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公司 2010-2-19 14:54

论山寨手机与Android 【7】 MTK手机软件系统

MTK feature phone的基本功能是通话和短信,要了解MTK手机软件系统,首先需要简要回顾几个移动网络通讯的基本概念。

Figure 38. GSM-GPRS Architecture
Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2694/4239683146_55f0dd7e11_o.png

以GSM系统为例,手机以无线方式建立起与基站(BTS)的联系,两者之间通讯接口是Um。基站与基站控制器(BSC)之间的通讯接口是Abis,基站控制器与移动交换中心(MSC)之间的通讯接口是A,参见Figure 38。

Figure 39. GSM Protocol Layer [1]
Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2743/4284005175_06873d175f_o.gif

所谓接口(Interface),是一组协议的代名词,而这些协议可以分成若干层,层层叠叠,所以接口又被称为协议栈(Protocol Stack)。Figure 39中最左边一列,显示的是手机需要处理的协议栈。从第二列到第四列,分别显示的是基站(BTS),基站控制器(BSC),和移动交换中心(MSC)分别 需要处理的协议栈。相邻两列之间的虚线表示通讯接口,接口两侧的协议栈对称,以保证通讯中传递的信息能够被对方识别。

MTK手机软件系统,需要处理的是最左边的协议栈 [2]。

1.  该协议栈的底层是物理层(Physical Layer),负责无线射频(GSM RF)和信道管理(Channel Access Method),用来传输原始的比特数据流,例如GSM系统中的TDMA。

2.  第二层是数据链路层(Data Link Layer),LAPDm是该层使用的协议,负责把数据流分成若干帧,并处理流控制。

3.  第三层是网络层(Network Layer),负责建立手机通讯发起方与接收方之间的连接。手机的连接离不开基站,基站控制器以及移动交换中心。而且当手机的位置不固定时,譬如在运动中 的汽车上打电话,经过的基站,甚至基站控制器都不固定。所以,网络层又细分为三个子层,分别是RR层,MM层,以及CM层。

3.1. RR层负责无线资源管理(Radio Resource Management),负责建立手机与基站之间的联系,尤其是当多个手机同时与同一个基站联系时,如何避免多个信道之间的相互干扰。

3.2. MM层负责移动的管理(Mobile Management)。运动中的手机由一个基站切换到另一个基站,甚至由一个基站控制中心切换到另一个基站控制中心,切换过程中如何保持通话的连续性,诸如此类的工作由MM层负责。

3.3. CM层,又被称为CC层,负责连接和呼叫的管理(Connection Management, or Call Control)。在手机通话发起方拨号是,CM层负责查询接收方当前所在位置,以及是否在通话中,是否需要转入语音留言箱等等。

简要回顾一下GSM的协议栈,有助于理解MTK的软件系统。GSM协议层只规定了L1到L3三层协议,即物理层,数据链路层和网络层,并没有规定L4以上的协议内容。MTK把L4视作应用层,L4的协议用来让应用程序调用网络层L3中的CM/CC子层功能模块。

Figure 40. MTK software function modules [3].
Courtesy http://farm5.static.flickr.com/4062/4294578472_bfcf09c6f5_o.png

Figure 40显示了MTK软件平台中包含的基本模块,来自MTK工程师的演讲稿[3]。其中各个模块的名称缩写的含义,可参阅附录(Appendix)。虽然该资料来源可靠,但是Figure 40图中存在一些令人疑惑的细节,

1.  物理层(L1),负责无线射频和信道管理。Figure 40中L1模块,如粗边框图所示。它的左边是驱动器(Drivers)模块,右边是UART串口。这种绘制方式不太准确,其实L1和UART都可以看成是硬件加驱动器的一种。

MCU(微处理单元)支持多种外设,例如扬声器/USB/远红外串口等等,参阅前文Figure 35。每一个外设,不仅需要硬件,也需要驱动软件。MTK软件平台中包含的驱动软件非常丰富,足以支持所有MCU外设。

2.  数据链路层(L2)的模块,包含在Data部分,例如L2R。

按照图中所示,应用层(L4)可以通过CSM模块,直接调用L2模块。这与先前介绍的GSM协议栈是冲突的,按照协议栈的规定,L4只能与L3中 CM/CC子层联系。但是MTK的做法,允许L4越级与L2直接联系。也就是说,[3]隐含的意思是,GSM协议栈只是一个建议,在具体实现中不需要严格 遵守。

3.  网络层L3包含的功能模块很多,可以归纳为RR, MM/GMM,以及CC三个部分,如图中粗边的框图所示。

按照前文所述,GSM协议栈建议,L3层中RR子层应该只与L2模块联系,而不应该直接调用L1模块。按图中所示,MTK没有严格遵守这个规定。更有意思的是,图中把L2与L3描绘成并列的关系,而且它们之间没有直接联系,这一点也比较费解。

4.  应用层L4中的CSM模块,既负责与L3层的CM/CC模块联系,也负责与L2层的L2R模块联系,这一点似乎不合常规。

L4是连接应用程序与GSM协议栈模块的接口。在feature phone的语汇中,应用程序常常被当成是MMI(Man-Machine-Interface)的同义词,其实细究一下,更准确的说法是,应用程序是 MMI的一部分[4]。根据[3]的文字叙述,尤其是pp19关于L4A和L4C的介绍,以及pp38关于Keypad事件触发机制的介绍,似乎MTK的 应用程序,对于其它功能模块的调用,有四种机制,如Figure 41所示。

Figure 41. MMI Architecture
Courtesy http://farm5.static.flickr.com/4049/4293838733_7f23594f7d_o.png

4.1. 通过GUI模块控制LCD显示屏。

4.2. 通过L4模块,以任务的方式,实现通信及其它附加功能,例如SIM卡控制,语音通信,数据通讯,通话历史记录,电话本,照相机等等功能。

4.3. 通过Framework中的API,直接对文件系统进行操作,而无需通过OS。

4.4. OS的功能限于多任务的调度,以及内存的管理。

这四种调用机制中,尤其是第三和第四这两种,与PC以及smartphone的差别非常大。这阻碍了MTK软件平台未来顺畅地发展,这个问题留给后续文章,做进一步讨论。

Figure 40中没有详述MTK应用模块调用底层模块的四种机制,而只是简练笼统地描述成FMI(Feature Rich MMI)。不妨把Figure 41,视为Figure 40中,FMI模块的局部放大。

虽然Figure 40存在一些令人疑惑的细节,但是基于它对于MTK各个功能模块的描述,同时参考同一份资料的另一张图[3],我们不难勾勒出MTK软件系统的结构,参见 Figure 42。这张图略去了Figure 40中一些细节,例如RMI(Remote MMI)。RMI不仅可以支持PC操控手机,而且也为SmartPhone中,AP(Application Processor)与BP(Baseband Processor)的分离打下了基础。这些内容留给后续章节。

Figure 42. MTK Software Platform Overview [3].
Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2743/4283671101_5a60957fb5_o.png

比较Figure 40与Figure 42,Figure 40中OS的位置,应该理解成原理介绍大于实际结构。而Figure 42中描绘的,是系统架构,更符合实际情况。即,OS负责为整个系统,包括各个协议栈模块,以及应用程序,提供多任务的调度,以及内存的管理。

MTK使用的OS是Nucleus。Nucleus原为Accelerated Technology公司的产品,开发于1990年代。2002年,被Mentor Graphics公司收购。目前Nucleus源代码完全开放,无产品版税(Royalty Free),开发和调试工具齐全。Nucleus系统是模块化结构,可以随意裁剪,支持几乎所有嵌入式微处理器(MCU),可移植性强,无需 BSP(Board Support Package,版级支持包)开发[5]。

Nucleus除操作系统内核(Kernel)外,还提供TCP/IP协议包(Nucleus Net),图形软件包(Nucleus Grafix)等等辅助工具,被广泛应用与各式嵌入式系统中,包括手机,网络设备,车载电子设备,通讯设备,医疗仪器等等。

MTK选用Nucleus的原因,估计有三条,1. Nucleus质量可靠,2. 开发容易,3. 成本低。而且MTK只用了Nucleus的内核部分,这样的做法降低了MTK软件系统对于Nucleus的依赖性。所谓Nucleus内核,主要是多任务 并发的处理机制,以及内存的管理,包括以下几个部分。

1.  任务的调度,包括优先级(Priority),时间片(Time Slice),和抢占性(Preemptive)控制机制。

2.  任务间的通信,包括信箱(Mailbox),队列(Queue),和管道(Pipe)通讯机制。

3.  任务间的同步,包括旗语(Semaphore),事件(Event),和信号(Signal)同步机制。

4.  内存的管理,包括分区与动态两种方式,即定长的与不定长的内存分配与释放。

Nucleus内核,与Linux等等其它内核并无重大区别。MTK在Nucleus与其它系统模块之间,设置了一个适配层(KAL OS Adaptation)。这个适配层的意义,在于把OS内核的具体实现封装起来,方便系统调用(System Call)。另外,MTK并没有用到Nucleus对外设管理的支持,以及Nucleus应用程序图形界面库等等。

关于MTK系统的硬件与软件,就介绍到这里。理解了MTK的系统,或者更确切地说,针对FeaturePhone的软硬件系统,我们就不难理解 SmartPhone的出现,是FeaturePhone的进化产物。而Figure 40中提到的RMI (Remote MMI),可以视为进入SmartPhone新世界的入口,且听下回分解。

Appendix,

MTK软件系统中,各个功能模块名称缩写的全称和简介,参阅Figure 40。

1.  RMI: Remote MMI,例如PC可以通过UART口与协议栈进行通讯。
2.  FMI: Feature rich MMI
3.  L4: MMI通过L4与gsm/gprs协议栈进行通讯,包括以下子模块,
3.1.  ATCI: AT Command Interpreter, 解释来自PC端的命令并命令L4做相应的动作
3.2. L4A: L4 adaptation Layer, MMI与L4A通过消息通信
3.3. L4C: L4 Control entity, 处理所有的应用程序请求和响应
3.4. UEM: User equipments adaptation, 驱动相关的适配层
3.5. PHB: Phone book management, 电话簿相关的处理,如分类等
3.6. SMU: SIM management Unit, 安全性管理以及STK
3.7. CSM: Circuit switching protocol stack management电路交换协议栈管理
3.8. RAC: Registration access control
3.9. SMSAL: Short message service application layer
3.10. TCM: Terminal context management
4.  NVRAM: Nor-volatile RAM, 是MMI到Flash的一个适配层, 保存一些默认设置
5.  SIM: Subscriber identity module. Handle SIM behavior as ETSI 11.11 description
6.  DATA: 电路交换数据服务,包括以下子模块
6.1. FAX: Group 3 Facsimile
6.2. TDT: Transparent circuit switching data
6.3. L2R: Layer 2 relay protocol for non-transparent circuit switching data
6.4. RLP: Radio link protocol for non-transparent circuit switching data
7.  CC: Circuit-switched call control 电路交换呼叫控制
8.  SS: Supplementary service 附加服务
9.  SMS: Short message service 短消息服务
10.  SM:  Session management 会话管理
11.  MM/GMM: Mobility management 移动性能管理
12.  SNDCP: Sub-network  dependent convergence protocol
13.  LLC: Logical link control 逻辑连接控制
14.  RR: Radio resource management, 包括以下子模块
14.1. RRM: Handles cell selection and PLMN selection
14.2. RMPC: Handles the procedures in Idle/Dedicated state including the surrounding cell scheme and measurement reporting
14.3. LAPDM: Handles the procedure defined in GSM layer 2
14.4. RLC: Radio link control protocol
14.5. MAC: Medium access control protocol
14.6. MPAL: Adaptation layer for RR and L1A
15.  PPP  Point to Point protocol layer, 客户端点对点协议

Reference,

[1] GSM Protocol Stack. (http://www.tutorialspoint.com/gsm/gsm_protocol_stack.htm)
[2] GSM Um Interface. (http://en.wikipedia.org/wiki/Um_Interface)
[3] MTK Software Platform. (http://www.docin.com/p-6004509.html)
[4] 浅谈GSM手机的MMI软件开发. (http://www.ergocn.com/wenzhai35.htm)
[5] Introduction to Nucleus OS. (http://www.docin.com/p-7535534.html)

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