的控制选项都排列在屏幕上，使用触控笔便可进行所有 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 操作【l5 1 。作为一套极具开放性的系统，开发商向用户免费提供p a l m 操作系统 的开发工具，允许用户利用该工具在p a l m 操作系统的基础上编写、修改相关 软件，使支持p a l m 的应用程序丰富多彩、应有尽有。p a l m 操作系统最明显的 优势还在于其本身是一套专门为掌上电脑编写的操作系统，在编写时充分考 虑到了掌上电脑内存相对较小的情况，所以p a l m 操作系统本身所占的内存极 小，基于p a l m 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k b ， 所以基于p a l m 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。p a l m 在其它方面还存在一些不足，p a l m 操作系统本身不具有录音、 m p 3 播放功能等，如果你需要使用这些功能，就需要另外加入第三方软件或 硬件设备方可实现。 l i n u x 凭借其自由、免费、开放源代码的优势，经过来自互联网、遍布全 球的程序员的努力，再加上i b m 、s u n 等计算机巨头的支持，l i n u x 在手机操 作系统市场中异军突起，尤其是在众多知名厂商宣布支持l i n u x 手机操作系统 之后，l i n u x 的发展将不容忽视【38 1 。由于l i n u x 具有源代码开放、软件授权费 用低、应用开发人才资源丰富等优点，便于开发个人和行业应用。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l i n u x 的源代码是开放的，有利于独立软件开发商( i s v ) 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。l i n u x 操作系统在使用中的优点也是十分明显的。首 先，对于消费来说，采用的应用于智能手机上的l i n u x 操作系统和我们常说的 应用于电脑上的l i n u x 操作系统是一个系统，而且都是全免费操作系统。在操 作系统上的免费，就等于节省了产品的生产成本，附加到消费者身上的也就 少了，给大家带来了实惠。l i n u x 操作系统系统资源占用率较低，而且性能比 较稳定，这都是大家公认的。使用起来能带来急速体验，在同硬件配置上， 能获得其他智能手机操作系统得不到的优越性。 1 5 论文主要工作与结构安排 本文主要讨论了智能手机基于w i n c e 5 0 操作系统的软件系统开发和基 于a t l a s 1 1 4 4 0 芯片的相关硬件开发。论文的结构安排如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 第一章介绍了智能手机的发展过程、嵌入式操作系统及其w i n c e 操作系 统的功能特点； 第二章详细介绍了智能手机硬件架构的特点和方案选择； 第三章详细论述了智能手机硬件系统的开发，对硬件系统的主要功能模 块的开发都进行了详细说明； 第四章讨论了智能手机的软件系统开发，主要阐述了多媒体模块的开发 设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章智能手机硬件系统分析和选择 2 1 智能手机系统架构 2 1 1 单处理器系统架构 随着手机的发展，其应用功能不断翻新，对手机处理器的要求越来越高。 现在市场上智能手机的应用处理器主频已经达到了几百兆赫兹。然而人们对 智能手机的应用功能翻新速度的要求要远远快于手机应用处理器的发展速 度。这就势必引起智能手机处理器架构的革新，传统的架构已经渐渐失去了 它的优势。 单处理器内核系统架构，既处理通信协议又实现应用功能，是单一高性 能内核处理器的手机架构，受制于功耗方面的挑战和所需软件复杂性带来的 一系列问题。采用这种单一内核芯片系统架构的手机，若要增加新的通信功 能或新应用功能，需要升级基带芯片以获得更强的c p u 能力，并在基带芯片 上编写和执行新应用程序【4 6 】。基带部分的代码要移植到新的芯片中，现有的 功能需要重新验证。此外，对这种单芯片架构来说，程序代码的规模将非常 大而且很复杂。若升级到一个更高性能的内核意味着必须重新编写和测试代 码，从而使开发过程大大延长，增加开发成本。 2 1 2 双处理器系统架构 双处理器系统架构，即基带处理器与应用处理器的系统架构。这种架构 把基带处理器工作和应用处理器工作分开。基带处理器实现目前手机所做的 呼叫与接听等基本的电话功能，应用处理器专用于处理高负荷的多媒体应用， 二者之间的通信靠消息传递实现。该架构消除了由新应用的软件缺陷引起基 带处理器失效的风险。曾经占用过多c p u 资源的多媒体功能应用程序可以在 应用处理器上执行，现有手机上的大部分代码和电路只需稍加修改就可重复 使用，因而开发者可以将精力集中于开发新的应用程序，其应用程序只需在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 应用处理器上开发和调试【4 6 1 。 2 1 3 本智能手机系统架构开发原则 对于本智能手机，采用通信与应用分离的双核处理器平行架构。基频处 理器专门用于处理通信数据，应用处理器主要用于多媒体等应用功能。这样， 一方面让应用处理器能充分发挥w i n d o w sc e 5 0 操作系统高阶作业的应用能 力，另一方面也能确保各种服务与应用不会受到无线技术的影响，进而赋予 产品更高的可携性。 在此架构下，基频元件能随g s m g p r s w c d m a h s d p a 等规格的演进 而发展，应用元件也能应视频、音频、绘图等需求的改变而扩充其功能。 2 2 应用处理器和g s m 处理器的集成方案 设计一款智能手机，首先要考虑的关键问题是：应用处理器和g s m 模块 处理器的集成程度。对这两个处理器，是采用分离元件还是系统级芯片 ( s y s t e mo nc h i p ) 。对这个问题的不同方案选择，会影响到手机在市场上取 得成功的主要因素- b o m 成本、硬件外形尺寸、上市时间、对不同无线标 准的适应性、功耗以及软件整体设计性能。 目前市场上每种集成程度的方案都有其自身的优点和缺点，od m ( o r i g i n a ld e s i g nm a n u f a c t u r e r ) 必须对这些方案进行综合的考虑和权衡，选 择一个最能满足设计和营销目标的方案。目前主要有二种不同集成程度的方 案。 2 2 1 应用处理器和g s m 处理器分离 设计手机的传统方法是采用独立的应用处理器和g s mm o d e m 处理器， 每种器件可能包含若干个处理内核。例如，在应用处理器里面有一个r i s c 内核( 如a r m 9 或a r m l l ) 用于实现高中断命令、内存单元控制以及用户 接口模块等功能，还有一个d s p ( 如t i 的t m s 3 2 0 c 5 5 d s p 器件) 用于进行 数学运算量大的音频和视频等多媒体和语音处理。同样，应用处理器可以通 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 过a r m 以很高的效率来处理协议栈第二层和第三层，而协议栈第一层则由 d s p 来处理。 无论器件采用什么结构，它们都是完全独立的。这样系统设计工程师就 能够尽量提高系统的灵活性和性能。因为相同应用处理器可以用于不同的 g s m 技术和空中接口标准( g s m g p r s 、e d g e 、u m t s 和c d m a ) ，所以 这种配置提供了最大的灵活性。此外，它还允许o e m 选择不同的应用处理 器和g s mm o d e m 处理器供应商。 这种方案能获得最高系统性能，是由于应用处理器可以使用专用资源( 存 储器和总线) ，以及在没有g s mm o d e m 处理器带来的功率约束下采用最新 的工艺技术【4 8 】。与此同时，这种方法使设计工程师面临的工作复杂化，因为 他们必须集成分离的硬件元件，并且要开发和整合使应用处理器和g s m m o d e m 处理器能有效进行通信的电话软件层。因为应用处理器和g s m m o d e m 处理器可能完全来自不同的生产商，所以由第三方完成或提供它们 之间硬件和软件的整合的机会很小。 通常与应用处理器一起提供的软件开发平台可加快整合的过程，然而对 硬件和软件的设计、整合及调试可能使整个系统的开发周期增加好几月时间。 2 2 2 应用处理器和g s m 处理器集成 微电子技术当前发展的一个鲜明特点就是：系统级芯片( s y s t e mo nc h i p ， 简称s o c ) 概念的出现。由于i c 设计与工艺技术水平不断提高，集成电路 规模越来越大，复杂程度越来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。 正是在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个i c 芯片上的系统级芯片的概念【3 3 】。很多研究表明，与由i c 组成的系统相比， s o c 设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术 条件下实现更高性能的系统指标 3 5 1 。 集成电路设计技术的最新进展允许芯片制造商将应用处理器和g s m 模 块处理器集成在一个器件里。通常情况下，这个集成的器件使用多个处理内 核来完成相同的工作。对于智能电话的应用，一个强大的a r m 处理器可以 与专用的硬件加速器配合起来管理应用功能，另一个a r m 处理器和一个d s p 则用来实现调制解调器的功能。对于功能丰富而又要求低成本的应用，应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 功能和调制解调器功能共用一个a r m 内核，而d s p 专门用于实现调制解调 器功能。 这种方案通过允许应用内核和调制解调器内核共用内存和电源管理芯片 来降低系统成本。另外，连接应用处理器和调制解调器功能所需的逻辑也更 少，这也可降低系统成本。 在单芯片中集成应用处理器和调制解调器还可简化系统设计。从硬件角 度来看，通过提供原理图和针对可制造性进行优化的布局布线文件，使手机 的p c b 设计变得容易。从软件角度来看，这种方案不需要开发和整合连接操 作系统和协议堆栈的电话软件层。但是这种集成程度限制了设计工程师搭配 和匹配应用处理器与不同g s m 模块处理器的能力。 2 2 3 本智能手机的设计方案考虑 本智能手机的设计目标的关键考虑之一，就是应用处理器必须能支持高 级操作系统，同时具有出色的多媒体性能。将应用处理器和g s m 模块处理 器分开的最大好处是可提高灵活性，其应用处理器还有独占资源的好处。在 本产品系统设计中，系统架构选用“应用处理器和g s m 模块处理器分离”的 方案，即“应用处理器+ 基带处理器”的双c p u 架构。 2 3a t l a s i i 应用处理器 2 3 1g p s 手机的发展 在需求和技术的双重驱动下，将互联网上的海量信息和强大的应用服务 功能扩展到移动终端上，为用户提供随时随地的信息服务成为信息服务业的 重要发展方向。面向智能手机的空间信息服务系统已经成为当前移动空间信 息系统的研究热点。当前面向智能手机的地图导航系统所提供的服务主要集 中在地图的浏览、查询、定位、导航、地址匹配、交通信息查询、地理数据 传输以及其它服务【4 外。手机导航系统可以大大方便手机用户，节省用户的咨 询时间，得到方便和效率高的路径，具有很及时和重要的应用价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 众多手机企业都看好g p s 手机市场。在欧洲，g p s 导航手机市场已经可 以成就上千亿欧元的市场价值；在我国，g p s 导航手机也在以极高的增长速 度大跨步前进着。随着用户需求的不断提升，技术的不断演进，手机作为方 便快捷的移动载体，正在不断融合更多的应用。g p s 导航功能是继拍照、音 乐之后有望再度引发新一轮手机更新换代热潮的创新功能，凭借功能实用性 强、贴近用户需求等鲜明特色，g p s 手机正在成为市场新宠。 2 3 2c e n t r a l i t yi c 产品的特点 上海市掌微电子技术有限公司是导航及娱乐系统芯片系统平台的领导厂 商，采用了具有全局综合技术的c a d e n c ee n c o u n t e rr t lc o m p i l e r 和e n c o u n t e r c o n f o r m a le q u i v a l e n c ec h e c k e r 设计工具，成功加速了其芯片实体设计过程， 并大大缩小了芯片尺寸。在c a d e n c e 先进设计工具的帮助下，芯片设计周期 短，硅片质量高，产品更具有市场竞争力。掌微公司提供包含自行设计的芯 片、实时操作系统和硬件平台于一体的g p s 导航解决方案。 掌微的i c 产品特点是将g p s 基带处理器和c p u 集成在一个芯片中，它 的优势在于价格相对较低廉，并且上市的时间较短，待机时间长。在导航性 能方面，a t l a s i i4 4 0 主芯片是专门为g p s 导航开发的芯片，导航仪配置了 3 0 0 m h z 高速处理器，这种配置让该产品具备了高速运算能力，在运算速度 方面值得称道，能够保证在复杂的环境中也可以稳定的接收到g p s 卫星信 号，为用户准确的定位导航【5 2 1 。而且可以随时通过t m c 功能实时了解交通 信息，避免交通阻塞以及交通事故，选择最佳行车路线。除了优越的导航性 能之外，该产品还具有丰富的娱乐功能，内置m p 3 音乐播放器和m p 4 视频 播放器功能，用户在驾驶过程中还可以享受优美动听的音乐和看电影。除此 之外，它还具有文本朗读和图片浏览功能。 2 3 - 3 相对目前使用最广泛的三星$ 3 c 2 4 4 0 方案的优势 ( 1 ) 成本 三星方案当中使用( s i r f 模块+ $ 3 c 2 4 4 0 价格) 掌微a t l a s ( s i g e + a t 4 4 0 ) 价格+ 8 u s $ 】。选择c e n t r a l i t ya t l a s - i i 方案，具有强大的性价比优势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 ( 2 ) c a c h e $ 3 c 2 4 4 0 内核为a r m 9 的9 4 0 t , 掌微为a r m 9 e 的9 2 6 e j s ，相对的优势 为更大的c a c h e ，带d s p 和j a z e l l e 加速器。 ( 3 ) g p s 性能 在经过过大量的实际路上的对比测试后得出的结论是：首次冷启动开机 定位时间s i r f + 三星方案要比a t l a s i i 方案要快。但是热启动则反过来。在 测试信号逐渐减弱的穿越隧道的测试中，s i r fi i i + 三星方案在距离入口比较 近的地方就开始失去定位了，而a t l a s i i 方案能保持比较长一点的距离才失 去定位。在接近隧道出口时，a t l a s 比三星要先重新定位。这就算掌微获得 专利的一个技术。 ( 4 ) 通道 s i r fi i i 是2 0 个通道的g p s 数据计算，a t l a si i 是2 2 个通道的g p s 信 号计算，这样可以处理更多的反射信号。 ( 5 ) 省电 三星方案工作的时候g p s 模块部分需要3 5 m a 左右电流，而掌微的r f 则 只需要1 0 m a 左右的电流。 ( 6 ) c p u 三星方案的c p u 有3 0 0 m h z 和4 0 0 m h z 两种，掌微的c p u 有 2 7 6 ，3 0 0 ，3 2 4 m h z 三种，对于g p s 导航来说速度都是足够的。 2 4 小结 通过对各项因素的分析和考虑，对本智能手机的设计采用应用处理器和 g s m 处理器分离的模式。选用c e n t r a l i t y 的a t l a s i i4 4 0 作为应用处理器，并 采用w i n c e5 0 的操作系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第三章智能手机硬件系统的实现 3 1 硬件架构框图 a t l a s i i4 4 0 方案是掌微( c e n t r a l i t y ) 的主流芯片。a t 4 4 0 芯片做的车 载g p sp m p 非常成熟，成本低。a t l a s i i4 4 0 是a r m 9 内核的处理器，它提 供了智能手机操作系统的平台，是智能手机的主控芯片。 整个智能手机的硬件架构框图如图3 一l 所示： 图3 1 智能手机硬件架构框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 2a t l a s i i4 4 0 处理器介绍 处理器是整个智能手机的核心，在它上面运行w i n c e5 0 操作系统及其 应用程序、通信程序，具有很强大的功能和丰富的功能接口。c e n t r a l i t y a t l a s i i 应用处理器是一个高度集成的系统级芯片，它包含有3 2 位的a r mr i s c 处 理器内核，1 6 位的d s p 处理器，g p s 基带，l c d 控制器，s d r a m d d r 内 存控制器和多样的外围接口i s 2 。 3 2 1a t l a s i i 的总体结构和性能特点 a t l a s i i4 4 0 的内部功能模块如图3 - 2 所示5 2 】： 图3 2a t l a s i i 功能模块图 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 a t l a s i i 应用处理器的性能特点： 3 0 0 m h z 3 2 位r i s c ( a r m 9 2 6 e j ) ； 1 6 k b 的数据缓存( d c a c h e ) 和1 6 k b 的指令缓存( i c a c h e ) ； j a z e l l ej a v a 加速技术； 实时跟踪模块e t m 9 技术方案； 添加硬件加速器的2 0 0 m h z l 6 位d s p ； 5 k 牢2 4 b i t 的程序存储器； l o k * 1 6 b i t 的数据存储器： 1 5 0 m h z 的s d r a m 接口，3 3 v s d r a m 或1 8 v 移动设备s d r a m d d r ； 添加1 6 通道g p