移動電話挑戰(zhàn)嵌入式Linux

摘要： 正當(dāng)移動電話制造商(OEM)擁抱Linux作為下一代智能電話的平臺的時(shí)候，開發(fā)和布置這樣的設(shè)備還在面臨著技術(shù)上的挑戰(zhàn)，特別是OEM們必須保證電話具有電源管理，快速引導(dǎo)，集成的無線接口，先進(jìn)的多媒體功能，吸引人的小尺寸GUI以及各種PIM應(yīng)用－而且所有的這些全部集成和運(yùn)行在一個(gè)適度的手機(jī)儲存空間里面。這也是嵌入式Linux 開發(fā)者所面臨的挑戰(zhàn)，不同于PC，電話設(shè)計(jì)并不是建立在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)上面。文章詳細(xì)闡述了基于Linux的移動電話開發(fā)的各種技術(shù)問題，涉及到關(guān)鍵的Linux技術(shù)和支持電話開發(fā)開源項(xiàng)目的可用性和成熟性。另外，文章還討論了移動運(yùn)營商提出的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面的問題。

關(guān)鍵詞： Linux 電話；電源管理；智能手機(jī)；實(shí)時(shí)性

全球移動電話的市場正在爆炸性的增長，分析機(jī)構(gòu) IDC 2005年Q2的報(bào)告中指出，手機(jī)市場增長了近34％，全球語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，近7億部手機(jī)正在OEM工廠設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，很快將進(jìn)入百姓的手中，分析公司Gartner 預(yù)測到2009年，全球移動電話的安裝數(shù)量將達(dá)到26億部。 對于以Linux為中心的IT工業(yè)而言,這些數(shù)字相對于Linux的發(fā)貨和服務(wù)器的安裝,即使是全球的桌面市場的數(shù)量也是巨大的。這樣的移動電話市場即代表了一個(gè)爆炸性增長的機(jī)會也表示了它在終端市場的占有率,而且它也是對于Linux 已經(jīng)占領(lǐng)的基于電信,企業(yè)和嵌入式Linux 的設(shè)備市場的一個(gè)很好的補(bǔ)充。
　　　
為什么是Linux和無處不在的Linux?

在過去3年Linux 作為移動電話的OS平臺已經(jīng)取得了相當(dāng)大的收獲。OEM 如LG、 摩托羅拉、 NEC、 松下 和三星已經(jīng)銷售了20余款 Linux 電話,另外還有中國品牌的大唐、e28(上海毅仁信息科技)、 海爾和 中興,  諾基亞 和其他的OEM也已經(jīng)開始銷售基于Linux 的無線VoIP 終端。無論是大型還是小型的OEM都正在選擇Linux 作為智能手機(jī)的策略平臺,這里面即有技術(shù)原因也存在經(jīng)濟(jì)的因素。在技術(shù)層面，OEM們選擇Linux 是因?yàn)樗男阅?可靠性,標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和靈活性，在經(jīng)濟(jì)方面, Linux 可以給OEM 們更低的開發(fā)和布置成本,更多的供應(yīng)商或者自己開發(fā)的方案, Linux還可以給OEM 們一個(gè)廣泛開發(fā)的商業(yè)技術(shù)生態(tài)環(huán)境和一個(gè)可能的機(jī)會 ——統(tǒng)一的產(chǎn)品線和工程投入以支持多層次的產(chǎn)品(包括智能手機(jī),功能手機(jī)和入門級手機(jī)),多種網(wǎng)絡(luò)制式(GSM, CDMA, WCMDA 和Wi-Fi)以及運(yùn)營商日益變化的需要。

因?yàn)檫@些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的利益，Linux 電話的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到市場總量的1-2%，在智能手機(jī)這個(gè)快速增長的領(lǐng)域里L(fēng)inux 正在占據(jù)著一個(gè)強(qiáng)有力的位置，智能手機(jī)的市場份額正以每年85%的速度增長，而Linux 有25%的市場份額(Gartner2005年的數(shù)據(jù))，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先Windows Mobile，只比Symbian OS 落后一個(gè)百分點(diǎn)。

　　　
電話的分類

劃分電話的類型不是一個(gè)精確的科學(xué)過程，甚至也不是一個(gè)準(zhǔn)確的市場活動。某些功能電話的顯著特點(diǎn)(如email，圖像處理)已經(jīng)是今天各種價(jià)格的電話的基本功能了。即使今天智能手機(jī)所具有的特性也許是6個(gè)月后所有手機(jī)都有的功能,今天你以為物有所值的功能手機(jī)，在假期結(jié)束以后已經(jīng)淪為可以作為禮品的入門手機(jī)了，而且它們可能只有從春天到夏天的一個(gè)季節(jié)生命周期。

智能手機(jī)的陷阱

相比把開源的OS放在一個(gè)低端手機(jī)上，發(fā)布一款智能手機(jī)是相對容易多了。因?yàn)橹悄苁謾C(jī)的售價(jià)和利潤都高，它可以有允許更多的BOM(材料成本)和軟硬件空間實(shí)現(xiàn)多媒體、顯示和射頻基帶(RF)等電話的關(guān)鍵功能。一般情況下智能手機(jī)的應(yīng)用OS(Linux，Windows Mobile等)是運(yùn)行在一個(gè)專門的應(yīng)用處理器上，同時(shí)另外的一個(gè)CPU 和DSP處理語音，多媒體和RF功能。智能手機(jī)的購買者是典型的成熟用戶，他們熱衷于新技術(shù)，并且對于由于新的技術(shù)和功能代來的電池消耗等問題更有相當(dāng)?shù)膶捜荻取?BR>
然而到目前為止智能手機(jī)只占整個(gè)手機(jī)市場的6％，如果Linux開發(fā)者真正希望進(jìn)入廣闊的手機(jī)市場，Linux 手機(jī)平臺必須支持中端手機(jī)或者“功能手機(jī)”的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面的要求。這些手機(jī)在技術(shù)方面無法和智能手機(jī)賽跑，硬件方面也無法和智能手機(jī)相比，一個(gè)低成本的BOM 意味著運(yùn)行在應(yīng)用處理器上的Linux 不得不面對所有的語音，數(shù)據(jù)，RF和圖形任務(wù)。一個(gè)運(yùn)行在0~200MHz的單芯片CPU 的Linux電話需要電源管理和合適的儲存空間以匹配Linux 的運(yùn)行和成本的控制要求。

社會團(tuán)體和各國政府正在幫助縮小全球數(shù)字化的鴻溝，我們可以大膽的想象這是一款針對發(fā)展中國家的低收入人群開發(fā)的電話(可以認(rèn)為是個(gè)瘦Ubuntu：一種時(shí)下流行開源的Linux)，就好像是目前難以讓人琢磨的100美元 電腦一樣，下一個(gè)也許是“免費(fèi)的” Linux 電話了。

隨著時(shí)間的流失，中端甚至低端電話的硬件都可以滿足Linux 的要求，但是同時(shí)這些手機(jī)的利潤也變得越來越薄。過去10余年電池技術(shù)不能以一個(gè)適度的速度提升，這就意味著應(yīng)用不能和時(shí)鐘的提速相匹配。所以如果Linux電話要跳出智能手機(jī)的桎梏，它必須采用新的功能并改進(jìn)和合并許多現(xiàn)有的功能以應(yīng)對面臨的挑戰(zhàn)。
　　　
技術(shù)挑戰(zhàn)

開放軟件開發(fā)試驗(yàn)室(OSDL.org)最近發(fā)起了新的行動計(jì)劃－MLI(Mobile Linux Initiative)，目的是培養(yǎng)和支持Linux 在手機(jī)中的應(yīng)用。MLI目前的首要任務(wù)是使Linux 成為更適合手機(jī)的OS 平臺。下面列舉的一些問題來自MLI的參與者和有興趣的合作伙伴，特別是手機(jī)制造商和芯片供應(yīng)商。

電源管理

今天，如果便攜式設(shè)備制造商想要提供一個(gè)基于Linux和有電源管理的設(shè)備，他們將面對各種方案而不知所措。

OEM可以參考以筆記本為代表的桌面系統(tǒng)的電源管理，如ACPI和APM，在內(nèi)核的郵件列表中關(guān)于桌面電源管理的討論確實(shí)也是最多的，非x86/IA-32 結(jié)構(gòu)的筆記本硬件，OEM可以使用針對蘋果PowerPC 的PMU。 嵌入式的OEM如果是使用ARM授權(quán)的芯片可以借助ARM公司的LEM框架，或者10余家ARM授權(quán)芯片公司也有自己的電源管理方案(如Freescale，Intel，NEC，Samsung，TI等)。MIPS和MIPS授權(quán)芯片公司，F(xiàn)reescale，IBM Power 框架，Renesas 和 Hitachi產(chǎn)品線也有自己的更加獨(dú)特的電源管理協(xié)議和方法。OEM當(dāng)然可以選擇像MontaVista 的 DPM和其他嵌入式Linux供應(yīng)商的方案。選擇當(dāng)然是一件好的事情，但是太多的選擇會導(dǎo)致方案支離破碎的狀況和應(yīng)用缺少可再用性。應(yīng)對電源管理的問題，OSDL MLI的成員和工業(yè)界已經(jīng)表達(dá)了一種愿望，即一個(gè)統(tǒng)一的，跨處理器平臺的電源管理途徑，或者一個(gè)主流的，更高層次的，可以覆蓋嵌入式，桌面和刀片服務(wù)器電源管理的體系結(jié)構(gòu)。

無線電接口

今天的Linux智能手機(jī)中，GPRS接口是被集成在一個(gè)調(diào)制解調(diào)器里面，它包含一個(gè)CPU核，DSP和支持無線通訊的RF硬件。很像一個(gè)調(diào)制解調(diào)器——許多智能手機(jī)和這些嵌入式處理器是通過一個(gè)串口上的AT命令進(jìn)行通訊的。這種靠卸載無線電功能來簡化智能手機(jī)設(shè)計(jì)的方法是可行的，但是這將會進(jìn)一步增加整個(gè)手機(jī)的成本。今天，一些富有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)已經(jīng)去掉了調(diào)制解調(diào)器，把基帶接口開放給了應(yīng)用處理器(像目前中低端的手機(jī)使用Nucleus這種情況)，但是這樣會給即使是最新Linux的實(shí)時(shí)性技術(shù)(搶占和開源的實(shí)時(shí)補(bǔ)?。旅孢€會提到)帶來相當(dāng)?shù)膲毫?。GSM或者CMDA無線協(xié)議信令幀大約是800~900微秒的時(shí)間，如果是X86/IA-32 或者是PowerPC處理器一般都是500MHz 到1.5GHz CPU 時(shí)鐘, 一個(gè)毫秒以內(nèi)的最壞情況的響應(yīng)是很容易到達(dá)的，但是如果是處理器時(shí)鐘在0~200MHz，的ARM CPU，基于Linux的硬實(shí)時(shí)的中端響應(yīng)和搶占延遲仍然是具有挑戰(zhàn)的。另外的一個(gè)挑戰(zhàn)的領(lǐng)域是把已經(jīng)非常成熟的電話協(xié)議棧移植到Linux上，這種軟件是基于傳統(tǒng)的RTOS開發(fā)和優(yōu)化的，像Nucleus 和 REX。這些多層協(xié)議是用每一層特有的線程切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，如果移植到Linux可能會在層和層之間增加20~30微秒切換延遲,這樣只是穿越一個(gè)單包的協(xié)議棧就消耗了計(jì)算時(shí)間的很大的部分，留給其他任務(wù)的CPU時(shí)間就很少了。所以，如果Linux要想進(jìn)入中低端手機(jī)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，它必須要解決低延遲的任務(wù)切換和CDMA/GSM協(xié)議棧的移植這兩個(gè)重要的問題。

實(shí)時(shí)性

在過去的5年中，Linux已經(jīng)在向自身實(shí)時(shí)性改善的方向發(fā)展并取得了長足的進(jìn)步。今天Linux已經(jīng)具備了本身的實(shí)時(shí)性選擇，包括搶占內(nèi)核，0(1) 調(diào)度，F(xiàn)UTEXes 和最近的開源的實(shí)時(shí)Linux項(xiàng)目－現(xiàn)在已經(jīng)合并到由Ingo Molnar維護(hù)的搶占補(bǔ)丁里面了。同時(shí)還有雙內(nèi)核和虛擬計(jì)算的技術(shù)，像RTLinux， RTAI，Adeos和未公開的Jaluna Osware。實(shí)現(xiàn)把一個(gè)嵌入式的RTOS虛擬到Linux里面，另外還有一些目前還屬于研究階段的實(shí)時(shí)項(xiàng)目和技術(shù)，如L4 Micokernel 和L4 Linux 等。OSDL MLI 的成員和社區(qū)更愿意接受和喜歡Linux本身的實(shí)時(shí)性改善的實(shí)時(shí)方案，為了支持Linux直接面對RF處理器，多媒體和語音處理，多數(shù)人認(rèn)為Linux應(yīng)該繼續(xù)像RTOS 一樣在實(shí)時(shí)響應(yīng)方面發(fā)展。在移動電話的設(shè)計(jì)中，為了減少電池消耗，系統(tǒng)時(shí)鐘可能從200MHz降低到40MHz (甚至0Mhz)后再回升回去以響應(yīng)系統(tǒng)的策略和外設(shè)輸入的要求，這些動作產(chǎn)生的切換要求Linux必須有足夠的響應(yīng)能力和時(shí)限保證。

小尺寸

今天智能手機(jī)出廠的時(shí)候已經(jīng)有了128MB的FLASH 和64MB的RAM，然而作為一個(gè)電話的OS需要為在有限的存儲器里尋找節(jié)省每個(gè)字節(jié)而努力。OS和中間件占掉的每個(gè)字節(jié)都不能為OEM增值而服務(wù)。在原理上嵌入式 Linux 可以以大約1MB的容量布置，但是實(shí)際電話的配置中卻大的多。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員，平臺提供商和Linux 內(nèi)核的維護(hù)者都提供了一系列配置工具以壓縮Linux平臺的尺寸。
　　　
運(yùn)營商的新需求

電話制造商雖然希望按照自己的想象進(jìn)行創(chuàng)新，但是已經(jīng)意識到他們不能完全按照自己想法去設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一個(gè)電話，取而待之的是他們必須遵循他們的用戶－移動運(yùn)營商(像Cingular, 沃達(dá)豐 ,中國移動等)的要求和規(guī)范去做事，這些無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營企業(yè)公司，他們多數(shù)是本國政府嚴(yán)格控制的或者大型的跨國企業(yè)，他們要代表政府和行業(yè)去管理和規(guī)范市場，移動電話是這個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分和單元。
 
每個(gè)國家的政府，尤其是美國政府對無線電頻譜都進(jìn)行嚴(yán)格的管理和控制，美國的聯(lián)邦通訊委員會(FCC)拍賣和發(fā)放無線頻譜和管理帶寬，信號強(qiáng)度，安全和內(nèi)容。雖然個(gè)別國家和地區(qū)協(xié)會趨向于開放和免費(fèi)使用無線頻率。

負(fù)責(zé)政策和規(guī)則制定的移動運(yùn)營商完全可以體會到開放的設(shè)備結(jié)構(gòu)帶來的問題，運(yùn)營商并不是完全反對開放， 只是會更多的考慮到如何安全的布置增值服務(wù)和管理問題。協(xié)調(diào)在技術(shù)層面建立一個(gè)完善開放環(huán)境和一個(gè)有限制的API 接口，當(dāng)然還有著更多的政策和法規(guī)的討論，設(shè)備制造商，電話的開發(fā)者和行業(yè)主管已經(jīng)打開了原來是完全封閉的手機(jī)一點(diǎn)點(diǎn)口子，比如在過去5年里面用戶和行業(yè)觀察家看到Java 和 BREW電話, 更令人振奮的是最近幾年的SymbianOS 和 Windows Mobile 5.0.上的本機(jī)應(yīng)用軟件層出不窮。

基于Linux的電話展示了未來一個(gè)在用戶空間可以編程的安全開放環(huán)境；而且它擁有一個(gè)具有優(yōu)秀的開發(fā)人員的完善的社區(qū)團(tuán)隊(duì)。相信未來基于Linux的電話將是一個(gè)完全的開放平臺，但是目前的情況還不近人意，現(xiàn)在發(fā)行的Linux電話是基于一個(gè)內(nèi)核和許多OS的組件(像某個(gè)版本的Qt)，它們不是一個(gè)開放的設(shè)備。黑客不能(或者說非常不容易)自己構(gòu)造一個(gè)內(nèi)核，OS和應(yīng)用部件替代原來的系統(tǒng)(像大家以前做過的Linux PDA一樣)，甚至即使是在電話應(yīng)用上面增加一點(diǎn)功能。這些設(shè)備不能注冊登陸和讓用戶自己刷新，現(xiàn)在開啟這些Linux 電話大門只是Java。市場上有開放的Linux手機(jī)資源，一個(gè)項(xiàng)目是Harald Welte的 Open-EZX (www.open-ezx.org)。這個(gè)項(xiàng)目還處在一個(gè)早期階段，項(xiàng)目努力在構(gòu)造一個(gè)100%開放的電話軟件，支持像A780和E680的Motorola電話。項(xiàng)目的wiki (wiki.openezx.org)里面充滿如果使用Open-EZX可能不能正確的引導(dǎo)和失去正常功能的各種警告信息，但是這個(gè)項(xiàng)目的確包含了如何構(gòu)造和生成一個(gè)‘Shell’,以及交叉編譯這些有用的信息(因?yàn)锳780和E680是基于Intel XScale 框架的 PXA 處理器)。

Motorola的首席電話框架師絕對是不支持這樣的努力， 原因是什么？主要是責(zé)任問題。電話用戶會擔(dān)心他們的電話網(wǎng)絡(luò)的完整性，安全性。當(dāng)然Motorola還擔(dān)心要支持?jǐn)?shù)百萬部電話以及他們可能的各種Open-EZX 軟件的分支版本, 這樣你就知道為什么叫“Open-EZX”了，因?yàn)橄馦otorola這樣的設(shè)備制造商是希望鼓勵(lì)社區(qū)的開發(fā)者在他們的平臺上作些擴(kuò)展，他們只是希望這種擴(kuò)展的道路沿著未來開放策略發(fā)展的軌跡。今天這個(gè)“Open-EZX”最可能有意義的是為ISV提供了一個(gè)SDK的開發(fā)環(huán)境。

希望不久的將來，通過教育和堅(jiān)持不懈的努力，小心謹(jǐn)慎的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和行業(yè)規(guī)劃者們將意識到移動電話是個(gè)計(jì)算平臺，而不只是個(gè)單功能的無線電設(shè)備。

結(jié)語

Linux 的電話正在走進(jìn)千家萬戶，2006年中 Motorola中國公司繼A760,A780,E680后一款叫“明”的Linux手機(jī)以她亮麗的外觀，穩(wěn)定的平臺和軟件，新穎的功能為智能手機(jī)銷售歷史贏得了新的記錄和突破，更多本土和海外手機(jī)制造商和手機(jī)設(shè)計(jì)所 正在努力嘗試著Linux手機(jī)的設(shè)計(jì)，ZTE的E2，海爾的N60，E28的HAWK3等就是它們當(dāng)中的姣姣者。日本NTT DOCOMO電話公司最近宣布發(fā)表了最新的基于ARM11 N903i ，這是繼成功的N900i, N901i,  N902i后的又一款針對日本市場的3G 手機(jī)。無疑，亞洲是Linux 電話的重要舞臺和市場。OSDL MLI 的第一次成員會議選擇了中國召開，包括了Motorola、Montavista、Windriver、intel數(shù)十家成員和觀察員的OSDL大家庭聚會在2005年金秋的北京，筆者也看到包括大唐，華為，ZTE,龍旗在內(nèi)的中國手機(jī)制造和設(shè)計(jì)企業(yè)表現(xiàn)了極大的熱情和關(guān)注。OSDL MLI 通過會議的討論樹立了通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面的努力加快Linux 在電話領(lǐng)域發(fā)展的奮斗目標(biāo)。雖然Linux正在和將要面臨移動電話設(shè)計(jì)中的更多的技術(shù)和商業(yè)方面的挑戰(zhàn)，包括某些領(lǐng)先的手機(jī)設(shè)備制造商也懷疑Linux的成熟性，但是堅(jiān)信依托Linux在電信服務(wù)器，通用的嵌入式系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，豐富開源社區(qū)技術(shù)和商業(yè)人才，手機(jī)芯片公司，國際性的標(biāo)準(zhǔn)組織和電信運(yùn)營商以及世界和亞洲政府鼎立支持和推動，Linux必將在移動電話領(lǐng)域發(fā)揮一個(gè)主導(dǎo)的作用。

參考文獻(xiàn)：
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2.  www.linuxdevices.com ,www.mvista.com,www.trolltech.com, www.bmrtech.com
3.  www.osdl.org/lab_activities/mobile_linux/mli
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