（计算机应用技术专业论文）智能手机软件实验平台的设计与实现.pdf

摘要 智能手机软件实验平台的设计与实现 摘要 智能手机已成为当前手机通讯终端的主流产品 对智能手机软件平台 的研究 也是嵌入式领域的研究热点 而在高校实验计算机和通信相关专 业课程实验教学中 传统的教学方式已经被为学生提供一个开放的实验平 台 鼓励学生自主创新的实验方式所取代 本文研究的是智能手机软件实 验平台的设计与实现 将智能手机软件开发和实验平台结合起来 为学生 提供智能手机软件开发和研究的实验平台 培养学生的创新能力和创造能 力 本文对当前智能手机的发展现状 各操作系统平台下智能手机特点 当前实验教学发展现状进行了分析和总结 提出以嵌入式l i n u x 作为本实 验平台的操作系统 并对采用嵌入式l i n u x 的智能手机的软件平台架构进 行了深入的分析和总结 在此基础上 结合学生实验的要求和特点给出了 本文所采用的嵌入式l i n u x 智能手机软件实验平台的系统整体方案以及 该方案所基于的硬件平台架构 该方案采用操作系统层 中间层和应用程 序层的三层结构 根据三层结构的思想对系统软件进行了设计 包括开发 环境搭建 b o o t l o a d e r l i n u x 内核 文件系统 智能手机g u i 以及数据 库等各软件模块的设计 实现了智能手机各应用软件运行的基本环境 本文结合智能手机的功能设计了用于学生实验的多线程应用程序设 计基础性实验项目 智能手机电话 短信应用程序以及通讯录应用程序创 北京化工人学硕 i j 学位论文 新型实验项目 给出了基于本平台还可进行的其它扩展实验项目 不同层 次学生可选择感兴趣的实验内容进行实验 在博创u p n e t a r m 2 4 10 s 硬 件平台上对各系统软件和实验项目进行了测试 给出了系统性能的分析 本文最后对全文进行了总结 指出了下一步需要完善和改进的工作 关键字 智能手机 创新实验平台 嵌入式l i n u x 操作系统 应用程序 设计 i i a b s t r a c t d e s i g n a t i o na n dr e a l i za t i o no fs m a r t p h o n e s o f t w a r ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m a b s t r a c t s m a r t p h o n e s h a v eb e c o m et h em a i n s t r e a m p r o d u c t s i nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l s r e s e a r c ho ns o f t w a r ep l a t f o r mo fs m a r t p h o n e si s t h eh o ts p o to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y t h ew a yo fe x p e r i m e n t a li nt h ea r e ao f c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e a c h i n gi nu n i v e r s i t i e s h a sb e e nc h a n g e dt ot h e w a yo fd o i n ge x p e r i m e n tb yg i v e nao p e np l a t f o r ma n db ee n c o u r a g e dt o i n n o v a t e t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e st h es t u d i e so nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f s m a r t p h o n es o f t w a r ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m c o m b i n e st h ed e v e l o p m e n to f s m a r t p h o n es o f t w a r ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m a n dp r o v i d e ss t u d e n t s w i t hd e v e l o pe n v i r o n m e n ta n de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fs m a r t p h o n e i no r d e r t oi m p r o v es t u d e n t s c r e a t i v i t ya n di n n o v a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ec u r r e n t s t a t u so ft h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fs m a r tp h o n e s f e a t u r e so fs m a r tp h o n e s w i t hd i f f e r e n t o p e r a t i n gs y s t e m s a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ec u r r e n t e x p e r i m e n t a lt e a c h i n g p r o p o s e dt h a tt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mu s ee m b e d d e d l i n u xa st h eo p e r a t i n gs y s t e m a n d m a k i n gai n d e p t hs t u d yo ns m a r tp h o n e s a r c h i t e c t u r e sw i t he m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n g b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma r c h i t e c t u r ew i t he m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m a n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n tw h i c hu s e di nt h i sp a p e ri sg i v e n t h ea r c h i t e c t u r e 北京化t 人学硕f 学位论文 h a st h r e el a y e r sw h i c hi n c l u d eo p e r a t i n gs y s t e ml a y e r m i d d l e w a r el a y e ra n d a p p l i c a t i o nl a y e r a c c o r d i n gt ot h i st h r e el a y e r s s y s t e ms o f t w a r ei sd e s i g n e d w h i c hi n c l u d ec r o s s c o m p i l ee n v i r o n m e n t b o o t l o a d e r l i n u xk e r n e l f i l e s y s t e m g u ia n dd a t a b a s ed e s i g n t h ee n v i r o n m e n to fa p p l i c a t i o nr u n n i n gi s e s t a b l i s h e db yf i n i s h e ds y s t e ms o f t w a r ed e s i g n b a s i cm u l t i t h r e a d a p p l i c a t i o ne x p e r i m e n t a lp r o j e c t i s d e s i g n e db y c o m b i n i n gs m a r tp h o n e sf u n c t i o n s a n df e a t u r e so fe x p e r i m e n t a lt e a c h i n g p h o n e s m sa n dp h o n e b o o ka p p l i c a t i o ni s a l s od e s i g n e da si n n o v a t i v e e x p e r i m e n t a lp r o j e c t o t h e rp r o j e c t sc a nb ed o n eb a s e do ne x p e r i m e n t a l p l a t f o r mi sa l s og i v e n s y s t e mt e s t i n gi sg i v e nb a s e do nu p n e t a r m 2 4 10 s h a r d w a r ee n v i r o n m e n t a n dt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ea n a l y s i s i s g i v e n s u b s e q u e n t l y a tl a s t n e x ts t e po fw o r kw h i c hn e e d e dt ob er e f i n e da n d i m p r o v e di sg i v e n k e yw o r d s s m a r t p h o n e i n n o v a t i v ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m e m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m a p p l i c a t i o nd e s i g n i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名 矗婴兰丝堑 日期 型 型 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全 部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编 学位论文 保密论文注释 本学位论文属于保密范围 在土年解密后适用 本授权书 非保密论文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授 权书 作者签名 丝 兰丝 查 导师签名 二邑卅 z 一 e t 期 丝 圭 塑 日期 笙 f 钐 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 嵌入式技术和3 g 技术的成熟加速了传统的功能手机 f e a t u r ep h o n e 向智能手机 s m a r t p h o n e 的过渡 智能手机面临着前所未有的发展机遇 智能手机由于具有独立 的操作系统 用户可以定制和安装各种应用软件 这极大地增加的了用户的可操作性 和可用性 近年来 智能手机竞争的焦点集中在软件平台的优化和升级上 苹果 谷 歌相继推出了自己的手机软件平台 m a co s 和a n d r o i d 这使得智能手机以诺基亚的 塞班和微软的w i n d o wm o b i l e 占主流的格局发生了变化 在高校嵌入式系统和通信相关专业课程建设中 实验教学的方式也面临着改变 原来的按照步骤进行实验 记录实验结果的方式已经不适应实验教学对学生创新能 力 创造能力培养的要求 必须寻求新的实验教学方式 开发新的实验教学项目提供 给学生进行自主创新实验 以培养学生的自主创新能力 将智能手机软件平台和创新型实验教学结合起来 构建智能手机软件开发平台 开发基于智能手机软件平台的创新型实验项目 不仅能够培养学生进行实际产品丌发 的能力 更能够通过实验项目的锻炼 提高动手能力 创新能力 从而能够更好地巩 固和掌握相关课程知识 1 2 课题研究的背景和意义 1 2 1 智能手机及其软件平台的发展 随着通信技术的发展 尤其是第三代移动通信技术 3 g 的逐步成熟 市场上对功 能更强 扩展性能更好的智能手机的需求量增长迅猛 具备独立的操作系统是智能手 机最重要的特征 1 1 智能手机操作系统领域也是各手机大厂商争夺的焦点 目前主流 的智能手机操作系统主要有诺基亚的塞班 s y m b i a n r i m 微软的w i n d o w sm o b i l e 苹果的m a co sx 嵌入式l i n u x 和p a l mo s 这六种 各系统的特点 2 叫如下 1 塞班操作系统 s y m b i a n 塞班操作系统 s y m b i a n 最初是由s y m b i a n 公司开发的 其前身是p s i o n 公司推出 的e p o c e l e c t r o n i cp i e c eo fc h e e s e 操作系统 是专门用于智能手机和移动设备的3 2 位抢占式 多任务操作系统 其内核与g u i 用户图形接口 分开 功耗低 占用内存 少 塞班操作系统为第三方开发商提供一个标准和开放的平台环境 使得第三方应用 程序的设计者能够基于该平台开发自己的应用软件 这种方式带来的不足之处是 由 北京化t 人学顾i 学位论文 于第三方厂商的用户接口程序是不同用的 造成了软件不能通用 扩展性较差 这使 得塞班操作系统在办公软件和多媒体录放软件上没有为用户提供足够多的软件供用 户使用 2 微软的w i n d o w sm o b i l e w i n d o w sm o b i l e 是一个为智能手机和移动设备而开发和设计的紧凑的移动操作系 统 由微软丌发 它基于微软的w i n d o w s 被称为 移动版的w i n d o w s 目前的最 新版本为w i d o w sm o b i l e7 w i n d o w sm o b i l e 基于w i n d o w s 嵌入式版本 w i n d o w sc e 内核 具有w i n d o w s 操作系统的基本应用软件和应用程序a p i w i n d o w sm o b i l e 对硬 件的要求较高 市场上配备w i n d o w sm o b i l e 的智能手机大多采用高主频的处理器和 大尺寸触摸屏显示 性能强劲 带来的缺点是耗电量大 成本高 3 苹果i p h o n eo sx 苹果推出其第一款智能手机i p h o n e 后获得了巨大的成功 i p h o n eo sx 继承了 m a co sx 在个人电脑上界面美观的优势 多点触摸技术的加入为苹果i p h o n e 在智能 手机领域获得了可观的市场份额 i p h o n eo sx 采用q u a r t z 图形框架 能够通过显卡 硬件加速实现复杂的图形显示 然而i p h o n e 是一个不开放的平台 用户不能设计和加 载任何自己的应用程序 这使得i p h o n eo sx 的扩展性受到很大的限制 4 p a l mo s 黑莓r i m p a l mo s 是p a l m 公司为手持设备和掌上电脑设计和丌发的操作系统 在p a l m 商 务手机上也普遍采用 p a l m 操作系统是多任务的 但每次只允许一个应用程序的打开 多个应用程序不能同时运行 这使得其运行速度很快 具有较好的实用性 但不适应 需要多应用程序运行的场合 r i m 是商务手机b l a c k b e r r y 采用的多任务操作系统 它 基于j a a 平台 运行稳定 快速 流畅 能够很好地支持电子邮件等商务功能 但 对多媒体播放的支持较差 并且它大多用于处理企业机密电子邮件 出于保密性的需 要 系统不开放 扩展性能差 5 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x 是l i n u x 操作系统的嵌入式版本 它是为各种资源受限的嵌入式终 端产品而设计的 开放的源码和免费供人使用的特点使得l i n u x 的应用开发人员非常 丰富 而越来越多的智能手机开发商也倾向于研发l i n u x 智能手机以此来降低手机成 本 相比于其它智能手机操作系统 l i n u x 独有的优势包括吐 l l i n u x 操作系统能够运行在几乎所有的主流处理器上 如x 8 6 p o w e r p c a r m 等 2 l i n u x 作为一个多用户多任务的操作系统 符合p o s i x 便携式计算机环境操 作系统接口标准 3 l i n u x 支持和鼓励差异 具有良好的开放性使得用户可以构筑适合自己的系统 4 l i n u x 是无任何附加条件的开放平台 对硬件平台具有更好的适应性 可移植 2 第一章绪论 性强 允许定制用户界面和服务 支持多种格式的可执行文件等 g o o s e 在2 0 0 8 年推出了一款基于l i n u x 为最底层技术进行开发的智能手机操作 系统a n d r o i d 它采用l i n u x2 6 x 版本内核 并采用自己的g u i 架构和应用程序接口 采用j a v a 语言来开发应用程序 这使得它不仅拥有l i n u x 操作系统拥有的丌放性 对硬件支持好等优点 并且界面美观 受到了市场的普遍欢迎 可以看到 嵌入式l i n u x 操作系统相比于其他操作系统最大的特点就是完全开放 和移植性好 这也正是实验教学最重要的特征 这可以使学生更好地学习和参与到智 能手机软件的开发中 激发学习兴趣 并且更容易选择自己感兴趣的模块进行研究 从而构建自己的智能手机软件系统 提高创新和创造能力 因此本实验平台采用嵌入 式l i n u x 操作系统作为智能手机的操作系统 1 2 2 创新型实验教学的发展 实验教学在整个教学环节中具有两方面作用 一是对理论知识的验证 二是通过 对理论知识的深入理解 做进一步的创新研究 高校为国家培养的人才不但理论知识 要扎实 同时还应具备一定的专业技术应用能力 这就要求学生在校期间除了要接受 课堂教育 还要受到系统的工程实践训练 8 实验教学不仅要给学生提供与课程相关的实验内容的训练 更好地掌握课程知 识 更重要的是通过实验的过程掌握进行课题研究和项目丌发的方法 在实践教学中 培养学生的独立解决问题和创新的能力 在传统的实验教学中 教师在实验前一般要 进行详细的讲解和操作示范 在实验中 学生不需要主动思维和创新 只需要按照规 定的步骤去操作 观察实验现象 记录实验数据并完成实验报告 在这种实验模式下 学生只是对课本上的知识进行了验证 消化了一个知识点 学生的综合分析能力和创 新思维的发展受到了极大的限制 并且这种实验模式大多针对单一的课程进行设计 实验内容简单孤立 内容肤浅松散 在从事实际项目开发和课题研究时 往往需要跨 学科 跨专业的综合能力 o 因此传统的单一验证型实验模式在培养学生跨专业工 作能力和科研创新能力上是没有帮助的 创新型实验和传统的单一验证型实验相比 具有的特点有 1 在实验目的上 创新型实验是启发学生自己独立探索实验方法而达到实验结果 或者是去研究并找到实验结果 验证型实验则是对己知结果的验证 2 在实验过程上 创新型实验是在老师的指导下由学生自主设计和研究 验证型 实验则是按照已知实验步骤进行实验 3 实验结论不同 创新型实验的结论是不确定的 由学生自己探索 研究找到 验证型实验的实验结论是确定的 已知的 14 1 由此可知 创新型实验培养的不仅是学生对教材知识的掌握和直理解 更重要的 3 北京化1 i 人学硕 学位论文 是培养学生从事项目丌发和科研的方法 创新的思维 在实验教学平台的丌发上 创 新型实验教学平台更多地考虑设计性 创造性实验内容的引进 从实际产品 项目中 选取能够培养学生创新能力的实验内容提供给学生实验 1 3 论文研究的主要结构 本文结合北京化工大学计算机与通信系统实验室创新型教学实验平台丌发项目 对智能手机终端的软件平台进行研究 本文的总体目标是完成智能手机软件实验平台 的开发 设计出能够为学生掌握智能手机软件开发和相关课程知识的综合性实验平 台 为学生提供一个进行智能手机终端实验和开发智能手机软件的实验环境 研究内 容主要包括以下几个部分 1 第一章 查阅文献资料 对于课题相关领域的国内现状和相关理论进行了分析 和研究 介绍了当前智能手机及智能手机软件平台的发展现状 当前创新型实验教学 发展的现状 分析了并给出了创新型实验教学的特点 2 第二章 给出了当前主流的嵌入式l i n u x 智能手机软件架构平台 从实验教学 平台的特点考虑 提出了智能手机软件实验平台的整体架构以及实现本软件实验平台 所需的硬件环境 3 第三章 对智能手机软件实验平台的各系统软件进行设计 构建了智能手机应 用程序开发所需的基本系统软件环境 包括开发环境 操作系统层和中间件层各部分 软件 具体包括开发环境的构建及引导加载程序 v i v i 的实现 嵌入式l i n u x 操作系统 的移植及l c d 触摸屏驱动程序添加 文件系统的移植 智能手机用户图形接e g u i 的移植 智能手机数据库的移植 4 第四章 设计并实现了基于智能手机软件实验平台各软件层的实验项目 在系 统层设计了智能手机多线程程序设计实验项目 给出了进行驱动程序实验的方法 设 计并实现了实验平台电话和短消息应用程序 实现了基 于b e r k e l e yd b 的智能手机通讯 录应用软件 5 第五章 基于博创u p n e t a r m 2 4 1 0 s 硬件实验环境对智能手机各软件模块进 行了测试 包括系统软件中各镜像文件的烧写 应用软件中电话 短消息及通讯录软 件在硬件环境中的运行 从而给出了系统的性能分析 6 第六章 总结全文 并对下一步需要改进和完善的工作进行了概括 4 第一 章实验 f 台整体架构 2 1 系统设计要求 第二章实验平台整体架构 本文采用嵌入式l i n u x 作为操作系统设计智能手机软件实验平台为学生提供智能 手机相关的软件实验环境 以此来帮助学生掌握计算机 通信终端产品丌发和嵌入式 产品丌发的各种专业知识 因此 它的设计必须以实际智能手机的软件架构为参考 这样设计出来的软件平台既能满足学生实验的需求 也能更接近真实产品 此外 作 为实验平台 又不同于智能手机等嵌入式终端产品 它要求软件结构清晰明了 简洁 开放 易于学生参与和掌握 2 1 1 嵌入式l i n u x 智能手机软件体系结构 目前 基于嵌入式l i n u x 的智能手机平台有很多 各大手机厂商也推出了自己的 适用于智能手机的l i n u x 软件平台 主要有以下几种 1 l i m o 平台 1 5 1 l i m o 是由包括摩托罗拉 n e c 松下在内的多家手机制造商和运营商共同发起的 一个联盟 目的是共同构建一个应用软件开发平台环境 开发平台的构建由各成员共 同完成 图2 l 是l i m o 的系统架构 豳 p l a t f o r ms c o p e 裂 亘堕 e 圣圃臣三团 图2 1l i m o 系统架构图 f i g 2 1s y s t e ms t r u c t u r eo fl i m o 在图2 1 中 基于底层硬件平台和通信模块 m o d e m 的l i m o 的架构分成k e r n e l s p a c e 1 为核层 和u s e rs p a c e 用户层 两部分 内核层包括l i n u x 内核 设备驱动和通 信模块接口 用户层包括中间件软件 m i d d l e w a r e 应用程序管理框架和用户图形接 5 口 中问件软件为威用程序提供各种应用服务 应用程序框架用于管理应用程序 用 户罔形接口为用广提供操作智能手机的接口 此外l i m o 将各种应用程序也并八用户 层 2 o p e n m o k o 1 7 o p e n m o k o 是个 源的手机软件项目 由台湾大众电脑发起 其目的是建立一 个自由 丌放的操作系统甲台 它的系统桨构图如图2 2 所示 瞬域必 卜一 卜w m u 卜 i r 瞳 h 凶 h 一 书目 同同同囿圄剖削 圈2 2o p e n m o k o 系统架构图 f i g 2 2s y s t e ms u c t m e o f o p e m o k o 在国2 2 中 o p e n m o k o 的架构分戒 层 最底层是l i n u x 26 内核和设备驱动 在内核和设备驱动z 上是为l 层应用提供的核心廊用以及应用程序管l l 框架 包括 g s m g p s 等应用以及丌发上层应用程序所需要的l i n u x 应用f g 序用户接口 犀上层 是o p e n m o k o 手机的各种应州 o p e n m o k o 对应用程序分类为手控应用程序 f i n g e r a p p l 啪h o n 和笔控应用程序 s t y l u sa p p l i c a t i o n 投第三方应用程序 目前o p e n m o k o 还不 是很成熟 存在漏接电话的现象 对统一豹a p i 接口也没有给予充分的重视 3 谷歌a n d r o l d 8 1 q a n d r o d 是基于l i n u x 内核的丌源手机软件平台 最早由g o o g l e 公司设计 后由 后由开放手机联盟 o p e nh a n d s e ta l l i a n c e 丌发 a n d r o i d 由操作系统层 中间层以及 应用程序层组成 a n d r o i d 平台的系统架构图如图2 3 所示 第 章实验f 台 体架构 图2 3 a n d r o i d 系统架构图 f i g 2 3s y s t ms n u c e u no f a n d r o i d 在a n d r o i d 系统结构图巾 最底层是操作系统层 在操作系统层中包括了智能手 机的各种设备驱动 如显示驱动 u s b 驱动等 中州件层基于操作系统层之上 其中 包括智能手机软件运行时所需的各种库和应用程序框架用以管理上层的应用程序 采 用a n d r o i d 系统的手机软件均采用j a v a 语言开发 因此在中 自j 件中还包括了各种 j a v a 程序运行的j a v a 虚拟机 d a l v i kv i r t u a lm a c h i n e 最上层是各种应用程序 4 m e a m 0 i 2 0 m e a m o 是诺基亚肝发的用于其高端互联网智能手机的基于l i n u x 的移动开发平 台 其结构如图2 4 所示 图2 4 m e a m o 平台架构图 f i g2 4p l a t f o r ms t a x l c t u r e o f m e 唧o m e a m o 平台中 也可以分成三层的结构 最底层为l i n u x 内核 在内核之上为平 台的各种库 库上面是h i l d o n 应用程序框架 最上层是应用程序 可以发现 嵌入式l i n u x 智能手机软件平台通常采用三层结构的设计 即内核层 中间层和应用程序层 内核为上层提供所需的l i n u x 系统应用如进程调度 内存管理 日曰 北京化t 人学硕i j 学位论文 等 内核层还包括各种设备驱动 使得操作系统层能够为上层应用程序提供调用底层 设备的接口 中间层提供管理应用程序的框架和各种上层应用服务 包括包括应用程 序需要用到的库函数 数据库等 最上层是应用程序层 为用户操作智能手机提供 u i 界面并实现各种日常应用 2 1 2 实验平台设计思想 本课题研究的是智能手机软件实验平台 核心任务是设计出用于学生进行创新实 验的智能手机软件实验平台 尽管现在嵌入式l i n u x 智能手机终端产品的软件平台逐 渐发展成熟 但是 在高校实验教学课程建设中 将智能手机软件开发等实际项目引 进实验教学提供给学生进行学习和研究 还是一个新兴的课题 本文设计的智能手机 软件实验平台基于智能手机产品的软件架构 同时 作为实验系统对智能手机软件平 台提出了不同于智能手机产品的要求 1 智能手机产品的软件架构一般是不开放的 特别是底层的各软件模块 而实验 平台中 学生应掌握智能手机各层的软件结构 并且能够参与到各层软件的研究和开 发 2 创新型实验平台不仅要求具有基础性的实验内容供学生实验以便掌握和巩固 相关专业的知识 还应具有创新型和创造性的实验项目供学生选用 智能手机产品的 目的是最大满足用户的使用需求 3 智能手机软件实验平台是基于智能手机硬件环境的 而智能手机产品的硬件环 境是封闭的 扩展性很差 实验平台必须选用开放 扩展性好的硬件环境 并可方便 地在硬件上扩展智能手机所需功能的硬件单元 从而为开发相应的软件提供支持 基于以上考虑 本智能手机软件实验平台的设计中应符合以下要求 1 实验平台以实际智能手机产品软件架构为参考 整体结构清晰开放 平台中的 各软件模块学生均能参与研究和开发 2 搭建起智能手机运行的基本的系统软件后 还应开发一些包括基础型 创新型 以及创造型实验项目供不同层次的学生进行掌握 3 选择开放 可扩展的硬件环境替代所需的智能手机硬件平台 该硬件平台可方 便扩展智能手机所需的各硬件单元 2 2 系统整体方案设计 2 2 1 系统硬件环境 早期的功能手机在硬件上只有一个处理器 它负责智能手机全部功能的协调和控 制工作 不仅完成各通信协议的实现 还要实现用户图形界面 并负责与完成语音编 第二章实验i f 台整体架构 解码 复杂算法等模块的d s p 协处理器之间的通信 单处理器的结构在处理智能手机 复杂和繁重的各种任务上显得力不从心 现有的智能手机普遍采用双处理器的结构 即基带处理器 应用处理器 其中基带处理器专门用于通信 由它负责通信协议 控 制d s p 处理各种算法 完成通信的功能 而应用处理器专门负责保障智能手机的各种 应用软件的运行 两个处理器之间采用串口连接 用a t 命令实现通信 2 1 1 本平台采用应用处理器 基带处理器的架构 根据实验平台的特点 除了完成基本 的智能手机功能外 还提供一些调试接口供学生在进行实验时进行各种软件调试 应 用处理器采用外围接口资源丰富的s a m s u n g 3 c 2 4 1 0 a r m 9 处理器 基带处理器采 用s i m c o m 公司的s i m 3 0 0 e 通信模块 外围设备包括f l a s h l c d 触摸屏等构 成基本的的硬件平台 同时扩展u s b 串口等接口 能够连接摄像头 蓝牙等各种模 块 以太网调试口提供n f s 邱等功能 串口调试接口提供超级终端访问功能 硬 件环境的配置如图2 5 所示 图2 5 平台硬件环境配置 f i g 2 5h a r d w a r ee n v i r o n m e n tc o n f i g u r a t i o no f p l a r f o r m 各部分硬件资源简要说明如下 1 应用处理器 3 c 2 4 10 2 2 2 3 应用处理器采用三星 3 c 2 4 1 0a r m 9 处理器 3 c 2 4 1 0 是三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器 采用a r m 9 2 0 t 内核 a r m 9 2 0 t 实现了m m u a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构 这一结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 通 过提供一系列完整的系统外围设备 3 c 2 4 1 0 大大减少了整个系统的成本 它为手持 设备和一般类型应用提供了低价格 低功耗 高性能小型微控制器的解决方案 3 c 2 4 1 0 工作后主频稳定在2 0 3 m h z 处理智能手机中的一般应用程序及多媒体程序 是足够的 2 基带处理器s i m 3 0 0 e 9 北京化t 人学硕i 学位论义 平台的基带处理器选择s i m c o m 公司的s i m 3 0 0 e 通信模块 2 4 s i m 3 0 0 是一款 高度集成的三频 四频g s m g p r s 模块 s i m 3 0 0 e 集成了完整的射频电路和g s m 基 带处理芯片 非常适合丌发g s m g p r s 的无线应用产品如智能手机 p d a 无线公 用 商用电话等 s i m 3 0 0 e 支持标准的a t 命令控制 支持g p r sc l a s s1 0 多 具有语 音 s m s 信息 数据功能及其他功能 3 其他各外设配置 其他外设包括智能手机电源 时钟模块 小键盘为智能手机提供键盘输入 6 4 m 的s d r a m 和f l a s h 为智能手机提供数据和程序存储空问 l c d 触摸屏提供智能手 机的显示和手写输入 作为实验平台 串口1 提供调试接口 提供调试信息显示和各 操作命令的输入 以太网调试口为平台提供下载数据和程序的功能 u s b 和串口2 还 可扩展其他功能模块 如连接u s b 摄像头 g p s 导航设备等 在具体的实现中 本文选择博创u p n e t a r m 2 4 1 0 s 实验平台作为智能手机开发 和测试的硬件平台 博创u p n e t a r m 2 4 1 0 s 实验平台基于三星s 3 c 2 4 1 0a r m 9 处理 器 外部扩展l c d 触摸屏 6 4 ms d r a m 6 4 mf l a s h u s b 接口 s i m 3 0 0 e 通信 模块通过串口与u p n e t a r m 2 4 1 0 s 平台相连 非常适合进行p d a 智能手机 嵌入 式终端设备的研究和开发 2 2 2 系统整体框图 结合智能手机软件产品的平台架构 创新实验平台本身的特点以及本实验平台采 用的硬件环境 系统的整体框图如图2 6 所示 实验平台采用三层结构 即操作系统 层 中问件层和应用程序层 每一层包含实现智能手机各种功能的软件模块 图2 6 系统整体框图 f i g 2 6o v e r a l ls t r u c t u r eo fs y s t e m 1 0 应用软件 中间件 操作系统 硬件环境 第二章实验甲 台整体架构 1 操作系统层 操作系统层包括两部分 一部分是与智能手机底层硬件相关的各外设驱动 如为 加载l i n u x 内核做好硬件准备的b o o t l o a d e r l c d 驱动 触摸屏驱动 串口驱动等 它为上层应用程序调用设备提供统一的方法 在l i n u x 系统中 所有的设备都以文件 的方式进行访问 另一个部分是l i n u x 内核 l i n u x 内核提供的功能主要有进程调度 内存管理 进程间通信 以及文件系统 这些功能为智能手机应用程序提供a p i 调用 接口 操作系统层利用l i n u x 内核及外部资源管理智能手机上的资源 2 中间件层 中间件层为智能手机应用程序的运行提供功能支持 本平台中 中间件层包含电 话 短信服务 嵌入式g u i 嵌入式数据库 电话 短信服务为智能手机电话 短消息接 口支持 它包括上层应用程序对底层串口的操作 嵌入式g u i 用户实现人机交互 嵌 入式数据库管理系统统一管理各种数据 3 应用程序层 最上层是应用程序层 包括手机基本应用软件和其他软件 如电话 短消息应用 互联网应用 通讯录等 其中电话 短消息是智能手机中最基本也是最重要的应用程 序 也是本实验平台重点开发的实验项目 2 3 本章小结 本章首先总结了目前主流的l i n u x 智能手机系统采用的软件架构 并分析了智能 手机创新实验平台不同于智能手机产品的一些特点 并给出了本软件实验平台所基于 的硬件环境 最后给出了本平台的整体设计方案 第三章系统软件设计 第三章系统软件搭建 本实验平台中 系统软件包括操作系统层和中问层的各部分软件 目的是为智能 手机上层应用软件的运行提供一个稳定的平台环境 因此 系统软件的设计是整个智 能手机软件平台的基础 具体包括引导加载程序的实现 l i n u x 内核移植 文件系统 设计 驱动程序添加 智能手机用户图形界面和数据库的设计 3 1 开发环境的搭建及b o o t l o a d e r 实现 3 1 1 实验平台开发环境的搭建 智能手机是典型的嵌入式产品 作为嵌入式l i n u x 终端设备 其软件的开发方式 不同于l i n u x 宿主机上的软件开发 宿主机上的软件开发都是在本机上编写 编译 调试和运行 然而对于嵌入式系统而言 其硬件资源是有限的 要在嵌入式系统的硬 件平台上完成软件丌发的各项工作是不现实甚至是不可能的 因此 在嵌入式系统中 采用交叉编译的软件开发方式 即在宿主机上完成编写 编译 调试 在嵌入式系统 中运行的方式 2 5 2 7 1 交叉编译是在宿主机上产生在目标机上运行的应用程序 因此必须构建针对目标 机环境的编译环境 即构建交叉编译工具链 一套完整的交叉编译链通常包括 1 能够为目标嵌入式系统提供c 编译器的g e e 2 能够为目标嵌入式系统提供汇编和链接功能的二进制工具b i n u t i l s 3 f l 匕够提供目标系统标准的c 库g l i b c 在实验平台中学生可以根据目标平台重新制作交叉编译工具链 从网上获得各工 具的源码 解压 编译和安装 其过程在参考文献2 8 2 9 中有详细介绍 在此不做 赘述 此外 还可以从互联网上获得已经制作好的针对a r m 平台的交叉编译链 下 载源码后进行简单的配置即可 本文选择交叉编译器的版本为a r m 1 i n u x g e e3 4 1 在 目标机上的配置过程如下 1 下载制作好的交叉编译工具链源码a r m l i n u x g e e 3 4 1 t a r g z 2 解压源码t a rz x v fa r m 1 i n u x g e e 3 4 1 t a r g z 在当前目录下会生成一个u s r 目录 将该目录下l o c a l 子目录的内容复制到宿主机 u s r l o c a l 目录下 3 设定环境变量 修改 b a s h 文件 增加交叉编译器的路径 添加 profile p a t h u s r l o c a l a r r n 3 4 1 b i n p a t h 以后只要指定交叉编译工具为a r m 1 i n u x g e e 时 系统会自动找到该路径 并利用该路径下的交叉编泽工具对所要编译的程序进行 编译 1 3 北京化t 人学顺l 学位论义 在将各软件下载到硬件环境中运行时 需要通过调试接口观察程序运行的情况 实验平台硬件上采用串口1 作为调试输入输出口 在宿主机中必须配置好串口调试工 具 w i n d w o s 中可新建超级终端 选择串口1 设置通信波特率为1 1 5 2 0 0 硬件流选 择无 在l i n u x 中提供了相应的工具m i n i c o m 在r e d h a t 9 宿主机中 使用m i n i c o m s 配置m i n i c o m 进入配置界面后 相应地将串口选择为 d e v t t y s l 设置平台和宿主机 的通信波特率为11 5 2 0 0 并去掉硬件流 最后保存退出 将宿主机上编译好的软件下载到实验平台硬件中有多种方式 当实验平台中的 f l a s h 为空时 必须首先利用f l a s h 烧写工具将b o o t l o a d e r 烧写到f l a s h 中 有 了b o o t l o a d e r 之后 l i n u x 内核和文件系统的下载可以通过串口进行发送 调试应用 程序就需要n f s 工具了 n f s n e tf i l es y s t e m 网络文件系统 是嵌入式系统开发目标 机软件调试经常使用的一种方法 通过n f s 服务器 目标机可以像访问本地文件一样 访问和使用目标机上的文件 从而节省了目标机所需的磁盘空间 配置n f s 服务时 修改 e t c e x p o r t 文件来指定宿主机上的共享目录 然后执行s e r v i c e n f ss t a r t 命令来启动 n f s 服务 3 1 2b o o t l o a d e r 的实现 实验平台中 3 c 2 4 1 0 处理器支持两种启动方式 一种是n a n df l a s h 启动 另一种是n o rf l a s h 启动 实验平台采用前一种方式 当从n a n df l a s h 启动时 3 c 2 4 1 0 内部的4 kb o o ts r a m 被映射到n a n df l a s h 的最低4 k 空间 而这4 k 空 间是放置b o o t l o a d e r 的地方 因此 系统上电后 首先丌始运行b o o t l o a d e l b o o t l o a d e l 的功能是完成硬件设备的初始化 内存空间映射 3 0 为加载操作系统和应用程序做准 备 b o o t l o a d e r 的运行流程如图3 1 所示 步骤l步骤2 l 建立巾断 异常向量表 i 配置部分硬件 把f l a s hr f i 的程序拷贝剑 s i r a m 中 黝b 转至u s d r a m 中 配置好操作系统运行前 的硬件环境 检测系统的内存映射 配冒内核启动参数 启动操作系统 图3 1b o o t l o a d e r 运行流程图 f i g 3 1f l o wc h a r to fb o o t l o a d e r b o o t l