0 引言
隨著嵌入式技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，在手機(jī)領(lǐng)域，智能手機(jī)已成為手機(jī)發(fā)展的主流趨勢(shì)。目前在智能手機(jī)領(lǐng)域，從處理器選型、操作系統(tǒng)選擇以及應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)都是研究的熱點(diǎn)。在高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的課程中也越來(lái)越多地涉及到智能手機(jī)的相關(guān)內(nèi)容，越來(lái)越多的學(xué)生也都投入到智能手機(jī)的學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)陣營(yíng)中來(lái)。因此，為這些學(xué)生提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備顯得很必要。本文提出基于三星S3C2410芯片為核心構(gòu)建智能手機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)電話短消息功能。為學(xué)生進(jìn)行智能手機(jī)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)提供了平臺(tái)，通過(guò)本平臺(tái)，學(xué)生可以自己動(dòng)手完成智能手機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的各種軟件開(kāi)發(fā)，改變了傳統(tǒng)的驗(yàn)證式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模式，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
1 智能手機(jī)軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)
手機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)方式主要有3種：
(1)只用基帶芯片，通常稱作功能手機(jī)；
(2)基帶芯片加協(xié)處理器，這類(lèi)產(chǎn)品是在功能手機(jī)的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了多媒體處理功能；
(3)基帶處理器加應(yīng)用處理器。這是智能手機(jī)所采用的設(shè)計(jì)，基帶處理器用于通信，應(yīng)用處理器用于多媒體和其他應(yīng)用。
在設(shè)計(jì)智能手機(jī)硬件平臺(tái)時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面：
(1)應(yīng)用處理器應(yīng)具有足夠高的主頻用以保證系統(tǒng)的運(yùn)行速度，使各種應(yīng)用能夠運(yùn)行暢通；
(2)系統(tǒng)應(yīng)有足夠的內(nèi)存空間用以保存應(yīng)用程序和用戶數(shù)據(jù)；
(3)具備良好的人機(jī)交互界面，用戶可以方便地進(jìn)行操作。基帶處理器性能穩(wěn)定，保證用戶實(shí)時(shí)通信。
1．1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
硬件主要包括調(diào)試接口、存儲(chǔ)系統(tǒng)、GSM／GPRS通信模塊、人機(jī)交互模塊。核心控制器芯片采用三星公司的S3C2410處理器，頻率穩(wěn)定運(yùn)行在203 MHz。作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成智能手機(jī)的基本功能，不要求大量數(shù)據(jù)處理，因而203 MHz的主頻能夠保證系統(tǒng)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)采用64 MB SDRAM和64 MB NANDFLASH作為存儲(chǔ)系統(tǒng)，從而保證系統(tǒng)和用戶的存儲(chǔ)空間。通信上，應(yīng)用處理器通過(guò)UART2連接基帶處理器即GSM／GPRS通信模塊，GSM／GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM300模塊，該模塊具備完善的GSM／GPRS三頻／四頻解決方案，支持GSM通話及短消息收發(fā)和 GPRS數(shù)據(jù)傳輸，可以方便地通過(guò)AT命令進(jìn)行控制。系統(tǒng)通過(guò)LCD顯示圖形操作界面，采用觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍵盤(pán)操作，界面更友好，操作更方便。同時(shí)提供擴(kuò)展接口用于學(xué)生擴(kuò)展智能手機(jī)的其他功能，如利用以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)瀏覽等。整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。
1．2 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件平臺(tái)的功能是為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)提供平臺(tái)。系統(tǒng)軟件以嵌入式Linux操作系統(tǒng)和嵌入式GUI Qtopia為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)的，整個(gè)軟件平臺(tái)的架構(gòu)如圖2所示。
1．2．1 Bootloader
Bootloader是系統(tǒng)上電后運(yùn)行的第一段代碼，主要工作是完成硬件的初始化和為加載操作系統(tǒng)準(zhǔn)備好條件。它的實(shí)現(xiàn)是依賴于硬件的，不同體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)板的Bootloader變化很大。為了更好地支持目標(biāo)板的硬件設(shè)備，該系統(tǒng)選擇在ADS1．2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)自己的Bootloa-der。 Bootloader的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要分為以下2個(gè)階段：
(1)主要進(jìn)行與CPU內(nèi)核以及存儲(chǔ)設(shè)備密切相關(guān)的初始化處理工作，這部分的代碼通常用ARM匯編指令編寫(xiě)，包含在start．S文件中。通常包括一些步驟：
①硬件初始化工作。包括關(guān)閉看門(mén)狗；屏蔽所有中斷；設(shè)置處理器時(shí)鐘和工作頻率；初始化外部寄存器；初始化堆棧指針。
②為階段(2)準(zhǔn)備RAM空間，并把階段(2)的代碼拷貝倒RAM，跳轉(zhuǎn)倒階段(2)的入口點(diǎn)。
(2)完成一般的啟動(dòng)流程以及提供目標(biāo)板設(shè)備的驅(qū)動(dòng)支持，這部分會(huì)被拷貝倒RAM中執(zhí)行，這段代碼通常由C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的可讀性和移植性。
通常包括一下步驟：
①通過(guò)set_gpios()函數(shù)完成通用I／0設(shè)置；
②通過(guò)mere_map_init()，mmu_init()函數(shù)完成內(nèi)存映射和內(nèi)存管理單元初始化；
③初始化MTD設(shè)備，使用mtd_dev_init()函數(shù)；
④拷貝NAND FLASH中的Kernel映像文件和根文件系統(tǒng)映像到RAM空間中；
⑤跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處。
至此，Bootloader的任務(wù)結(jié)束，接下來(lái)的任務(wù)由操作系統(tǒng)完成。
1．2．2 操作系統(tǒng)的剪裁、移植
操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)的外圍設(shè)備進(jìn)行管理和對(duì)各個(gè)軟件任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。這對(duì)于智能手機(jī)而言是非常重要的。操作系統(tǒng)采用開(kāi)源、免費(fèi)的Linux，基于嵌入式Linux 2．6版本進(jìn)行移植，主要移植過(guò)程包括建立開(kāi)發(fā)環(huán)境、下載內(nèi)核源碼、修改配置文件、配置內(nèi)核、編譯內(nèi)核、編譯模塊幾個(gè)步驟，因?yàn)橐浦驳倪^(guò)程大致相同，這里只做簡(jiǎn)單介紹：
(1)宿主機(jī)上的交叉編譯工具采用arm-linux-gcc-3．4．1 ；
(2)修改commom-smdk．c文件，為NANDFLASH設(shè)置分區(qū)；
(3)修改配置文件fs／Kconfig，使內(nèi)核支持啟動(dòng)時(shí)掛載devfs；
(4)配置內(nèi)核；
(5)編譯內(nèi)核與模塊，用Busy-box工具制作yaffs文件系統(tǒng)。
1．2．3 嵌入武GUI Qtopia的移植
嵌入式GUI用于開(kāi)發(fā)短信、電話應(yīng)用程序圖形界面，本文采用Trolltech公司的Qtopia作為圖形界面庫(kù)，采用版本是Qtopia-core-opensou rce-src-4．4．3。移植的主要工作有：
(1)修改qmouselinuxtp_qws．h文件，使Qtopia支持觸摸屏；
(2)配置、編譯、安裝；
(3)拷貝相關(guān)的庫(kù)文件到開(kāi)發(fā)板，并設(shè)置環(huán)境變量。
2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
電話和短信應(yīng)用程序是智能手機(jī)最基本也是最核心的應(yīng)用。電話短信應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的主要工作包括：電話短信應(yīng)用程序的流程設(shè)計(jì)、通信模塊和應(yīng)用處理器的串口通信以及電話和短消息應(yīng)用程序界面開(kāi)發(fā)。
2．1 電話／短信應(yīng)用程序流程
應(yīng)用程序采用定時(shí)器函數(shù)來(lái)控制整個(gè)程序的流程。定時(shí)器每200 ms觸發(fā)1次。
新電話、新短信的檢測(cè)流程如圖3所示，應(yīng)用程序初始化需要對(duì)GSM／GPRS通信模塊與應(yīng)用處理器之間的接口進(jìn)行初始化，此外還要定義1個(gè)200 ms觸發(fā)的定時(shí)器。系統(tǒng)初始化完畢之后，定時(shí)器觸發(fā)開(kāi)始讀串口數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。當(dāng)串口無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)，等待下一次定時(shí)器出發(fā)；當(dāng)串口有數(shù)據(jù)時(shí)，將串口的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷；當(dāng)數(shù)據(jù)中有新短信提示符時(shí)，按照PDU短信的解碼格式對(duì)該短信進(jìn)行解碼，并調(diào)用UI界面提示用戶新短信到達(dá)，詢問(wèn)用戶是否閱讀；當(dāng)數(shù)據(jù)中有新電話提示符時(shí)，調(diào)用UI界面，詢問(wèn)用戶是否接聽(tīng)。
當(dāng)需要發(fā)送短信或撥號(hào)時(shí)，應(yīng)用程序流程如圖4所示。當(dāng)用戶調(diào)用發(fā)信界面編輯好短信，并輸入完收信方，點(diǎn)擊發(fā)送鈕時(shí)，應(yīng)用程序首先判斷短信中心號(hào)碼和接收信息號(hào)碼是否正確，若不正確，提示用戶錯(cuò)誤；若號(hào)碼和號(hào)碼格式均正確，便對(duì)要發(fā)送的短信內(nèi)容按照進(jìn)行PDU短信格式進(jìn)行編碼，并向串口寫(xiě)AT命令以便將該短信發(fā)送出去。撥號(hào)和掛斷電話的流程很簡(jiǎn)單，只需要向串口寫(xiě)入ATD+所撥號(hào)碼以及ATH就可，當(dāng)撥號(hào)錯(cuò)誤時(shí)，提示用戶撥號(hào)錯(cuò)誤。
2．2 通信模塊串口通信的實(shí)現(xiàn)
串口是連接智能手機(jī)應(yīng)用處理器和GSM／GPRS通信模塊的接口，串口通信流程是打開(kāi)串口、串口的初始化設(shè)置、讀／寫(xiě)串口、關(guān)閉串口，如圖5所示。
在應(yīng)用程序初始化時(shí)初始化時(shí)需要對(duì)串口進(jìn)行初始化，對(duì)串口的初始化主要是設(shè)置串口的一些參數(shù)，包括以下幾個(gè)部分：保存以前的串口設(shè)置、建立新的配置、設(shè)置波特率、設(shè)置數(shù)據(jù)位、設(shè)置奇偶位、激活當(dāng)前配置、處理要寫(xiě)入的引用對(duì)象、設(shè)置最少字符和等待時(shí)間、設(shè)置停止位。只有串口初始化完畢之后，應(yīng)用程序才能對(duì)串口進(jìn)行相應(yīng)操作。
2．3 用程序用戶界面的設(shè)計(jì)
用戶界面是人機(jī)交互的接口。本文采用Linux下常用的界面設(shè)計(jì)工具Qt來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序所需的各種UI界面。本文設(shè)計(jì)的撥打電話、發(fā)送短信的界面如圖6所示。
當(dāng)點(diǎn)擊界面上的按鈕如撥號(hào)、發(fā)送時(shí)，利用其信號(hào)和槽機(jī)制，將其和底層相應(yīng)的函數(shù)如撥號(hào)函數(shù)、發(fā)信函數(shù)相關(guān)聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)撥號(hào)和發(fā)送信息的功能。用戶就可以利用該界面進(jìn)行撥打電話和發(fā)送短信了。
3 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式Linux的智能手機(jī)電話短信實(shí)驗(yàn)?zāi)K。構(gòu)建了智能手機(jī)軟、硬件平臺(tái)，并完成了電話短信的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。為學(xué)生進(jìn)行智能手機(jī)開(kāi)發(fā)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供了平臺(tái)。目前，本平臺(tái)已應(yīng)用于北京化工大學(xué)通信實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，并為學(xué)生進(jìn)行智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行服務(wù)。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，考慮將嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)移植到應(yīng)用程序中以實(shí)現(xiàn)電話短信中的名片夾以及收件箱等功能，并開(kāi)發(fā)基于該硬件平臺(tái)下的其他應(yīng)用程序如MP3播放等模塊以提供給學(xué)生進(jìn)行試實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)。