3G手機操作系統(tǒng)的研究和分析

1 引言

　　隨著移動多媒體時代的到來和3G無線通信的興起，數(shù)字廣播的普及。再加上各種新一代高級視頻壓縮算法的采用，手機已從簡單的通話工具逐漸向智能化發(fā)展。借助其操作系統(tǒng)和豐富的應(yīng)用軟件。智能手機便成了一臺微型計算機。而作為其核心的手機操作系統(tǒng)也成為當前討論和研究的熱點。智能手機除了具備普通手機的全部功能外，還具備了PDA(個人數(shù)碼助理)的大部分功能，特別是可以建立個人信息管理系統(tǒng)。具備基于無線數(shù)據(jù)通信的瀏覽器和電子郵件功能。并且在這個開放性的平臺上可以安裝更多的應(yīng)用程序。從而可以使智能手機的功能得到無限的擴充。判定一款手機是否為智能手機。主要看其是否是一款具有操作系統(tǒng)的手機。

　　目前在智能手機操作系統(tǒng)領(lǐng)域中還沒有出現(xiàn)一個像微軟操作系統(tǒng)那樣能在智能手機中占據(jù)壟斷地位的操作系統(tǒng)。仍是多種操作系統(tǒng)并存和競爭的局面。

　　目前智能手機采用的操作系統(tǒng)主要有：微軟推出的Windows CE操作系統(tǒng)(OS)、以Nokia為主要發(fā)起廠商的Symbian操作系統(tǒng)、Palm操作系統(tǒng)、Linux操作系統(tǒng)、GoogleAndroid手機平臺以及蘋果的iPhONe操作系統(tǒng)等。

　　2 3G智能手機的主要特色業(yè)務(wù)

　　3G業(yè)務(wù)根據(jù)不同的層次可以分為若干不同的種類。按照面向用戶需求的業(yè)務(wù)來劃分，大致可以分為：通信類業(yè)務(wù)、信息類業(yè)務(wù)、娛樂類業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、移動商務(wù)以及位置服務(wù)類業(yè)務(wù)。

　　(1)通信類業(yè)務(wù)

　　3G手機的通信類業(yè)務(wù)主要表現(xiàn)為高質(zhì)量通話功能和可視電話功能。也就是打電話的時候不僅能聽到對方清晰的聲音。還可以看到對方的動作和表情。通話信號的抗干擾能力高，通話質(zhì)量強，極大地降低了通話掉線頻率，視頻通話的性能穩(wěn)定。

　　(2)信息類業(yè)務(wù)

　　基于3G網(wǎng)絡(luò)的大容量與高速度，運營商所提供的信息類業(yè)務(wù)除了包括2G時代的純文本內(nèi)容，更多的是通過多媒體的方式來實現(xiàn)信息內(nèi)容的交互式傳遞。例如典型的視頻應(yīng)用——視頻社區(qū)?？梢詫⒗贤瑢W(xué)、老同事形成一個社區(qū)，無論在天南海北，大家都可以定時會晤，通過社區(qū)的活動進行溝通和交流。

　　(3)娛樂類業(yè)務(wù)

　　3G智能手機娛樂類業(yè)務(wù)包括了基于IP的視頻應(yīng)用。

　　基于多種音、視頻內(nèi)容來源的應(yīng)用以及基于家庭娛樂設(shè)備中無線音、視頻傳輸需求的應(yīng)用。

　　(4)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

　　3G被認為是移動通信和互聯(lián)網(wǎng)高度融合的一個典型應(yīng)用。如果是長時間，例如長達幾個小時的上網(wǎng)。使用3G手機可能不如電腦(如手機電池容量限制)，但是作為短期的、移動的上網(wǎng)方式，使用3G手機上網(wǎng)則非常方便快捷。

　　(5)移動商務(wù)

　　移動商務(wù)主要包括移動支付、移動銀行、移動零售、移動票務(wù)等業(yè)務(wù)。移動支付功能指通信運營商可以通過把客戶的手機號碼與銀行卡等支付賬戶進行“捆綁”。隨時隨地為3G手機用戶提供移動支付服務(wù)。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示。用戶最感興趣的3G手機功能是“移動錢包”。比例占到了被調(diào)查用戶數(shù)的46.2%。該功能使手機終端的可移動性、便攜性、私人化特征得到了充分的體現(xiàn)。

　　(6)位置服務(wù)類業(yè)務(wù)

　　位置服務(wù)類業(yè)務(wù)主要有觸發(fā)類服務(wù)、信息類服務(wù)、跟蹤類服務(wù)和救援類服務(wù)，主要目標是為用戶提供安全保障服務(wù)和個性化、貼身的服務(wù)。如3G手機提供的定位功能。使得用戶無論走在什么地方。都可以通過手機上的電子地圖。方便快捷地找到附近的醫(yī)院、餐廳等。

　　由以上特色業(yè)務(wù)的功能可以看出，3G智能手機將逐漸變成一臺微型電腦，用戶可以安裝各類附加應(yīng)用程序。讓它的功能得到無限的擴展：用戶還可以根據(jù)自己的喜好來設(shè)置手機，使之成為自我個性的代表。

　　3智能手機操作系統(tǒng)比較

　　智能手機操作系統(tǒng)作為智能手機的軟件平臺。管理智能手機的軟硬件資源，為應(yīng)用軟件提供各種必要的服務(wù)。手機操作系統(tǒng)的采用，可以使應(yīng)用軟件開發(fā)人員避開繁瑣的硬件管理與操作編程，把主要精力放在目標應(yīng)用的算法研究以及應(yīng)用程序自身的構(gòu)架上：同時應(yīng)用智能手機操作系統(tǒng)提供的各種服務(wù)，可以更容易地構(gòu)建出復(fù)雜的智能手機應(yīng)用系統(tǒng)。

　　可以說每一種智能手機操作系統(tǒng)都有其自身的優(yōu)點。

　　它們的體系結(jié)構(gòu)以及所能夠提供的服務(wù)也不盡相同。而智能手機本身的特殊性又對智能手機操作系統(tǒng)提出了許多帶有共性的需求，比如實時性、開放性、安全性、硬件支持能力等。下面將從實時性、開放性、安全性、硬件支持能力等方面來對目前的主要智能手機操作系統(tǒng)進行分析和比較。

　　3.1 實時性

　　實時性是智能手機操作系統(tǒng)的一個非常重要的特性。

　　同時也是選擇智能手機操作系統(tǒng)時首先需要衡量的一個重要指標。為了增強系統(tǒng)的實時性，智能手機操作系統(tǒng)通常從多個方面入手，應(yīng)用多種技術(shù)以便能夠達到這個目的。衡量操作系統(tǒng)實時性的主要指標包括任務(wù)切換時間、中斷響應(yīng)時間和定時器的精度。

　　(1)Linux

　　Linux在設(shè)計之初沒有對實時性進行任何考慮。主要考慮的是資源共享。吞吐率最大化。但是隨著Linux的快速發(fā)展，它的應(yīng)用范圍已經(jīng)遠遠超出了當初的設(shè)想。Lin呱的開放性以及其對多種架構(gòu)的支持使得它在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是許多嵌入式系統(tǒng)的實時性要求使得Ijnux在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用受到了一定的阻礙，因此人們要求Linux具備實時性的呼聲越來越高。

　　在Linux 2.4和以前的版本中。內(nèi)核是不可搶占的。也就是說，如果當前任務(wù)運行在內(nèi)核態(tài)，即使當前有更緊急的任務(wù)需要運行。目前正在運行的任務(wù)也不能被搶占，緊急任務(wù)必須等到當前任務(wù)執(zhí)行完內(nèi)核態(tài)的操作返回用戶態(tài)后。

　　或當前任務(wù)因需要等待某些條件滿足而主動讓出CPU時才能被考慮執(zhí)行，很明顯這將嚴重影響搶占延遲。

　　在Linux 2.6中。內(nèi)核已經(jīng)可以搶占。因而實時性得到了加強，但是內(nèi)核中仍有大量的不可搶占區(qū)域，如由自旋鎖(spinlock)保護的臨界區(qū)以及一些顯式使用preempt disable失效搶占的臨界區(qū)。

　　在Linux2.4和以前的版本中。調(diào)度器的時間復(fù)雜度為O(n)的算法，而且在SMP(symmetrical multi-processing，對稱多處理)的情況下性能較低，因為所有的CPU共享一個任務(wù)鏈表，任何時刻只能有一個調(diào)度器運行，因此，搶占延遲很大程度上依賴于當前系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)，具有非常大的不確定性和不穩(wěn)定性。

　　(2)Windows CE

　　Windows CE雖然也不是一個嚴格意義上的實時內(nèi)核。

　　但卻是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的。它支持嵌套中斷，允許更高優(yōu)先級別的中斷首先得到響應(yīng)。而不是等待低級別的ISR(interuption service routine，中斷服務(wù)程序)完成。這使得該操作系統(tǒng)具有嵌入式操作系統(tǒng)所要求的實時性，同時有更好的線程響應(yīng)能力。Windows CE對高級別IST(中斷服務(wù)線程)的響應(yīng)時間上限的要求更加嚴格，在線程響應(yīng)能力方面進行了改進，幫助開發(fā)人員掌握線程轉(zhuǎn)換的具體時間。并通過增強的監(jiān)控能力和對硬件的控制能力幫助他們創(chuàng)建新的嵌入式應(yīng)用程序。另外。Windows CE系統(tǒng)有256個優(yōu)先級別?？梢允归_發(fā)人員在控制嵌入式系統(tǒng)的時序安排方面有更大的靈活性。

　　(3)Palm OS

　　Palm OS是一套專門為掌上電腦開發(fā)的OS。在編寫程序時。Palm OS充分考慮了掌上電腦內(nèi)存相對較小的情況。

　　因此它只占用非常小的內(nèi)存。由于基于Palm OS編寫的應(yīng)用程序占用的空間也非常小(通常只有幾十KB)。所以，基于Palm OS的掌上電腦雖然只有幾MB的RAM。卻可以運行眾多應(yīng)用程序。并且有較好的實時性能。同時。Palm OS有著合理的內(nèi)存管理，其存儲器全部是可讀寫的快速RAM。

　　RAM分為兩種：動態(tài)RAM和靜態(tài)RAM。動態(tài)RAM類似于PC機上的RAM，它為全局變量和其他不需永久保存的數(shù)據(jù)提供臨時的存儲空間;靜態(tài)RAM類似于PC機上的硬盤，可以永久保存應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。

　　(4)Symbian

　　Symbian 9.0及以后版本使用了EKA2核心。EKA2全面改進了原有的任務(wù)調(diào)度算法。完全支持實時性，支持某些高帶寬、高優(yōu)先級的任務(wù)對系統(tǒng)的基本實時性要求。這些任務(wù)包括VolP網(wǎng)絡(luò)電話、高速率的視頻在線點播。EKA2的改進有：內(nèi)核實時增強，多線程處理能力更好，API調(diào)用更高效快速，是一個真正意義上的32位操作系統(tǒng)。

　　(5)Google Android

　　C,oosle Android手機平臺是采用Lint=為內(nèi)核的一個完整的手機軟件開發(fā)平臺，有著單獨的應(yīng)用框架和Java虛擬機，其內(nèi)核實時性可以參考Linux部分。

　　
3.2開放性

　　開放性是指人們可以通過自己編寫軟件來擴充系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)復(fù)雜的計算，為超大型程序提供了方便的模塊化編程方法，所以開放操作系統(tǒng)有利于其他開發(fā)者修補該操作系統(tǒng)的不足，使它變得更加完善和強大。

　　Linux遵守GPL(GNU通用公共許可證)，將源代碼開放。例如，Google Android的Linux操作系統(tǒng)是完全開放的、自由的用戶界面，具有完整的原始代碼。由于GoogleAndroid的智能手機平臺是開放性系統(tǒng)，公開源代碼，支持第三方軟件加入。使得Google Android的智能手機能夠加載很多個性化軟件，比如防火墻、即時通信軟件、Office閱讀軟件以及各種在電腦上安裝的軟件，手機的功能更加強大，加快了手機與電腦的融合。同時，與Windows CE、Symbian等不同，Android操作系統(tǒng)免費向開發(fā)人員提供，不存在任何阻礙移動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的專有權(quán)障礙，這樣可以為第三方廠商節(jié)省大量研發(fā)成本。

　　Windows CE是閉合的操作系統(tǒng)，其軟件Windows是商業(yè)軟件，它的源代碼是企業(yè)的最高機密，所以不可能開放。

　　使用類似Visual C++的軟件。第三方可以開發(fā)應(yīng)用WindowsCE。Windows CE也利用類似視窗的。NET框架。但所有的使用和服務(wù)都是收費的。

　　Symbian同樣沒有開放源代碼。但根據(jù)Nokia的最近公告，Symbian也將會有開放源代碼的計劃。Symbian基金會日前發(fā)行了它的第一個開放源碼軟件程序，從而邁出了將整個Symbian手機操作系統(tǒng)開放的第一步。

　　Palm OS是一套開放性的系統(tǒng)。開發(fā)者向用戶免費提供Palm OS的開發(fā)工具。允許用戶利用該工具在Palm OS基礎(chǔ)上方便地編寫、修改相關(guān)軟件。

　　iPhone OS X是有限的SDK(軟件開發(fā)工具包)，保證程序員可以利用全能OS,而不必深入核心。也就是說，核心是不完全開放的。

　　鑒于RIM的手機處理的大都是企業(yè)電子郵件和機密信息，這使得開放其操作系統(tǒng)不太合適。而且會對用戶的隱私保護有一定的影響。

　　3.3安全性

　　智能手機操作系統(tǒng)的安全問題主要集中于在接入語音及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)后所面臨的安全威脅。例如系統(tǒng)是否存在能夠引起安全問題的漏洞。信息存儲和傳送的安全性是否有保障，是否會受到病毒等惡意軟件的威脅等。由于目前手機用戶比計算機用戶還多。而且智能手機可以提供多種數(shù)據(jù)連接方式。所以病毒對于手機系統(tǒng)特別是智能手機操作系統(tǒng)是一個非常嚴峻的安全威脅。筆者主要針對以上幾個安全性方面對智能手機操作系統(tǒng)進行對比。

　　Symbian系統(tǒng)本身存在一些安全漏洞。所以目前受病毒影響最深。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的針對Symbian的病毒超過了50種。

　　這些病毒通常感染Symbian 6.0系統(tǒng)。而UiQ平臺極少發(fā)生感染。廣為人所知的Cabir病毒是通過藍牙連接對Symbian手機進行DoS攻擊的。由于越來越多的個人信息(如電話簿、商業(yè)機密文檔等)會被保存在智能手機中。為了防止惡意軟件或病毒竊取這些信息或者耗費用戶通信費用，Symbian 9.0及以后的版本引入了新的系統(tǒng)安全模型。

　　Symbian 9.0以前的系統(tǒng)中安裝的某個軟件的所有文件都會存儲在ksystemappskxxx目錄下，Symbian 9.0及以后的系統(tǒng)中，某個軟件中的不同文件會存放在不同的目錄。如可執(zhí)行文件(.exe，以前是.app)被放在ksys、bin下，資源文件被放在h'esource下。每個軟件的所有私有數(shù)據(jù)被放在private目錄下，其他目錄是供所有軟件共享的目錄。其中sysbin和hresource用戶不能更改?？蓤?zhí)行文件只能由安裝程序復(fù)制進去。private只能由軟件安全號所對應(yīng)的軟件訪問?？蓤?zhí)行文件引入了能力模型，取得某些能力如訪問用戶的電話簿、發(fā)送短信、修改手機設(shè)置等，需要讓可執(zhí)行文件獲得Symbian公司或者諾基亞公司的數(shù)字簽名。系統(tǒng)還具備可執(zhí)行文件防纂改功能，安裝經(jīng)過修改的軟件包。或者用讀卡器修改存儲卡的ksyskbin目錄。會被Symbian系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。引入這些特性。使得系統(tǒng)的安全性大大提高。但是系統(tǒng)安全模型的引入，也導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)了兼容性問題。

　　用于SmartPhone的Windows CE系統(tǒng)也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些病毒感染的案例。病毒作者對微軟平臺的熱衷在手機系統(tǒng)上得到了延續(xù)。Windows CE系統(tǒng)很早就被發(fā)現(xiàn)存在安全漏洞。典型的漏洞是允許攻擊者向使用該系統(tǒng)的手機發(fā)送惡意代碼，這一點與基于Windows的PC系統(tǒng)非常類似。

　　Palm和Linux系統(tǒng)在安全漏洞方面表現(xiàn)較好，不過這其中包含了市場份額的影響。攻擊者通常更熱衷于在市場份額表現(xiàn)出色的系統(tǒng)上發(fā)掘漏洞。目前在系統(tǒng)漏洞方面各廠商能夠在較短的時間內(nèi)對發(fā)現(xiàn)的安全漏洞進行修補。只要用戶及時地更新安全補丁，就可以避免漏洞所造成的危害。

　　最新發(fā)布的Palm操作系統(tǒng)提供了安全性保護，新的安全性特性將保證敏感數(shù)據(jù)的保密性，主要提供了強大的128位的數(shù)據(jù)加密服務(wù)(該服務(wù)基于RSA Security標準的RC4加密算法)以及端對端的安全性(通過用于電子郵件、Web瀏覽以及在線交易的安全套接字層(secure socketlayer，SSL)服務(wù)來提供)。對于為Palm編寫應(yīng)用程序的開發(fā)人員來說，這些新的安全特性意味著他們有了構(gòu)建強大加密術(shù)和安全性協(xié)議的基礎(chǔ)，且該基礎(chǔ)是由安全性專家設(shè)計的。Palm的目標是通過提供給開發(fā)人員可以“掛入”的、堅固的安全性基礎(chǔ)來簡化其平臺上安全應(yīng)用程序的開發(fā)。

　　總體來說，由于借鑒了個人電腦領(lǐng)域的安全經(jīng)驗，手機操作系統(tǒng)廠商在設(shè)計系統(tǒng)時已經(jīng)對安全問題進行了充分的考慮。這些廠商在數(shù)據(jù)加密、通信協(xié)議以及訪問認證方式等方面已經(jīng)做出了很多安全增強，并且仍在積極地進行改進。

　　只要正確地利用這些功能以及一些已有的安全解決方案。

　　并對廠商發(fā)布的各種信息保持適當?shù)年P(guān)注，目前的智能手機用戶是能夠獲得良好的安全環(huán)境的。

　　3.4對硬件的支持能力

　　由于智能手機硬件平臺具有多樣性。CPU芯片的更新又非常快速。所以要求智能手機操作系統(tǒng)支持常用的嵌入式CPU，如X86、ARM、MIPS、POWERPC等，并具有良好的可移植性，支持種類繁多的外部設(shè)備。

　　Linux支持當前流行的大部分嵌入式處理器，其中支持的32位體系架構(gòu)有Alpha、ARM、Cris、X86 M68K、MIPS、PARISC、PPC、SH、Spare等;支持的64位體系架構(gòu)有MIPS64、PPc64、SH64、Spare64、X86_64等。

　　Windows CE僅支持ARM、MIPS、X86和SuperH。

　　Symbian可以支持從ARM9系列到ARM11系列的所有ARM處理器。Symbian OS v9.5是業(yè)界首款可支持ARMCortex-A8處理器的智能手機操作系統(tǒng)。

　　Palm支持的處理器有Motorola DragonBall、Xscale等。

　　iPhone支持的處理器為ARMl 176JZF。

　　Black Berry支持的處理器有PXA9xx、PXA270等。

　　4結(jié)束語

　　3G智能手機操作系統(tǒng)發(fā)展方向勢必需要滿足手機語音功能之外的多媒體應(yīng)用、無線上網(wǎng)、手機電視、手機定位等數(shù)據(jù)功能的“移動寬帶”應(yīng)用。它要能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式。提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。同時。3G智能手機操作系統(tǒng)應(yīng)努力做到統(tǒng)一平臺?？朔袷絾栴}。提供更加靈活的功能，以及讓使用者決定功能。以滿足個性化需求。因此，未來手機市場的格局會是以無線互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為主，硬件價格所占比例會不斷地縮小。手機企業(yè)不再依靠手機盈利，靠的是軟件和增值服務(wù)。