基於Linux的行動電話開發技術及前景

摘要：正當行動電話製造商（OEM）擁抱Linux作為下一代智能電話的平台的時候，開發和布置這樣的設備還在面臨著技術上的挑戰，特別的是OEM們必須保證電話具有電源管理，快速引導，集成的無線介面，先進的多媒體功能，吸引人的小尺寸GUI以及各種的PIM應用－而且所有的這些全部集成和運行在一個適度的手機儲存空間裡面。這也是嵌入Linux 開發者所面臨的挑戰，不同於PC，電話設計並不是建立在一個標準的系統上面。文章詳細闡述了基於Linux的行動電話開發的各種技術問題，涉及到關鍵的Linux技術和支持電話開發開源項目的可用性和成熟性。另外，文章還討論了移動運營商提出的技術和經濟層面的問題。

關鍵字：Linux 電話，電源管理，智能手機，實時性。

全球行動電話的市場正在爆炸性的增長，分析機構 IDC 2005年Q2的報告中指出，手機市場增長了近34％，全球語音和數據網路中，近7億部手機正在OEM工廠設計和生產很快將進入百姓的手中，分析公司Gartner 預測到2009年，全球行動電話的安裝數量將達到26億部。對於以Linux為中心的IT工業而言,這些數字相對於Linux的發貨和伺服器的安裝,即使是全球的桌面市場的數量也是巨大的.這樣的行動電話市場即代表了一個爆炸性增長的機會也表示了它在終端市場的佔有率,而且它也是對於Linux 已經佔領的基於電信,企業和嵌入式Linux 的設備市場的一個很好的補充。

為什麼是Linux和無處不在的Linux?

在過去3年Linux 作為行動電話的OS平台已經取得了相當大的收穫。OEM 如LG、 摩托羅拉、 NEC、 松下 和三星已經銷售了20餘款 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也已經開始銷售基於Linux 的無線VoIP 終端。無論是大型還是小型的OEM都正在選擇Linux 作為智能手機的策略平台,這裡面即有技術原因也存在經濟的因素。在技術層面,OEM們選擇Linux 是因為它的性能,可靠性,標準的TCP/IP網路和靈活性，在經濟方面, Linux 可以給OEM 們更低的開發和布置成本,更多的供應商或者自己開發的方案, Linux還可以給OEM 們一個廣泛開發的商業技術生態環境和一個可能的機會 ——統一的產品線和工程投入以支持多層次的產品(包括智能手機,功能手機和入門級手機),多種網路制式(GSM, CDMA, WCMDA 和Wi-Fi)以及運營商日益變化的需要。

因為這些技術和經濟上的利益, Linux 電話的數量已經達到市場總量的1-2% ,在智能手機這個快速增長的領域裡Linux 正在佔據著一個強有力的位置,智能手機的市場份額正以每年85%增長,而Linux 有25%的市場份額(Gartner2005年的數據),遠遠領先Windows Mobile ,只比Symbian OS 落後一個百分點。

電話的分類

劃分電話的類型不是一個精確的科學過程,甚至也不是一個準確的市場活動。某些功能電話的顯著特點(如email,圖像處理)已經是今天各種價格的電話的基本功能了。即使今天智能手機所具有的特性也許是6個月後所有手機都有的功能,今天你以為物有所值的功能手機,在假期結束以後已經淪為可以作為禮品的入門手機了,而且它們可能只有從春天到夏天的一個季節生命周期。

智能手機的陷阱

比較起把開源的OS放在一個低端手機上，發布一款智能手機是相對容易多了。因為智能手機的售價和利潤都高，它可以有允許更多的BOM(材料成本)和軟硬體空間實現多媒體、顯示和射頻基帶（RF）等電話關鍵功能。一般情況下智能手機的應用OS(Linux, WindowsMobile, 等)是運行在一個專門的應用處理器上，同時另外的一個CPU 和DSP處理語音，多媒體和RF功能。智能手機的購買者是典型的成熟用戶，他們熱衷於新技術，並且對於由於新的技術和功能代來的電池消耗等問題更有相當的寬容度。

然而到目前為止智能手機只佔有整個手機市場的6％，如果Linux開發者真正希望進入廣闊的手機市場，Linux 手機平台必須支持中端手機或者「功能手機」的技術和經濟層面的要求。這些手機在技術方面無法和智能手機賽跑，硬體方面也無法和智能手機相比，一個低成本的BOM 意味著運行在應用處理器上的Linux 不得不面對所有的語音，數據，RF和圖形任務。一個運行在0－200Mhz的單晶元CPU 的Linux電話需要電源管理和合適的儲存空間以匹配Linux 的運行和成本的控制要求。

社會團體和各國政府正在幫助縮小全球數字化的鴻溝，我們可以大膽的想象這是一款針對發展中國家的低收入人群開發的電話（可以認為是個瘦Ubuntu：一種時下流行開源的Linux），就好像是目前難以讓人琢磨的$100 電腦一樣，下一個也許是「免費的」 Linux 電話了。

隨著時間的流失，中端甚至低端電話的硬體都可以滿足Linux 的要求，但是同時這些手機的利潤也變得越來越薄。過去10餘年電池技術不能以一個適度的速度提升，這就意味著應用不能和時鐘的提速相匹配。所以如果Linux電話要跳出智能手機的桎梏，它必須採用新的功能並改進和合併許多現有的功能以應對面臨的挑戰。

技術挑戰

開放軟體開發試驗室（OSDL.org）最近發起了新的行動計劃－MLI(Mobile Linux Initiative)，目的是培養和支持Linux 在行動電話手機的應用。MLI目前的首要任務是使Linux 成為更適合手機的OS 平台。下面列舉的一些問題來自MLI的參與者和有興趣的合作夥伴，特別是手機製造商和晶元供應商。

電源管理

今天，如果攜帶型設備製造商想要提供一個基於Linux和有電源管理的設備，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的電源管理，如ACPI和APM，在內核的郵件列表中關於桌面電源管理的討論確實也是最多的，非x86/IA-32 結構的筆記本硬體，OEM可以使用針對蘋果PowerPC 的PMU。 嵌入式的OEM如果是使用ARM授權的晶元可以藉助ARM公司的LEM框架，或者使用10餘家ARM授權晶元公司也有自己的電源管理方案（如FreeScale, Intel, NEC, Samsung, TI等）。MIPS和MIPS授權晶元公司，FreeXScale，IBM Power 框架 , Renesas 和 Hitachi產品線也有自己的更加獨特的能源管理協議和方法。OEM當然可以選擇像MontaVista 的 DPM和其他嵌入式Linux供應商的方案。選擇當然是一件好的事情，但是太多的選擇會導致方案支離破碎的狀況和應用缺少可再用性。應對電源管理的問題，OSDL MLI的成員和工業界已經表達了一種願望，即一個統一的，跨處理器平台的電源管理途徑，或者一個主流的，更高層次的，可以覆蓋嵌入式，桌面和刀片伺服器能源管理的體系結構。

無線電介面

今天的Linux智能手機中，GPRS介面是被集成在一個數據機裡面，它包含一個CPU核，DSP和支持無線通訊的RF硬體。很像一個數據機——許多智能手機和這些嵌入式處理器是通過一個串口上的AT命令進行通訊的。這種靠卸載無線電功能來簡化智能手機設計的方法是可行的，但是這將會進一步增加整個手機的成本。今天，一些富有經驗的設計已經去掉了數據機，把基帶介面開放給了應用處理器（像目前中低端的手機使用Nucleus這種情況），但是這樣會給即使是最新Linux的實時性技術（搶佔和開源的實時補丁－下面還會提到）帶來相當的壓力。GSM或者CMDA無線協議信令幀大約是800－900微秒的時間，如果你們是X86/IA-32 或者是PowerPC處理器一般都是500 Mhz 到1.5 Ghz CPU 時鐘, 一個毫秒以內的最壞情況的響應是很容易到達的，但是如果是處理器時鐘在0－200 Mhz,的ARM CPU，基於Linux的硬實時的中端響應和搶佔延遲仍然是具有挑戰的。另外的一個挑戰的領域是把已經非常成熟的電話協議棧移植到Linux上.，這種軟體是基於傳統的RTOS開發和優化的，像Nucleus 和 REX。這些多層協議是用每一層特有的線程切換技術實現的，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,這樣只是穿越一個單包的協議棧就消耗了計算時間的很大的部分，留給其他任務的CPU時間就很少了。所以，如果Linux要想進入中低端手機的設計領域，它必須要解決低延遲的任務切換和CDMA/GSM協議棧的移植這兩個重要的問題。

實時性

在過去的5年中，Linux已經在向自身實時性改善的方向發展並取得了長足的進步。今天Linux已經具備了本身的實時性選擇，包括搶佔內核，0(1) 調度，FUTEXes 和最近的開源的實時Linux項目－現在已經合併到由Ingo Molnar維護的搶佔補丁裡面了。同時還有雙內核和虛擬計算的技術，像RTLinux, RTAI,Adeos和未公開的Jaluna Osware。實現把一個嵌入式的RTOS虛擬到Linux裡面，另外還有一些目前還屬於研究階段的實時項目和技術，如L4 Micokernel 和L4 Linux 等。OSDL MLI 的成員和社區更願意接受和喜歡Linux本身的實時性改善的實時方案，為了支持Linux直接面對RF處理器，多媒體和語音處理，多數人認為Linux應該繼續在本身像RTOS 一樣在實時響應方面發展。在行動電話的設計中，為了減少電池消耗，系統時鐘可能從200 Mhz降低到40 Mhz (甚至0 Mhz)后再回升回去以響應系統的策略和外設輸入的要求，這些動作產生的切換要求Linux必須有足夠的響應能力和時限保證。

小尺寸

今天智能手機出廠的時候已經有了128MB的FLASH 和64MB的RAM，然而作為一個電話的OS需要為在有限的存儲器里尋找節省每個位元組而努力。OS和中間件佔掉的每個位元組都不能為OEM增值而服務。在原理上嵌入式 Linux 可以以大約1MB的容量布置，但是實際電話的配置中卻大的多。嵌入式系統開發人員，平台提供商和Linux 內核的維護者都提供了一系列配置工具以壓縮Linux平台的尺寸。

運營商的新需求

電話製造商雖然希望按照自己的想象進行創新，但是已經意識到他們不能完全按照自己想法去設計和生產一個電話，取而待之的是他們必須遵循他們的用戶－移動運營商（像Cingular, 沃達豐,中國移動等）的要求和規範去做事，這些無線網路運營企業公司，他們多數是本國政府嚴格控制的或者大型的跨國企業，他們要代表政府和行業去管理和規範市場，行動電話是這個系統中的一個重要組成部分和單元。

每個國家的政府，尤其是美國政府對無線電頻譜都進行嚴格的管理和控制，美國的聯邦通訊委員會（FCC）拍賣和發放無線頻譜和管理帶寬，信號強度，安全和內容。雖然個別國家和地區協會趨向於開放和免費使用無線頻率。

負責政策和規則制定的移動運營商完全可以體會到開放的設備結構帶來的問題，運營商並不是完全反對開放， 只是會更多的考慮到如何安全的布置增值服務和管理問題。協調在技術層面建立一個完善開放環境和一個有限制的API 介面，當然還有著更多的政策和法規的討論，設備製造商，電話的開發者和行業主管已經打開了原來是完全封閉的手機一點點口子，比如在過去5年裡面用戶和行業觀察家看到Java 和 BREW電話, 更令人振奮的是最近幾年的SymbianOS 和 Windows Mobile 5.0.上的本機應用軟體層出不窮。

基於Linux的電話展示了未來一個在用戶空間可以編程的安全開放環境；而且它擁有一個具有優秀的開發人員的完善的社區團隊。相信未來基於Linux的電話將是一個完全的開放平台，但是目前的情況還不近人意，現在發行的Linux電話是基於一個內核和許多OS的組件（像某個版本的Qt），它們不是一個開放的設備。黑客不能（或者說非常不容易）自己構造一個內核，OS和應用部件替代原來的系統(像大家以前做過的Linux PDA一樣)，甚至即使是在電話應用上面增加一點功能。這些設備不能註冊登陸和讓用戶自己刷新，現在開啟這些Linux 電話大門只是Java。市場上有開放的Linux手機資源，一個項目是Harald Welte的 Open-EZX (www.open-ezx.org)。這個項目還處在一個早期階段，項目努力在構造一個100％開放的電話軟體支持像A780和E680的Motorola電話。項目的wiki (wiki.openezx.org)裡面充滿如果使用Open-EZX可能不能正確的引導和失去正常功能的各種警告信息，但是這個項目的確包含了如何構造和生成一個『Shell』,以及交叉編譯這些有用的信息（因為A780和E680是基於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， 原因是什麼？主要是責任問題。電話用戶會擔心他們的電話網路的完整性，安全性。當然Motorola還擔心要支持數百萬部電話以及他們可能的各種Open-EZX 軟體的分支版本, 這樣你就知道為什麼叫「Open-EZX」了，因為像Motorola這樣的設備製造商是希望鼓勵社區的開發者在他們的平台上作些擴展，他們只是希望這種擴展的道路未來開放策略發展的軌跡。今天這個「Open-EZX」最可能有意義的是為ISV提供了一個SDK的開發環境。

希望不久的將來，通過教育和堅持不懈的努力，小心謹慎的網路運營商和行業規劃者們將意識到行動電話是個計算平台，而不只是個單功能的無線電設備。

結束語

Linux 的電話正在走進千家萬戶，2006年中 Motorola中國公司繼A760,A780,E680后一款叫『明』的Linux手機以她亮麗的外觀，穩定的平台和軟體，新穎的功能為智能手機銷售歷史贏的了新的記錄和突破，更多本土和海外手機製造商和手機設計所 正在努力嘗試著Linux手機的設計，ZTE的E2，海爾的N60 ,E28的HAWK3等就是他們當中的姣姣者。日本NTT DOCOMO電話公司最近宣布發表了最新的基於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。無疑，亞洲是Linux 電話的重要舞台和市場。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,龍旗在內的中國手機製造和設計企業表現了極大的熱情和關注。OSDL MLI 通過會議的討論樹立了通過技術和經濟層面的努力加快Linux 在電話領域發展的奮鬥目標。雖然Linux正在和將要面臨行動電話設計中的更多的技術和商業方面的挑戰，包括某些領先的手機設備製造商也懷疑Linux的成熟性，但是堅信依託Linux在電信伺服器，通用的嵌入式系統的成功經驗，豐富開源社區技術和商業人才，手機晶元公司，國際性的標準組織和電信運營商以及世界和亞洲政府鼎立支持和推動，Linux必將在行動電話領域發揮一個主導的作用。