fmddlmyy的专栏
本文将基于Linux内核的智能手机应用处理器软件简称作Linux手机软件。
1 概述
1.1 为什么要选择Linux平台？
简单说：选择Linux平台的好处就是资金投入少；因为基本上不需要授权费，产品的软件成本也比较低。选择Linux平台的不利之处也是很明显的：
需要很大的研发投入。
北京的一家公司有30多人的研发队伍用QT做智能手机，做了快两年，还没有上市。QT是Linux平台上的一种商用图形用户界面（GUI）开发包，也有GPL版本。深圳一家公司用Linux+GTK做智能手机，完成度比较高了，但还没有推向市场。GTK是与QT齐名的GUI开发包，GTK是以LGPL发布的自由软件。虽然产品没有上市可能有多方面的考虑，但将Linux手机做到产品化的难度也可见一斑。
Linux手机没有统一的应用软件开发平台
Windows Mobile和Symbian都是一家公司主导的，有统一、开放的应用软件开发平台。有很多公司、个人为它们开发应用软件。但是Linux手机没有统一的应用软件开发平台，因此没有大量的第三方应用。这可能是Linux手机最难克服的缺点了。因为这个缺点是Linux作为开源软件所固有的。尽管不少公司或联盟都想统一Linux平台，但至少目前还没有明显的效果。而且统一的Linux应用平台，即使是开源的，似乎也不符合Linux的自由精神。这是自由和集中、开源和商业的一个很难调和的矛盾。
从2007年开始出现的OpenMoko、Android、GPE Phone Edition等开源Linux手机方案开放了自己的参考设计，在一定程度上降低Linux手机软件的研发难度。但这些方案本身还存在各种问题。即使有比较成熟的参考设计，也需要资深工程师才有应用、定制这些方案的能力。即使作出样机，没有充分的测试，也不敢投入量产。
Linux手机没有品牌优势
Linux手机没有统一的品牌，在品牌优势上远低于Windows Mobile或Nokia主导的Symbian，在市场竞争中处于不利态势。
1.2 开源软件的许可证
Linux方案能够降低软件成本的主要原因就是使用了包括Linux内核在内的大量开源软件。 开源软件总是按照某个软件许可证发布的，必须遵守开源软件的许可证，才能合法地使用开源软件。有很多种开源软件许可证。最常见的许可证就是GPL和LGPL。许可证有不同的版本。例如Linux内核使用的许可证就是GPLv2。
GPL和LGPL都是GNU组织开发的许可证，可以见：http://www.gnu.org/licenses/licenses.html。GNU是倡导自由软件的非盈利组织，GNU组织为世界提供了大量优秀的自由软件。GPL代表The GNU General Public License。LGPL代表The GNU Lesser General Public License。尽管这些文本有中文翻译，但法律上生效的还是英文文本。
1.2.1 GPL
我们可以自由地运行GPL软件，例如使用gcc编译器编译商用软件。但如果我们在自己的程序中引用了GPL软件（不管是静态链接还是动态链接），并发布这个程序，我们就必须给获得该程序的人提供相同的权利，通常是也按GPL发布。指责GPL的人根据这个特性将GPL称作病毒。
Linux内核是以GPL许可证发布的。不过，Linus Torvalds（Linux的原作者）在GPL许可证前加了说明：它规定在内核上执行的应用程序不受GPL的制约。所以在Linux上运行的应用软件可以是私有的。但是如果我们修改了Linux内核，就必须以GPL发布修改过的内核。例如Google的Android平台需要修改内核，它在发布二进制映像时就必须发布所修改内核的源代码。当然，Google发布的内核代码只是基于模拟器（QEMU）的内核版本，没有什么参考价值。
关于Linux上的驱动程序模块（需要装载到内核运行）是否要遵守GPL，以前有争议，现在的说法是只要该模块仅使用公开的内核接口，就可以不按照GPL发布。一般而言，GPL不适合于商业软件。除非厂家在用GPL发布软件的同时还能找到盈利模式。确实有不少公司做到了，软件不收费，但服务是收费的。
1.2.2 LGPL
LGPL比GPL友好。我们可以在自己的程序不加修改地引用LGPL程序，只要保留版权声明，还可以将该程序作为私有软件发布。但如果我们修改并引用LGPL程序，我们就不能按照私有软件发布程序，必须遵守LGPL的规定。
除了GPL、LGPL外，常用的许可证还有BSD、MIT、Apache许可证。例如：Google的Android使用Apache许可证。BSD、MIT、Apache许可证都是对商业应用友好的许可证。
1.3 Linux手机软件开发要做什么？
Linux手机软件开发要做的事情主要包括：
根据硬件平台移植、调试引导程序。例如：u-boot、vivi等。
内核移植。选择合适的内核，在自己的硬件平台上跑起来。开发各种外设的驱动程序。
选择GUI开发包，选择组件通信包，选择其它需要的开源软件包，搭建应用软件开发框架。
基于应用软件开发框架开发应用程序。除手机界面之外，至少还要开发与基带处理器通信的程序，也就是AP端的AT命令程序。
开发的输出是引导区映像、内核映像、包含完整手机应用软件的根文件系统。手机软件方案还要包括系统升级方案和应用程序更新方案。手机软件通常包含软件包管理功能，例如OpenMoko就使用了iPKG软件包管理器（http://handhelds.org/moin/moin.cgi/Ipkg），可以从手机的图形界面更新应用程序。图1是一个应用软件开发平台的例子：
图1 GNOME Mobile平台
这是基于GTK的方案，组件通信选择了D-Bus。上图也列出了一些最常用的开源软件包。事实上，在手机软件的发布版本中可能要使用几十个开源软件包。其中GUI开发包的选择是一个很关键的选择，因为GUI开发包的选择会影响大部分其它组件的选择。
Android的做法比较特殊，它没有使用Linux平台的GUI开发包。Android系统中包含一个Java虚拟机，它的GUI开发包、应用开发框架（framework）都用java语言实现，然后由Java虚拟机解释运行。下面还会讨论。
1.3.1 GUI开发包的选择
Linux平台的GUI开发包主要有QT和GTK两个主流产品。KDE是基于QT开发的PC窗口系统，GNOME是基于GTK开发的PC窗口系统。很多Linux发行版的窗口系统都是在KDE或GNOME基础上开发的。图1的GNOME Mobile是GNOME项目组计划开发的移动应用开发平台，目标是规范基于GTK的移动应用开发，这个项目目前还没有完成。
QT是使用广泛的跨平台GUI开发包。QT的嵌入式版本主要有两个部分：Qtopia Core（原来叫QT/Embedded）和Qtopia。Qtopia Phone Edition是在Qtopia和Qtopia Core基础上定制的手机版本。图2是Qtopia Phone Edition的架构。QCop是该平台的组件通信方式，类似于KDE平台的DCop。
图2 Qtopia Phone Edition架构
Qtopia Phone Edition原来是商业软件，从4.3版本开始发布开源软件，使用GPL许可证。从上图可以看到，Qtopia Phone Edition的完成度也不高，从Qtopia Phone Edition出发到完成一个商用手机还需要做大量的工作，例如选择基于QT的浏览器、邮件、即时通讯程序等。
GTK和QT有两个明显的区别：
QT完全采用面向对象方式设计，提供C++开发接口。而且QT对C++的语法进行了扩充，有自己的元对象系统。在QT中，对象通信（进程内通信）所采用的信号/槽机制、运行时类型信息、动态属性等功能都是C++语法不支持的，必须先用QT的moc工具处理成正常的C++源文件，再用C++编译器编译。GTK提供C接口。
GTK采用LGPL许可证，比Qtopia更友好。QT是由商业公司，挪威的Trolltech（奇趣）维护的（http://trolltech.com/products/qtopia）。GTK是由开源组织（http://www.gtk.org/）维护的。
最近，Nokia宣布要收购Trolltech公司，QT的未来有较多未知因素。目前的开源手机方案通常选择GTK。
国内还有一个叫作minigui（http://www.minigui.com/index.php?id=home&L=1）的GUI开发包。原来是开源软件，现在是一家叫作飞漫软件的公司在推广。他们有手机开发平台、浏览器、手写输入的方案，当然都是收费的，也没有GPL版本。minigui目前的应用主要是一些需要简单图形界面的工业控制设备。据飞漫介绍：大唐有一款TD-SCDMA样机采用了ThreadX操作系统和minigui。
从前面的讨论可以看到：Linux手机软件开发尽管可以使用大量开源程序，但要做出手机产品还有很大的工作量。每家公司做一套手机开发平台，各平台的应用程序也不兼容。不少公司和组织通过各种行动以求统一Linux手机开发平台，让第三方应用程序有较好的兼容性。虽然目前还没有什么统一的平台，但确实有一些开源的Linux手机方案。
2 参考设计
前几年网上没有什么开源手机方案，有一些PDA的开源方案，其中比较著名的是Familiar项目（http://familiar.handhelds.org/），这个项目是用Linux实现PDA的操作系统。Familiar项目的目标平台是惠普的iPAQ系列掌上电脑。基于Familiar项目，有两个主要的GUI项目：基于GTK的GPE（http://gpe.handhelds.org/）和基于Qtopia的Opie（http://opie.handhelds.org/cgi-bin/moin.cgi/）。GPE和Opie都是独立的项目，可以应用到使用Linux的其它嵌入式平台。
最近一两年，不断有组织和个人提出“统一”的Linux手机平台方案，主要有：LiMo、OpenMoko、LiPS、Android。下面会分别讨论。此外，还有一些公司有商用Linux手机开发平台：例如前面提到的Trolltech公司的Qtopia。爱可信（ACCESS）的ALP（ACCESS Linux Platform，http://www.access-company.com/products/linux/alp.html）平台。
2.1 平台简介
2.1.1 LiMo
LiMo（http://www.limofoundation.org/）是 Linux + Mobile 的简写。这是一个产业联盟。他们可能会发布一个应用软件平台，不过现在还没有发布任何东西。LiMo的发起会员是：美国摩托罗拉，日本NEC，日本NTT DoCoMo，日本松下移动通信，韩国三星电子，英国沃达丰。
图3 LiMo的方案架构（左边是大框架，右边要细化一些）
图3是LiMo的系统框架。LiMo把开发工作分配给各个成员，图4是他们的工作分配图。
图4 LiMo的开发工作分工
可以看到LiMo计划采用GTK和D-Bus。
2.1.2 OpenMoko
OpenMoko（http://www.openmoko.org/）是台湾大众电脑（First International Computer，FIC) 发起的开源手机项目。网上有一篇关于OepnMoko的详细介绍，可以见http://gb-www.digitimes.com.tw/gate/gb/tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A2O&zNotesDocId=0000079427_A6OLFT3HUX3IY4B646C0Z。
图6 OpenMoko的系统架构
图6是OpenMoko的系统架构。其中Finger application指用手指控制的应用程序，Stylus application指用笔控制的应用程序。图7列出了OpenMoko使用的开源组件以及组件间的依赖关系。
图7 OpenMoko使用的开源组件及组件的依赖关系
OpenMoko的GUI选择了GTK，组件通信选择了D-Bus。在OpenMoko平台中，应用框架（包括libmokocore、libmokoui、libmokopim、libmokonet）、应用程序部分是OpenMoko组织开发的，其它部分使用开源软件。
OpenMoko是目前最开放的开源手机方案。OpenMoko项目还作了样机。第一版样机Neo1973是为开发者做的，可以从网络（https://direct.openmoko.com/）购买。第二版样机Neo FreeRunner计划在3月份投入量产，这版样机是针对最终消费者的。OpenMoko已于2007年10月23日成立公司(我本墨客股份有限公司)，研发总部在台北的内湖科学园区。
OpenMoko的软件虽然很接近产品，但还不算成熟。目前存在有时漏接电话，有时打不出去的问题。估计这应该是AT命令部分的问题（gsmd模块）。Trolltech 公司的Lorn Potter 将Qtopia 4.3.1移植到OpenMoko机器上，可以正常运行，通话功能也比较稳定。
除了前面提到的代码（暂时）还不成熟，OpenMoko还有以下缺点：
文档太少。当然这也是开源软件的一个特点。开源软件的开发者通常比较少，他们更愿意把时间花在代码上而不是文档。因为代码发展很快，即使有文档，也很难与代码同步。
OpenMoko把主要精力放在了整机软硬件设计上，对统一的API接口没有给予充分的重视。这一点与LiPS、Android、Nokia的Maemo等有很大区别。其实开源手机方案应该将统一应用软件开发平台作为一个主要目标。虽然很难实现，但Linux手机确实需要一个统一的应用软件开发平台。即使是三国鼎立，也比诸子百家要好。
2.1.3 LiPS
LiPS（http://www.lipsforum.org/）代表Linux Phone Standards Forum。LiPS论坛是法国电信主导的一个行业联盟，目前有33个成员。LiPS论坛的目标也是规范Linux手机软件的开发，它的思路是制定Linux电话终端标准。目前在法国电信北京研发中心任职的黄思源是LiSP论坛的发起者，他在自己的Blog上介绍了论坛的来由（http://blog.sina.com.cn/s/blog_4a09ed6f01000420.html）。
图8 LiPS的任务
如图8所示，LiPS的目标就是指定一套开放、统一的Linux手机API，上图中橘黄色部分就是LiPS希望规范的部分。LiPS把这部分中间件称作LiPS Services Sets。LiPS Services Sets的架构如图9所示：
图9 LiPS的Services Set
其实就我看来，LiPS以标准规范Linux手机的想法是很难成功的。一个优秀的、开放的参考设计比文档更能吸引人，更有可能成为事实标准。不过，LiPS的文档写得不错，如果既有规范的文档，又有开放、完善的参考设计，就更容易胜出。
LiPS确实有一个参考设计，叫作GPE Phone Edition（http://gpephone.linuxtogo.org/），记作G(PE)²。但G(PE)²的设计目标不是一个完整的产品，它只提供符合LiPS的部分参考设计。所以，G(PE)²的完成度要低于OpenMoko。图10是G(PE)²的架构：
图10 GPE Phone Edition的架构
G(PE)²的GUI开发包用的也是GTK，组件通信用D-Bus。G(PE)²项目的公开资料更新较慢。
2.1.4 Android
Android（http://code.google.com/android/）是OHA（Open Handset Alliance）组织发布的一个手机软件栈，包括操作系统、中间件和主要的应用。OHA是Google主导的一个行业联盟。图11是Android的架构。
图11 Android的架构
前面也介绍过，Android的一个重要特点就是它的应用框架和GUI库都用Java语言实现。Android内部有一个叫作Dalvik的Java虚拟机，Java程序由这个虚拟机解释运行。Android平台的应用程序也必须用Java语言开发。网上有评论说Android的虚拟机使用Apache的Harmony类库。Harmony类库是Apache组织开发的开源Java类库，用Apache许可证发布。
Android应用框架采用了Mash-up的组件模型：组件（Activity）向系统注册自己的功能，每个组件要使用其它组件的服务时提出自己的要求（intent），系统根据intent在已登记的组件中确定合适的组件。Android平台的API文档很完善。在我看来，基于Android平台开发应用软件应该是一件轻松、愉快的事情。但是，选择Android平台存在以下问题：
Google目前只开放了SDK，即应用软件的开发接口，没有开放中间件的源代码。
在没有源代码的情况下，也可以把Android移植到兼容的开发板（CPU核采用ARMv5指令集）上，但因为不能定制而无法将其用于实际产品。Google现在没有明确什么时候发布中间件的源代码。其实Google也没有明确说过将发布中间件的源代码。
Google说Android是“the first complete, open, and free mobile platform”。在英文中“free”既可以解释成“自由”，也可以解释成“免费”。如何解释完全在于Google。我觉得Google最想抓住的是应用软件的开发者，即希望公司和个人都学习它的SDK，为它的平台开发应用软件。Google肯定会和厂家合作，开发支持Android平台的手机。但Google是否会在网络上完全开放中间件代码，还是个未知数。
如果Google完全开放这个平台，那么与J2ME类似，各公司肯定会在这个平台上添加自己的扩展，使各平台不能完全兼容。所以，Google很可能用商业手段来保证Android平台的一致性。
Android的设计很漂亮，但是否实用还有待实践检验。
Android使用Java既可以利用Java的平台无关性，又可以降低应用软件的开发难度。但无论怎么优化，Java程序的速度是肯定不如原生代码的。Google的Mash-up的思想虽然不算新颖，但在嵌入式环境中投入实用，也是一个新的尝试。设计总有取舍，Google的选择是否合理，还需要实践检验。
2.1.5 其它平台
除了上述平台，还有一些移动应用开发平台。
2.1.5.1 Nokia的Maemo
Maemo（http://maemo.org/intro/）是Nokia推出的基于Linux的移动应用开发平台。目前用于Nokia的N800、N810等终端设备。N800、N810不是手机，它们被称作互联网设备（Internet Tablet）。不过相信Nokia随时可以将Maemo方案用于手机。目前没有做只是出于商业考虑。
图12 使用Maemo的N810和Maemo平台架构
Maemo也提供了完善的SDK、详尽的文档，组织了Maemo社区，以图吸引个人和公司为Maemo平台开发应用软件。Hildon是Nokia为Maemo平台设计的应用框架。Maemo的浏览器是在Mozilla基础上开发的嵌入式版本，做得比较完善。这是一个开源项目（http://browser.garage.maemo.org/）。
2.1.5.2 Poky
Poky（http://www.pokylinux.org/）是基于OpenEmbedded的一个Linux编译、发布和开发环境，原来是OpenedHand组织内部用来做设备软件开发、配置、调试和性能分析的工具。Poky环境包含了一个实验性的项目Sato，Sato是一个基于GTK+/Macthbox的PDA/智能手机的UI方案。
图13 Poky包含的Sato是一个试验性的PDA/智能手机的UI方案
Poky的blinky版本包含了Sato 0.1版。Sato还处于开发的早期阶段。Poky是采用MIT许可证的开源软件，对商业应用友好。
没有评论:
发表评论