中国无线移动终端的现状开展及其标准化.doc

中国无线移动终端的现状发展及其标准化前言2004年全球手机销售量约7亿部，估计2005年将达到8亿部，目前全球3G也在回暖，中国3G启动在即，中国国内早在2003年移动电话用户数已经超过固定电话用户数，移动通信无疑已经成为通信行业的最大亮点。无线移动终端作为移动通信系统的重要组成部分，由于其多方面的特性，如直接面向消费者，个性化的需求，垂直封闭的生产方式等，导致其成为消费者和生产者共同的焦点，此外，终端产品相比3G系统设备相对落后，在正值3G发展的今天，它已经成为3G发展的一大障碍。因此，无线移动终端发展的好坏对于移动通信的发展举足轻重。无线移动终端在其发展过程中经历着巨大的变革。传统手机主要作为语音通讯工具，功能比较单一，硬件结构相对简单，其硬件和软件之间存在着很强的相关性和依赖性。移动通信高速发展到今天，手机已成为基于语音、数据、图像等多种应用和业务的承载平台，因此对其硬件性能要求不断提高，此外市场上新产品的生命周期越来越短，产品更新速度与日俱增，这些都导致终端生产产业链社会分工的日益细化，因此相似功能的技术和产品也越来越多。技术和产品的标准化将简化手机集成的技术难度，芯片、协议栈、操作系统等核心技术将可能作为标准的软硬件模块简单移植集成到各种终端产品中，而这些核心技术产品目前种类较多，竞争也比较激烈，规模效应势必导致成本降低。国内厂商通过近几年的积累也在这些技术上有了一定成果，通过国内巨大的市场潜力，按照标准与技术和市场之间的关系，以标准带动新技术的应用，进而推动国产技术和产品的发展。无线移动终端的标准化研究旨在通过对无线移动终端相关技术和市场情况的深入研究，寻求无线移动终端健康有序发展的方向，为中国乃至全球3G及后3G的发展提供一点思路。本报告中所涉及技术是当前无线移动终端的重点和热点技术，报告根据终端逻辑结构分为总体构架、支撑平台技术和业务与应用三大部分，每部分涉及45个主要技术点，报告通过对这些技术的实现原理、市场、运营模式、发展趋势、国内外标准化等情况进行详细的分析，并提出未来一段时间内无线移动终端标准化工作的一些建议。1. 无线移动终端的总体构架无线移动终端的总体结构随着ASIC芯片、嵌入式操作系统等技术的进步，随着移动通信系统的演进，随着用户对移动通信需求的不断增加等等因素而不断更新演进，正是由于移动通信标准的多样性，移动终端生产研发的长期封闭性，致使现有移动终端各式各样，但纵观各种终端产品，无线移动终端的基本结构包括ASIC芯片、嵌入式操作系统和移动通信协议栈等基本部分。而多模终端以及分布式语音等技术也将导致终端结构的变革。1.1. 移动终端结构1.1.1. 概述传统手机主要作为语音通讯工具，功能比较单一，硬件结构相对简单，且其硬件和软件之间存在着很强的相关性和依赖性。移动通信高速发展到今天，手机已成为各种应用和业务的承载平台，因此对其硬件性能要求不断增高，此外市场对新产品的需求越来越快，产品更新速度与日俱增，这些都导致终端生产产业链分工的日益细化，因此相似功能的技术和产品也越来越多。此外，手机使用的芯片等硬件不断趋于模块化和同一化，功能模块的替代也更方便，手机也有了独立的可移植的操作系统，目前基于Symbian、SmartPhone和Palm等操作系统的智能手机正迅速扩大市场。由于通讯产业标准化的推进，手机这一大众消费品从硬件到软件都必然走向标准化和模块生产化，使得硬件和软件环境都更为开放。到目前为止，大致可将移动终端分为三类：是以语音为主的手机也即低端市场，芯片组都是围绕一个单一的基带处理器搭建的，该处理器执行通信、人机界面和其它简单应用任务，且集成度会进一步提高，作为完成简单的话音、短消息通信和人机界面的单芯片手机方案也已有多个厂商提供。另一个是增值服务手机，也叫多功能手机（Feature Phone），是目前需求量最大的手机。这些系统是围绕一个功能强大的基带处理器芯片搭建起来的，这个基带处理器芯片有一个与之配套的应用协处理器。基带处理器芯片承担MMS和相关较复杂应用，协处理器则执行视频处理等需要大量运算的功能。未来的发展趋势是，当协处理器支持的功能变得普及，这个协处理器将会成为标准配置集成到所有基带处理器芯片中。这类手机没有高度复杂的操作系统，一般采用实时嵌入式操作系统，如Nucleus、OSE等。目前这类手机的功能差别很大，实现方案也很不一样。可将前两类归结为普通终端，对应于以下介绍的智能终端。第三类是智能手机，即高端手机，曾被定义为“拥有操作系统并支持第三方应用的手机”。这类手机中应用处理器成为系统的主机，而GSM/GPRS等通信MODEM则成为实现无线连接功能的外设之一，此外还有其它通信外设比如WLAN，蓝牙，USB等。智能手机通常要采用复杂的嵌入式操作系统如Pocket PC、Smartphone、Symbian以及Linux等，这是“移动办公”的典型理想工具。并且，智能手机多备有较大显示屏（2-2.8英寸），具有文字处理方面的功能。1.1.2. 移动终端硬件结构. 普通终端结构单处理器双内核架构普通终端的业务主要为话音，其硬件结构主要由射频模块（RF）和基带处理模块两部分组成，其中基带部分又分为模拟基带（ABB）和数字基带（DBB）两部分。 射频模块（RF）主要负责射频信号的滤波、放大、调制解调等功能。这种终端的硬件结构框图如图1所示。ABB部分主要完成诸如模拟话音数字化、数字话音模拟化，以及将数字控制信号转变为模拟控制信号（如功率放大器的控制电压形成）等等工作。DBB部分包括数字信号处理器（DSP）、微控制器（MCU）、存储器（MEM）和硬件逻辑（Logic）等。其中MCU一般采用ARM7处理器，负责完成应用层（如人机界面MMI）、网络层和数据链路层的处理，控制移动终端的外围电路（键盘、显示屏等）连接，以及整个通信协议栈的实现，倾向于系统控制；DSP数据运算功能强大，主要用于完成物理层、数据链路层的处理，负责话音信号的处理（编/解码），倾向于数字基带信号的处理；MEM包括ROM和RAM，存储器的大小对终端性能影响很大；Logic部分主要指外围的一些电路，包括键盘控制电路、显示电路、各种外部接口电路等等。这种基带芯片上集成ARM7+DSP的结构最早是由TI提出的，称为双内核结构，可以避免传统的单内核设计功耗太大的缺点，对于一些运算量大的实时处理，例如图象、视频、音频数据，可以采用DSP进行，实现低功耗；对于通信、外设控制等功能，则使用MCU实现，从而在功耗和应用的复杂度之间建立了良好的平衡，整体的构架可以保证低功耗。图1 普通终端硬件结构数字基带双内核架构图2给出的是目前使用最普遍的GSM手机的硬件结构图，从图上可看出最基本的三个模块：模拟基带芯片、数字基带芯片、射频模块。而基带芯片在整个框架中占据主体地位。其中数字基带芯片为双内核结构，芯片上除了MCU和DSP，还包括外围接口，用以连接外部设备，如语音设备、电池SIM卡、存储器、显示器、键盘等等。图1 GSM手机结构框图图中存储器用来存储程序代码（如通信协议栈、基本人机界面）和数据（如个人信息和程序变量）。不同的存储器有不同的用途：EEPROM：主要存储用户数据和射频参数。如手机识别码、语言选择、键盘锁、双音多频的开关和射频的校准参数等。FLASH ROM：用来长久保留信息，通常存储通信协议栈软件和应用层的程序。SRAM：用作操作系统或其他正在运行的程序的临时存储介质（可称作系统内存）。. 智能终端结构双处理器架构从最初的第一代模拟手机到第二代的GSM数字手机，再到目前的GPRS和CDMA手机，整个过程仅仅用了20年的时间。近两年来，单纯具有通话功能的手机已逐渐退出主流市场，取而代之的则是具有彩屏、MP3、摄像头、多媒体短信等功能的智能手机。实现这些功能，不仅需要嵌入式操作系统和丰富软件的支持，而且需要强大的处理器和特殊的硬件系统结构的支撑。整个手机的硬件组成部分中，已往基带部分的重要地位被应用处理器模块所代替，并趋于采用双CPU的架构。这种架构中双CPU形成移动智能终端中的两个子系统：通信子系统和应用子系统，如图3所示。其中通信子系统适应不同技术的无线接口协议标准，选择适当的移动通信网络，建立和维持网络连接，实现话音和数据通信；应用子系统负责管理存储器、外围设备、外部接口等系统资源，运行应用程序，提供用户界面，此外还包括终端的电源管理。应用子系统通过某种通信机制（目前多为AT指令）与通信子系统进行交互。图2 智能终端硬件结构双处理器架构通信子系统处理器即C-CPU，它保留了普通手机中的数字基带部分，即MCU+DSP的结构。MCU实现高层协议，DSP完成基带功能。应用处理系统器A-CPU采用了可执行应用软件的嵌入式操作系统，并加载多种协议以提供各种业务，如视频业务使用的MPEG-4，音频业务使用的MP3，IP电话使用的VoIP，以及JPEG2000等。丰富功能的实现离不开先进的应用处理器，目前的主流应用处理器时钟超过200MHz，通常都整合了ARM核心、视讯加速器、各种接口控制器、内存以及显示驱动等电路。图4给出了基于双处理器架构的2.5G GPRS手机硬件模块结构。图3 2.5G手机双处理器架构通过对比可以看出，智能手机和普通手机的不同点在于智能手机在基带部分添加了一颗应用处理器（Application Processor），同时将原先受基带处理器控制的液晶显示器、键盘、SIM卡等外挂到应用处理器上。不仅如此，应用处理器还可以增添蓝牙、红外、摄像头、USB和SD/MMC/CF卡等众多接口。在这种硬件体系结构下，基带处理器只处理话音信号，而其他的功能则全部交给应用处理器。智能手机的概念不仅仅是手机+PDA那样简单，目前的智能手机方案已经能实现很多通常在桌面计算机中才涉及的性能和功能，包括高传真立体声效、3D图形效果、DVD效果的视讯播放以及具有丰富体验的多媒体游戏等。目前的主流智能手机定位在“手机+个人娱乐中心+个人信息中心”。实现这些丰富功能的核心组件是具有强大处理能力和高度整合的应用处理器。1000MIPS以上的处理能力是必要的。同时，应用业务处理系统的CPU需要专门的高性能操作系统，该操作系统必须同时适应实时业务和非实时业务的要求。目前的主流应用处理器大多数采用了ARM系列处理器核心，但都根据自有技术进行了最佳化和整合，并推出独特的处理器架构，如Intel的XScale和TI的OMAP2，开发商基于相同处理器架构能很容易地实现产品换代开发，能很方便地应用原有的开发成果。方案供货商在推出应用处理器的同时还提供完整的参考设计和设计平台，如TI的TCS和Freescale（其前身是Motorola半导体部）的Innovative Convergence系列平台。此外，为加速开发商产品开发并提高其方案的竞争力，每个方案都有大量的第三方厂商提供完善的技术支持，可以提供从硬件系统设计到软件整合的完整方案。1.1.3. 移动终端逻辑结构正如前面所述，智能终端大都采用双CPU结构，围绕这两个CPU形成移动智能终端中的两个子系统：通信子系统和应用子系统。其中通信子系统适应各种无线接口协议标准，选择适当的移动通信网络，建立和维持网络连接，实现话音和数据通信；应用子系统负责管理存储器、外围设备、外部接口等系统资源，运行应用程序，提供用户界面，此外还包括终端的电源管理。如此强大而复杂的硬件资源势必需要系统化管理，因此单独的智能移动终端操作系统也就成为大势所趋，它主要完成诸如进程、内存、外部设备等系统资源的调度和管理，并为上层应用软件平台提供服务，在操作系统之上可以执行各种各样的应用程序。无线移动终端发展到了智能终端后就产生了类似PC机的明确的逻辑结构。移动终端的逻辑体系结构如图5所示：图4 终端逻辑结构基于底层硬件平台的上两层功能分别为：操作系统层，控制应用软件的时序行为，以及设备驱动；应用层，高层的各种应用，诸如图形用户界面、游戏、文本编辑等，典型的应用如web浏览。除硬件外，无线移动终端的复杂性更显著地体现在软件技术的复杂性和多样性上，无线移动终端上的软件主要包括嵌入式操作系统、应用运行平台、应用程序等。软件的复杂性最终由用户的需求决定，取决于用户对诸如照摄像、MP3、收音机、蓝牙、红外等硬件配置的需求以及MMS、JAVA应用、SyncML应用、WAP应用、多媒体等业务的需求。用户对业务的需求需要支撑技术的支持，支撑技术的运行需要操作系统的协调管理，操作系统的运作需要底层硬件强大的处理能力支撑。任何一个环节弱化都可能影响到用户的体验，最终影响移动业务的推广。目前市场上主流的普通终端操作系统主要有Nucleus PLUS、pSOSystem等，智能终端的操作系统主要有Symbian、Windows CE、Palm OS、Linux四种。除以上开放式手机操作系统之外，国内终端生产研发企业为摆脱国产手机的代工现状，领先实现自主研发，纷纷在操作系统上投入人力和物力，而且也逐渐出现成效。目前国内的手机操作系统主要有Hopen、Emotion平台、“汉风”操作系统、“和欣”操作系统等。这些操作系统中有一部分是在Linux的基础上开发而来的，国产厂商试图借助这些自主研发的操作系统逐渐摆脱国外企业的垄断，实现移动终端生产的自主知识产权国产化，从而降低生产成本。移动终端上的应用运行平台主要包括BREW和JAVA，作为移动通信数据业务平台，JAVA和BREW的推出，标志着移动数据业务的开发与应用进入了新阶段。中国移动采用JAVA开发应用，而中国联通在选择BREW之后又在市场的驱动下增加了JAVA应用。此外，韩国无线Internet标准化论坛(KWISF)为了摆脱高通的垄断，开发出基于JAVA的无线Internet操作平台WIPI。KWISF是韩国网络运营商SK Telecom、KTF和LG TeleCom三家公司的一个联盟组织，他们借助运营商在移动通信产业链中的核心地位，共同将WIPI在韩国推向商用，这也是终端技术标准化的一个例子。从移动业务的角度看，移动通信与Internet的相互融合，使其从以话音通信为主逐渐演变到以数据通信为主。短信业务超乎想象的繁荣使人们看到了数据业务的巨大发展空间。业界也在多次构想3G业务，寻求所谓的杀手级应用，这些都促使移动通信业务种类更加完善，内容更加丰富多彩；同时，移动运营商也已经意识到客户需求和用户体验是其利益之所在，移动通信业务从“卖方市场”变为“买方市场”，因此移动运营商们不惜花大力气去分析和细分客户需求，开发不同业务以迎合不同用户群体的需求。然而，并非所有的业务都能顺利推出，其中有用户需求的原因，也有终端支持与否的因素，并非所有终端都能对统一WAP网站的内容正确显示，并非所有的JAVA手机都能运行统一JAVA客户端程序，并非所有手机都能正确显示同一信息内容，这其中可能是终端硬件的配置不同、也可能是终端支撑技术的差异。近段时间运营商定制手机的力度逐渐加大，这也是一种规范，但它只是企业内部的一些标准，只是符合单个或者少数几个企业的利益，所以势必存在不同移动网络业务和应用不能互联互通的问题，终端对不同网络应用的支持也将存在差异。然而，我们可以从这中间看出终端规范化、标准化的重要性。业务和应用固然多种多样，但他们都是以某些技术作为支撑的，比如移动互联网的WAP技术，个人信息管理（PIM）应用的SyncML技术，IPTV等在线视频的流媒体技术等等。操作系统和应用运行平台只是业务运营的一个基础平台，要使业务运行起来还必须这些支撑技术的支持。所以WAP并不是一种业务，基于WAP的浏览、下载才能称作为业务；同样JAVA也不是业务，它只是一种支撑技术，我们可以基于JAVA开发出很多我们的应用。因此，我们可以通过规范化这些支撑技术平台来解决终端的标准化问题，支撑技术规范化了，一致了，上层应用的融合和互通就容易了。1.2. 移动终端ASIC芯片1.2.1. 硬件平台前面移动终端硬件结构中已经提到了移动终端上的通信处理器和应用处理器，目前各大通信芯片厂商纷纷开发基于这两个芯片的终端集成硬件解决方案，提出各自的集成手机硬件平台，如TI的TSC和OMAP系列，高通的MSM5xxx、MSM6xxx、MSM7xxx系列，这些硬件平台都包含一个或多个中央处理单元。图6就是TI的一个终端硬件平台ASIC芯片解决方案，该芯片是一个应用处理器，它还需外接一个TI的TCS调制解调芯片完成通信功能，该解决方案主要针对2.5和3G终端，在其上可以运行视频、音频、移动商务、位置等业务。图6 3G移动多媒体终端硬件结构方案这些硬件平台中的中央处理单元可能采用不同的内核，移动终端大都使用MIPS，ARM或SH3三种内核的处理器之一。这三种处理器都属于精简指令集计算机（RISC）处理器，与此相对应的复杂指令集计算机(CISC)处理器（如x86架构）可以用来运行个人电脑上的Microsoft Windows操作系统。相对于CISC来说，基于RISC的处理器的执行指令要少的多，因此，同样的处理任务RISC比CISC处理器需要更多的操作步骤，但是它们运行某些指令的速度却非常地快。虽然它们之间还有一些其他的区别，但RISC处理器的大部分特性和CISC处理器保持一致。然而，这三种处理器都是相对独立、互不兼容的，它们采用的都是不同的指令集和寄存器，因此不可能在MIPS处理器上运行基于ARM处理器的程序。MIPS处理器是经设计公司MIPS授权后由芯片制造商生产的处理器芯片，日本的NEC公司就从事MIPS处理器芯片的生产和销售。MIPS公司设计RISC处理器始于80年代初，后来MIPS公司把重点放在嵌入式系统。1999年，MIPS公司发布MIPS 32和MIPS 64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核（core）MIPS 32 4Kc与高性能64位处理器内核MIPS 64 5Kc。2000年，MIPS公司发布了针对MIPS 32 4Kc的新版本以及未来64位MIPS 64 20Kc处理器内核。在卡西欧的Cassiopeia E-115 和 Palmax的PD-131两款机型上使用的就是NEC MIPS Vr4121处理器。在卡西欧Cassiopeia E-125、EM-500、EG-800、IT-70和IT-700等几款机型上采用的是NEC Vr4122 处理器；Symbol PPT 2700系列使用Vr4181处理器。Compaq Aero 1500 系列PDA也是使用的MIPS处理器。Vr4121处理器内建8 KB的高速数据缓存和16KB的高速代码缓存；Vr4122处理器内建16KB的高速数据缓存和32KB的高速代码缓存；而Vr4181处理器内建4KB的高速数据缓存和4KB的高速代码缓存。目前Pocket PC上使用的MIPS处理器的时钟频率范围为70 MHz 到150 MHz。为了使用户更加方便地应用MIPS处理器，MIPS公司推出了一套集成的开发工具，称为MIPS IDF（Integrated Development Framework），特别适合嵌入式系统的开发。SuperH3 (SH3)处理器由日立公司设计并生产。SH3处理器比较少见，目前只使用在惠普Jornada 540系列Pocket PC上（型号为SH7709A）。SH7709A处理器是一个32位的处理器，内建16KB一体化高速缓存，工作频率为133MHz。从目前市场情况来看，智能手机中采用的处理器主要来自于ARM授权公司（如诺基亚和爱立信）、摩托罗拉、英特尔和TI公司。其他公司，如Neomagic公司，也可提供此类应用处理器，但应用范围还不是很广。不过，从芯片结构上看，以上各公司应用处理器几乎均采用了ARM核，由此可见ARM结构在嵌入式系统中应用的广泛程度。从技术上看，智能手机的应用处理器有两大发展方向：一是芯片主频不断提高，用来处理越来越多、越来越复杂的各种应用，如MPEG-4编解码；二是集成度不断提高，即不断地丰富应用处理器的各种接口，同时将尽可能多的外围元器件，甚至是整个基带处理器集成进来。随着技术的发展和完善，智能手机的体系结构将可能发展为片上系统结构（SoC），从而在最大程度上简化系统集成的难度。1.2.2. ARM简介ARM（Advanced RISC Machine）是1990年由苹果电脑、Acorn电脑集团和VLSI Technology等合资组建的一家公司。ARM公司是业内32位嵌入式RISC处理器解决方案供应商，十几年前创建了革命性的“chipless”模式，即不直接设计和生产芯片，而是为生产和研发芯片的半导体公司提供IP(知识产权)核，由半导体设计公司和软件及工具开发公司共同在IP核的基础上添加相关设计，交由OEM在ARM芯片的基础上完成系统产品，再由芯片制造公司去生产芯片。 ARM公司在全球有超过100个半导体厂商的合作伙伴，其中不乏像摩托罗拉、诺基亚、英特尔、高通、TI、三星等著名厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。ARM公司的32位RISC CPU至今已占领全球76.8%的市场份额。Intel公司的StrongARM和XScale系列芯片、Motorola公司的DragonBall（龙珠）系列芯片与TI公司OMAP系列芯片都嵌入了ARM公司的IP核。ARM已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISC标准。通常，ARM处理器具有小体积、低功耗、低成本、高性能和16/32位双指令集等特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM处理器核当前有6 个系列产品：ARM7, ARM9, ARM9E, ARM10E,SecurCore 以及最新的ARM11 系列。它们的主要属性如下表所示。Cache大小（指令/数据）紧密耦合存储器（TCM）存储器管理AHB总线接口ThumbDSPJazelleARM7TDMI无无无有有无无ARM7TDMI-S无无无有有无无ARM7EJ-S无无无有有有有ARM720T8k无MMU有有无无ARM920T16k/16k无MMU有有无无ARM922T8k/8k无MMU有有无无ARM940T4k/4k无MMU有有无无ARM926EJ-S4-128k/4-128k有MMU双AHB有有有ARM946EJ-S4k-1MB/4k-1MB有MMUAHB有有无ARM966E-S无有无AHB有有无ARM1020E32k/32k无MMU双AHB有有无ARM1022E16k/16k无MMU双AHB有有无ARM1026EJ-S可变有MMU+MMU双AHB有有有Cache大小（指令/数据）紧密耦合存储器（TCM）存储器管理AHB总线接口DSPJazelleSIMD浮点运算ARM1136J-S4-64k有MMU四个64位AHB有有有无ARM1136JF-S4-64k有MMU四个64位AHB有有有有ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行（理论上如此）。典型的产品如下。n ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低价、低能耗、封装式常规系统微型处理器，配有高速缓存（Cache）、内存管理、写缓冲和JTAG。广泛应用于手持式计算、数据通信和消费类多媒体。n ARM7500和ARM7500FE:高度集成的单芯片RISC计算机，基于一个缓存式ARM7 32位内核，拥有内存和I/O控制器、3个DMA通道、片上视频控制器和调色板以及立体声端口;ARM7500FE则增加了一个浮点运算单元以及对EDO DRAM的支持。特别适合电视顶置盒和网络计算机（NC）。n ARM940T、920T系列:低价、低能耗、高性能系统微处理器，配有Cache、内存管理和写缓冲。应用于高级引擎管理、保安系统、顶置盒、便携计算机和高档打印机。n StrongARM:性能很高、同时满足常规应用需要的一种微处理器技术，与DEC联合研制，后来授权给Intel。SA110处理器、SA1100 PDA系统芯片和SA1500多媒体处理器芯片均采用了这一技术。1.3. 移动智能终端操作系统1.3.1. 移动终端开放式操作系统的市场需求分析最初，运行于大部分移动终端上的都是一些很简单的单任务操作系统，或者是更简单的控制程序，甚至根本就没有开放式操作系统而直接运行应用程序。在这种情况下，系统无法运行复杂的应用程序，或者效率很低，并且所有的应用程序需要重新开发，还要求开发人员十分了解硬件特性。这些都阻碍了移动终端产品开发的速度和应用水平。到了今天，移动终端的功能也发生了巨大的变化：移动终端已经不仅仅是一个简单的通话工具，而逐渐变成一个移动的个人信息收集和处理平台，在3G系统表现尤为突出。为了适应这种新的发展趋势，今天大部分移动终端都已经具有多任务的操作系统核心，有的甚至拥有功能强大的、开放型的开发平台。移动终端操作系统的普遍应用极大地促进了移动终端产品开发的速度和应用水平。目前占领市场份额最大的当数SYMBIAN，这是由于其产生背景所决定的，后面会有详细描述。其次是WINDOWS MOBILE和LINUX。NUCLEUS和vxWorks曾广泛应用于网络设备上，近年来也有厂商使用这2款开放式操作系统开发移动终端。PALM OS由于其部分产品中具有移动语音通信能力才进入此市场，因此市场份额并不大。1.3.2. 移动终端开放式操作系统体系结构现状和发展移动终端开放式操作系统是操作系统应用的一个重要的分支，对嵌入式开发和移动终端的开发起着至关重要的作用。这些开放式操作系统主要包括嵌入式LINUX、NUCLEUS、 SYMBIAN、 VRTX、 VXWORKS、 WINDOWS MOBILE、 PALM OS等。下面分别简述。. 嵌入式LINUXLINUX是目前开发最活跃的开放式操作系统，在桌面应用、服务器搭建和嵌入式应用等方面有着大量的开发实践活动和丰富的软件资源。主要有LINUX、ucLINUX、rtLINUX等。.1. LINUXLINUX目前主要应用的领域是高端智能移动终端。1991年，芬兰大学生Linus Torvalds在MINIX的基础上开发了第一个LINUX的内核。到了1996年6月，LINUX 2.0内核发布，此时的LINUX 已经进入了实用阶段，全球大约有350万人使用。在1999年3月，第一届LINUXWorld 大会的召开，象征LINUX时代的来临。目前LINUX内核的最新版本是2.6。相对其他开放式操作系统，LINUX有以下的优势：1) 真正意义上的多任务、多用户作系统； 2) 内核支持包括X86,ARM在内的几十种CPU； 3) 采用先进的内存管理机制，更加有效地利用物理内存；4) 与UNIX系统在源代码级兼容，符合IEEE POSIX标准； 5) 支持数十种文件系统格式； 6) 提供了先进的网络支持：内置TCP/IP协议； 7) 完全运行于保护模式，充分利用了CPU性能； 8) 开放源代码，用户可以自己对系统进行改进； 9) 拥有巨大的开发群体；10) 拥有大量的免费的甚至是开源的程序可以使用，例如编译器、C库、工具链，甚至GUI都有开放的源代码可供使用。LINUX从1.0发布之日起就正式采用GPL协议，成为GNU阵营中的主要一员。 任何人有权取得、修改和重新发布自由软件的源代码，并且规定在不增加附加费用的条件下可以得到自由软件的源代码。同时还规定自由软件的衍生作品必须以GPL作为它重新发布的许可协议。这一点为移动终端厂商带来的不仅仅是免除软件使用许可费用的负担，更重要的是它为移动终端开发者提供了一个开放的技术环境，使得一些新技术、高难度的项目变得十分容易，甚至可以直接从网上取得源代码。目前，MOTOROLA等厂商已经推出了一些基于LINUX的移动终端产品。LINUX核心是由linus维护的，它的版本号一般由二到三个部分组成，例如现在最稳定的2.4.20： 1） 第一个2是主版本号，一般在一个时期内比较稳定； 2） 第二个2是次版本号，如果是偶数，代表是正式版，如果是奇数，代表是开发过程中的测试版，如在2.4正式出来时，2.3.x就是在开发者间使用的测试版的版本号； 3） 最后一个15是修改号，如2.2.15就是对2.2.14做了一些小的修改而来。 这种特殊的版本命名法是为了便于在Internet上共同开发而制定的。.2. ucLINUXucLINUX目前主要应用的领域是中低端移动终端。LINUX原本被设计为桌面系统，而更大的影响在于它正逐渐的应用于移动终端。ucLINUX正是在这种氛围下产生的。在ucLINUX这个英文单词中u表示Micro，小的意思，c表示Control，控制的意思，所以ucLINUX就是Micro-Control-LINUX，字面上的理解就是针对微控制领域而设计的LINUX系统应该说ucLINUX同标准LINUX的最大区别就在于内存管理。对于ucLINUX来说，其设计针对没有MMU的处理器，即ucLINUX不能使用处理器的虚拟内存管理技术（应该说这种不带有MMU的处理器在移动终端中相当普偏）。ucLINUX仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时把实际存储器进行分页。在加载应用程序时程序分页加载。但是由于没有MMU管理，所以实际上ucLINUX采用实存储器管理策略（real memeory management）。ucLINUX系统对于内存的访问是直接的，（它对地址的访问不需要经过MMU，而是直接送到地址线上输出），所有程序中访问的地址都是实际的物理地址，操作系统对内存空间没有保护（这实际上是很多嵌入式系统的特点），各个进程实际上共享一个运行空间（没有独立的地址转换表）。虽然ucLINUX的内存管理与标准LINUX系统相比功能相差很多，但应该说这是移动终端的选择。在移动终端中，由于成本等敏感因素的影响，普遍的采用不带有MMU的处理器，这决定了系统没有足够的硬件支持实现虚拟存储管理技术。从移动终端实现的功能来看，移动终端通常在某一特定的环境下运行，只要实现特定的功能，其功能相对简单，内存管理的要求完全可以由开发人员自己实现。.3. rt-LINUXrt-LINUX关注实时问题。rt-LINUX执行管理器把普通LINUX的内核当成一个任务运行，同时还管理了实时进程。而非实时进程则交给普通LINUX内核处理。这种方法已经应用于很多的操作系统，目的是增强操作系统的实时性，包括一些商用版UNIX系统，Windows NT等等。这种方法优点之一是实现简单，且实时性能容易检验。优点之二是由于非实时进程运行于标准LINUX系统，同其它LINUX商用版本之间保持了很大的兼容性。优点之三是可以支持硬实时时钟的应用。ucLINUX可以使用rt-LINUX的patch，从而增强ucLINUX的实时性，使得ucLINUX可以应用于通信设备等一些实时要求较高的应用。.4. 国内外LINUX的现状目前LINUX的开发非常活跃，在桌面应用领域，RED HAT和Mandrake等公司已经取得了相当大的成功。在服务器领域，LINUX甚至对SUN形成了很大的冲击；在嵌入式系统方面，LINUX已经得到了广泛的应用。在移动终端应用方面，摩托罗拉推出了内置LINUX开放式操作系统的移动终端A760；日本的夏普(SHARP)公司也成功开发出LINUX移动终端平台Zaurus；挪威奇趣科技公司（Trolltech）日前在2005年3GSM世界大会（3GSM World Congress 2005 ）上宣布，中国宁波波导股份有限公司已选择奇趣科技的Qtopia作为其所有LINUX 移动终端的软件平台。目前在国内LINUX取得了一定的发展，红旗LINUX取得了一定的成功，嵌入式的LINUX也得到了广泛的应用，波导将于2005年中发布首款基于LINUX 的智能移动终端E899。但是应该清醒地认识到，我们目前和国际上LINUX应用科技的发展还有相当大的差距。. NUCLEUSNUCLEUS实时开放式操作系统是Accelerater Technology公司开发的嵌入式RTOS产品。NUCLEUS提供线程级别的任务管理，实现了以时间片轮转的抢先式多任务管理，支持256个优先级；NUCLEUS还提供了丰富的任务间通信机制，包括邮箱、管道、队列、信号量和事件组；在实时的定时器管理方面，NUCLEUS有允许用户同时使用多个定时器；在内存管理方面，支持分区内存管理和堆式内存池管理。NUCLEUS的特点是： 可以获得源代码：只需一次性购买Licenses，就可以获得开放式操作系统的源码 购买的灵活性：NUCLEUS包含Kernel，Networking，File System，Web Technology，Target Debugger几大模块，可以分开购买。 可移植性：NUCLEUS PLUS可用于大多数流行的处理器，支持当前流行的大多数RISC、CISC、DSP处理器，比如：80x86（实时、保护模式）、68xxx、PowerPC、i960、MIPS、SH、ARM、ColdFire。因为NUCLEUS PLUS主要是用标准C写的，对于不同的处理器，开放式操作系统的源码大部分是相同的，只有5%的源码是用汇编写的跟CPU有关，如果使用另外的CPU，则只用修改5、6个汇编程序就可以进行移植。这也就意味着用NUCLEUS PLUS开发的应用程序也具有很高的可移植性。 可用性：不像其他的商业内核，NUCLEUS PLUS的系统调用名直接表明了它的功能。NUCLEUS PLUS的系统调用都设计成具有类似的入口参数和返回值类型。NUCLEUS PLUS的对象具有各自的独立性。因此，用户可以利用多个NUCLEUS PLUS对象之间的结合形成混合系统调用。 实时性：1） 快速响应时间：对临界资源的检测时间不依赖于占有该临界资源的线程执行时间的长短，一旦低优先级线程释放掉临界资源（不管其是否执行完），高优先级线程就会抢占运行。2） 每个任务的执行时间和其他任务的处理时间无关。3） 较高吞吐量：随着任务数目的增多，任务的调度时间为常数。4） 可扩展性：直接的函数调用。利用现有系统调用的结合可得到新的系统调用。. SYMBIAN OSSymbian 是一家由各主要无线通信技术公司持股的软件许可证授权公司，为支持数据分组传输的移动终端提供高级、开放式、标准化的开放式操作系统Symbian OS.。Symbian 成立于1998 年6 月，是由爱立信、松下、摩托罗拉、诺基亚、Psion、西门子和索尼共同持股的独立私营公司。公司总部设在伦敦，并在全球设有办事机构。Symbian 在移动计算设备和移动终端软件技术开发领域拥有近二十年的丰富经验。Symbian OS的最大特点是具有一个完整的、开放式的移动终端应用开发的平台，此平台除了RTOS内核以外，还集成了图形用户界面、网络通信协议等模块，完全面向移动终端应用。目前Symbian OS的最新版本是9.1，具有以下功能： 应用程序服务：具有OBEX、vCard、vCalendar等数据交换模块和用户数据管理等功能。 Java功能。 实时多任务的开放式操作系统内核。 消息服务，包括SMS、EMS和MMS。 多媒体服务； 平台安全性； 国际语言支持；由于的先天优势，再加上其完备的平台支持，Symbian OS是目前市场上应用最广泛的移动终端开放式操作系统。. VXWORKSVxWorks 是美国 Wind River System 公司推出的一个实时开放式操作系统。WRS 公司组建于1981年，是一个专门从事实时开放式操作系统开发与生产的软件公司。 VxWorks 是一个运行在目标机上的可裁减的嵌入式实时开放式操作系统，不向购买者提供的是源码。1984年 WRS 公司推出它的第一个版本VxWorks 1.0.1，目前它的最新版本是VxWorks 6.0。 VxWorks是可以根据用户需求进行组合的实时开放式操作系统。VxWorks 的开放式结构和对工业标准的支持使开发者只需做最少的工作即可设计有效的适合于不同用户要求的实时开放式操作系统。VxWorks只占用了很小的存储空间，并可高度裁减，保证了系统能以较高的效率运行。 VxWorks由以下几个主要部分组成： VxWorks 的核心又被称作 wind，包括多任务调度（采用优先级抢占方式），任务间的同步和进程间通信机制以及中断处理，看门狗和内存管理机制。wind使用中断驱动和优先级的方式。还有一些其它的任务机制可以使任务挂起、继续、删除、延时或改变优先级。wind 核提供信号量作为任务间同步和互斥的机制。在 wind 核中有几种类型的信号量，它们分别针对不同的应用需求：二进制信号量、计数信号量、互斥信号量和 POSIX 信号量。对于进程间通信，wind也提供了诸如消息队列、管道、套接字和信号等机制。 I/O 系统VxWorks 提供了一个快速灵活的与 ANSI C 兼容的 I/O 系统，包括 UNIX 标准的缓冲 I/O 和POSIX 标准的异步 I/O。 文件系统VxWorks 提供的快速文件系统适合于实时系统应用。支持四种文件系统： dosFs，rt11Fs，rawFs 和 tapeFs。 网络设施VxWorks的网络提供了对其它网络和 TCP/IP 网络系统的透明访问，包括与BSD套接字兼容的编程接口，远程过程调用（RPC），SNMP（可选项），远程文件访问（包括客户端和服务端的NFS机制以及使用RSH，FTP 或 TFTP的非NFS机制）以及BOOTP 和 ARP 代理。无论是松耦合的串行线路、标准的以太网连接还是紧耦合的利用共享内存的背板总线，所有的 VxWorks 网络机制都遵循标准的 Internet 协议。 虚拟内存（即 VxVMI 选项）与共享内存（即 VxMP 选项）VxVMI 为带有 MMU 的目标板提供了虚拟内存机制。VxMP 提供了共享信号量，消息队列和在不同处理器之间的共享内存区域。 实用库VxWorks 提供了一个实用例程的扩展集，包括中断处理、看门狗计时器、消息登录、 内存分配、字符扫描、线缓冲和环缓冲管理、链表管理和 ANSI C 标准。 . PALM OSPALM OS操作系统由Palm公司自行开发的，并授权给Handspring、索尼和高通等设备厂家，这种开放式操作系统更倾向于PDA系统。由于sony等设备厂商在其PALM OS的PDA上实现了移动终端的功能，palmOS就成为移动终端开放式操作系统市场上一支不可忽视的力量。PALM OS 是一套专门为PDA编写的开放式操作系统，它充分考虑了PDA内存较小的情况，所以它本身所占的内存极小，基于PALM OS开放式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 OS开放式操作系统的PDA虽然只有几兆内存却可以运行众多的应用程序。PALM OS开发时间早，使用者非常多（ 目前有3千万台基于 Palm系统的掌上电脑），因此能使用的软件也是PDA中最多的，目前有大约5000套专门为PALM OS操作系统编写的应用程序。更重要的是，PALM OS是一套极具开放性的系统，开发者向用户免费提供PALM OS操作系统的开发工具，允许用户利用该工具在PALM OS操作系统的基础上方便地编写、修改相关软件。采用PALM OS 操作系统的PDA制造厂商有Palm、Handspring、IBM、Sony等。PalmOS在5.0版本以前都是基于motorola的DragonBall系列芯片，采用单任务的开放式操作系统内核。从5.0以后，PALM OS改用了高性能的ARM系列芯片。尽管改换了CPU，Palm公司仍然许诺PALM OS 5将兼容任何以PALM OS 4.0以上版本的API开发的程序，以利于现有软件开发商平滑过渡到PALM OS 5。相比之下，PALM OS 5开放式操作系统所具有的功能，则还要更为丰富一些，其中包括有多任务功能，最多能够支持256MB的RAM和ROM，多媒体工具能够同时处理多个连接，安全性能得到了更多的改进，并且还能够同时支持多个通信进程（比如说同时连接到Wi-Fi和GSM）。. VRTXMentor Graphics嵌入式软件部门的前身为Microtec Research公司，它成立于1975年，并在1995年正式与Mentor Graphics合并。Mentor Graphics的VRTX实时开放式操作系统是今日系统单芯片应用的解决方案，它支持种类广泛的目标处理器与可嵌入核心，并提供可靠的和先进的软件开发工具。 VRTX共有两个核心，它们具有彼此相容的应用程序界面，使用户能针对系统单芯片应用需求，选择适当程度的实时开放式操作系统。VRTXmc包含一组非常精简的实时操作功能，它只提供最重要的核心服务，故能满足应用系统将ROM与RAM存储器减至最少的要求。VRTXsa则是一套完整实时开放式操作系统，它提供丰富功能特色、强大的效能与可靠性、以及广泛多样的系统组态设定与延展扩充能力。 这套多任务实时开放式操作系统，提供超过180个以上系统调用。Motorola的i250平台的rtos内核就选用了VRTXmc。. WINDOWS