【文章內(nèi)容簡介】 信息。 短信息的常用編碼模式有Ｔｅｘｔ模式和ＰＤＵ模式［２５］。而在Ａｎｄｒｏｉｄ系統(tǒng)中 蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 手機終端 短信服務(wù) 中心 手機終端 圖２．２短信服務(wù)過程 用的是ＰＤＵ模式。為此文章中僅討論ＰＤＵ模式。ＰＤＵ是指協(xié)議通訊單元，它規(guī)定 了數(shù)據(jù)中除了用戶發(fā)送的信息外，應(yīng)該包含的字段，而且規(guī)定字段中每個數(shù)據(jù)位 為０或為ｌ所代表的意義。ＰＤＵ編碼是十六進制的。從終端設(shè)備發(fā)送出去的ＰＤＵ 編碼包含了大量的信息，系統(tǒng)通過這些信息來完成短信息服務(wù)的全過程。 在通訊協(xié)議的實際應(yīng)用中，短信息應(yīng)用程序必須把用戶輸入的短信息進行 ＰＤＵ編碼，補全其他字段的內(nèi)容，利用ＡＴ命令把數(shù)據(jù)發(fā)送給基帶，然后基帶與 短信服務(wù)中心進行交互。當(dāng)獲得短信息時，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進行解碼，獲取信息， 并顯示給用戶。 ２．２．６手機連接互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) ＧＰＲＳ（通用分組無線服務(wù)）技術(shù)是一種分組交換數(shù)據(jù)處理技術(shù)［２６］。使用 ＧＰＲＳ，ＧＳＭ系統(tǒng)能夠提供高效、穩(wěn)定的連接，并且這種連接是端到端的、廣域的 無線ＩＰ連接。ＧＰＲＳ通過分組的方式，讓多個用戶使用同一條信道。當(dāng)用戶需要 傳輸數(shù)據(jù)時，將會在時間片內(nèi)占據(jù)整個信道。那么，用戶就可以利用信道中所有 可用的帶寬，獲得高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。 實現(xiàn)手機上網(wǎng)，比較常用的方法有兩種。第一種是使用ＡＴ命令來接入ＧＰＲＳ 網(wǎng)?；鶐У墓?yīng)商會提供實現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議的ＡＴ命令集，方便開發(fā)人員處理數(shù)據(jù) 流程。相關(guān)的ＡＴ命令的組合，可以實現(xiàn)各種功能，如設(shè)置工作環(huán)境，建立和關(guān) 閉ＴＣＰ連接，建立和關(guān)閉ＵＤＰ連接，設(shè)置工作端口，獲?。桑械刂罚瑐鬏敂?shù)據(jù)， 檢查連接狀態(tài)等等。這種方法把工作過程分為命令模式和數(shù)據(jù)模式。當(dāng)處理上網(wǎng) 業(yè)務(wù)時，要切換到數(shù)據(jù)模式，通話的時候要切換到命令模式。模式的不斷切換， 要注意的情況很多很復(fù)雜，不利于實現(xiàn)應(yīng)用程序與硬件的交互，而且還會影響效 率。 第二種方法是利用基帶提供的多路復(fù)用功能［２７］，虛擬出多個通道。例如命 １４ 蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 令通道和數(shù)據(jù)通道。那么，通話和短信業(yè)務(wù)可以在命令通道中實現(xiàn)，數(shù)據(jù)通道處 理ＧＰＲＳ上網(wǎng)的業(yè)務(wù)。兩者互相獨立，互不影響。上層應(yīng)用不需要知道通道中的 數(shù)據(jù)如何被傳輸?shù)交鶐?，而響?yīng)的消息又是怎樣分發(fā)到合適通道的。上層應(yīng)用只 需要在對應(yīng)的通道中進行讀寫就可以了。然而，在底層實現(xiàn)中，我們要根據(jù)相關(guān) 的協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和分發(fā)。另外，獲得數(shù)據(jù)通道后，系統(tǒng)需要利用ＰＰＰ 協(xié)議［２８］和ＩＰ協(xié)議來連接訪問網(wǎng)絡(luò)。 在實際的應(yīng)用中，我們用到開源的點對點協(xié)議服務(wù)程序ｐｐｐｄ與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 進行ＰＰＰ協(xié)商。協(xié)商成功后，可以獲?。桑械刂?、域名服務(wù)器地址和網(wǎng)關(guān)地址等 信息。 １５ 蘭州人學(xué)碩士學(xué)位論文 第３章Ａｎｄｒｏｉｄ平臺通訊架構(gòu) 通過前面的介紹，讀者應(yīng)該對于手機ＧＳＭ網(wǎng)絡(luò)有了一定的認(rèn)識，了解了相關(guān) 的通訊協(xié)議，以及了解應(yīng)用協(xié)議實現(xiàn)通訊功能的相關(guān)過程與方法。而我們最終的 目的是在Ａｎｄｒｏｉｄ平臺中運用這些通訊協(xié)議，實現(xiàn)通話，短信服務(wù)，ＧＰＲＳ上網(wǎng) 等功能。本章中，我們將會簡單的闡述Ａｎｄｒｏｉｄ系統(tǒng)的架構(gòu)，了解Ａｎｄｒｏｉｄ系統(tǒng) 的一些概念，然后詳細(xì)的介紹Ａｎｄｒｏｉｄ開放的代碼中勾勒出來的通訊架構(gòu)。因為 Ａｎｄｒｏｉｄ中與通信相關(guān)的開放代碼是針對模擬器來實現(xiàn)的，所以直接運用開源的 代碼是不能在硬件平臺上實現(xiàn)通訊功能。另一方面，由于Ａｎｄｒｏｉｄ沒有考慮各種 硬件平臺的接口資源，在實際應(yīng)用中，可能會造成資源沖突。為此，我們將結(jié)合 硬件的特性，對架構(gòu)進行適當(dāng)?shù)男薷模岢鲂碌耐ㄓ嵓軜?gòu)。 ３．１ Ａｎｄｒｏｉｄ架構(gòu)簡述 Ａｎｄｒｏｉｄ架構(gòu)包括應(yīng)用程序，中間件、Ｌｉｎｕｘ內(nèi)核。Ａｎｄｒｏｉｄ架構(gòu)如圖３．１ 所示。應(yīng)用程序的實現(xiàn)是基于Ｊａｖａ語言，但與標(biāo)準(zhǔn)的Ｊａｖａ ＭＥ［２９］語言有不同。 這是因為Ａｎｄｒｏｉｄ有自己專用的Ｊａｖａ虛擬機，而且開發(fā)應(yīng)用程序時必須用到 Ａｎｄｒｏｉｄ系統(tǒng)自帶的Ｊａｖａ類庫。在Ｊａｖａ ＭＥ環(huán)境中生成的字節(jié)碼是不能被Ａｎｄｒｏｉｄ 系統(tǒng)的Ｊａｖａ虛擬機所解析。應(yīng)用程序?qū)影▋蓚€部分，一是應(yīng)用程序包，主要 負(fù)責(zé)與用戶之間的交互，是程序的主體界面；另一個是應(yīng)用程序框架，提供系統(tǒng) 中可用的所有應(yīng)用程序接口。運用這些接口，應(yīng)用程序可以訪問硬件資源。 雖囹 圖３．１Ｐｍｄｍｉｄ架構(gòu) 中間件運行在應(yīng)用程序和內(nèi)核之間，是兩者溝通的橋梁，支持各種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 和接口，滿足各種應(yīng)用的需求。它主要包括各種系統(tǒng)函數(shù)庫、Ａｎｄｒｏｉｄ的Ｊａｖａ １６ 蘭州人學(xué)碩士學(xué)位論文 虛擬機以及硬件抽象層。硬件抽象層與應(yīng)用程序框架以及設(shè)備驅(qū)動相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn) 應(yīng)用程序框架與設(shè)備驅(qū)動之間應(yīng)用程序接口的轉(zhuǎn)換。硬件抽象層以．ＳＯ動態(tài)庫文 件的形式存在。 Ａｎｄｒｏｉｄ的Ｌｉｎｕｘ內(nèi)核掌管著存儲器，進程管理，文件系統(tǒng)管理，系統(tǒng)安全， 網(wǎng)絡(luò)堆棧等資源。然而，Ａｎｄｒｏｉｄ的Ｌｉｎｕｘ內(nèi)核是標(biāo)準(zhǔn)Ｌｉｎｕｘ內(nèi)核的變種。它為 了適應(yīng)商業(yè)應(yīng)用要求，把設(shè)備驅(qū)動從內(nèi)核空間移動到用戶空間，而且重寫了內(nèi)核 中的一些功能。 ３．２ Ａｎｄｒｏｉｄ通訊架構(gòu)分析 ３．２．１架構(gòu)描述 Ａｎｄｒｏｉｄ通訊架構(gòu)是Ａｎｄｒｏｉｄ平臺架構(gòu)的子集，符合系統(tǒng)的設(shè)計思路。 Ａｎｄｒｏｉｄ通訊架構(gòu)如圖３．２所示。 在Ａｎｄｒｏｉｄ的通訊中，主要用到的應(yīng)用程序就是通話、短信息服務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè) 務(wù)（ＧＰＲＳ上網(wǎng)）。通話應(yīng)用程序提供撥號界面，通訊記錄，電話本等。短信息服 務(wù)界面中顯示了手機上存儲的所有短信息，以及提供消息編寫和發(fā)送操作的圖形 界面。 在應(yīng)用程序框架層，由通訊資源管理器（Ｔｅｌｅｐｈｏｎｙ Ｍａｎａｇｅｒ）管理所有的 通訊功能。ＧＳＭ通訊資源管理器是通訊資源管理器的子集，用來管理與ＧＳＭ網(wǎng)絡(luò) 相關(guān)的電話功能。在這一層中，我們還需要應(yīng)用各種通訊協(xié)議的規(guī)范，對數(shù)據(jù)進 行編碼和解碼。以短信息服務(wù)為例，用戶在應(yīng)用主界面中輸入數(shù)據(jù)，發(fā)送短信息。 ＧＳＭ通訊資源管理器獲取數(shù)據(jù)后，把目的地址、用戶數(shù)據(jù)等信息按ＰＤＵ模式構(gòu)造 數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送給下一層。當(dāng)ＧＳＭ通訊資源管理器從下層獲取到消息時，它將 按照協(xié)議對消息進行解包，提取有用的信息，傳輸給應(yīng)用程序，展示給用戶。 另外，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在應(yīng)用程序?qū)邮且詾g覽器作為與用戶交互的界面。當(dāng)用戶設(shè) 定啟動ＧＰＲＳ上網(wǎng)業(yè)務(wù)時，系統(tǒng)就會進行撥號，然后利用點到點協(xié)議服務(wù)程序與 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接，獲?。桑械刂?。最后瀏覽器就可以通過函數(shù)調(diào)用，訪問內(nèi)核， 利用ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點訪問網(wǎng)絡(luò)資源。 在硬件層，基帶提供了一個通訊接口（一般是串口）作為與上層聯(lián)系的通道。 １７ 蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 應(yīng)用程序 通話 短信息服務(wù) 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 』 …．．ｊ口［ 應(yīng)用程序框架 通用通訊管理器 ＧＳＭ網(wǎng)絡(luò)通訊管理器 ‘丫 弋， Ｉｌ Ｓｏｃｋｅｔ 中間件（無線接口 ；） 無線接口監(jiān)控程序（ｄｉｄ） 硬件抽象層ｆｉｌ．ｓｏ ｎ’ Ｌｉｎｕｘ內(nèi)核 １ＣＰ衄 ＰＰＰ 硬件 １｜晰ｔｅ 基帶 圖３．２ Ａｎｄｒｏｉｄ通訊架構(gòu) ｔ Ｒｅａｄ上層應(yīng)用通過調(diào)用Ｌｉｎｕｘ內(nèi)核的系統(tǒng)函數(shù)ｒｅａｄ ０和ｗｒｉｔｅ ０對串口讀寫，完成與 基帶的通訊過程。 然而，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的實現(xiàn)中，Ａｎｄｒｏｉｄ不是采用ＡＴ命令規(guī)范對數(shù)據(jù)進行封 裝，而是采用讀寫基帶的通訊接口的方法。但是，在通話和短信息服務(wù)的實現(xiàn)過 程中，系統(tǒng)已經(jīng)把基帶的通訊接口分配出去了，這樣造成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)啟動時，又需 要請求使用同一個串口，資源發(fā)生沖突。這個問題將在下文給出解決方案。 ３．２．２無線接口層 在Ａｎｄｒｏｉｄ的通信中，中間件部分又稱為無線接口層。它是Ａｎｄｒｏｉｄ通訊架 構(gòu)中的關(guān)鍵。這是因為無線接口層實現(xiàn)了對硬件基帶的抽象，向上提供各種功能 的操作接口。無線接口層中各種功能的實現(xiàn)，實際上就是利用不同的ＡＴ命令的 組合，對基帶進行初始化配置，讓它按照相關(guān)協(xié)議進行工作；另一方面，就是迸 １８ 蘭州人學(xué)碩士學(xué)位論文 行數(shù)據(jù)的傳輸以及應(yīng)用程序接口的轉(zhuǎn)換。 無線接口層這一層是和硬件密切相關(guān)的，不同供應(yīng)商提供的基帶ＡＴ指令的 規(guī)范存在差異，而且附帶一些屬于自有功能的ＡＴ命令集合。為此，Ａｎｄｒｏｉｄ平 臺僅僅針對標(biāo)準(zhǔn)ＡＴ指令規(guī)范，構(gòu)建了一個無線接口層。在實際的開發(fā)中，必須 要根據(jù)硬件平臺重新改寫。Ａｎｄｒｏｉｄ中的無線接口層結(jié)構(gòu)如圖３．３所示。 ＧＳＭ網(wǎng)絡(luò)通訊管理器 ＲＩＬ．ｊａｖａ ／＼ ｓｏｃｋｅｔ 節(jié) ｒｉｌｄ 上觚ｔｉｏｎ ｃａ168。Ｔ 硬件抽象層ｒｉｌ．ＳＯ Ｊ Ｌ ｒｅｓ?。睢? Ｊ Ｉ ｓｏｌｉｃｉｔｅｄ ｆｅｑｕｅｓｔ ．．ｒｅｓｐｎｎＲｅ １ ｒ ｕｎｓｏｌｉｃｉｔｅｄ ．ＪＰＳｐｏｎ毆 串口 基帶 圖３．３無線接口層的結(jié)構(gòu)圖 圖３．３中虛線部分為Ａｎｄｒｏｉｄ的無線接口層，它包括無線接口層監(jiān)控程序 ｒｉｌｄ以及通訊功能的硬件抽象層ｒｉｌ．ＳＯ（以下簡稱ｒｉｌ）。無線接口層監(jiān)控程序 是ＧＳＭ網(wǎng)絡(luò)通訊管理器和ｒｉｌ溝通的橋梁。無線接口層監(jiān)控程序通過Ｓｏｃｋｅｔ［３０］ 通訊方法與ＧＳＭ網(wǎng)絡(luò)通訊管理器進行消息的發(fā)送和接收，巧妙地解決了進程間的 通訊的問題。Ｓｏｃｋｅｔ的服務(wù)器端在無線接口層監(jiān)控程序中構(gòu)建，客戶端在ＧＳＭ 網(wǎng)絡(luò)通訊管理器中的ＲＩＬ．ｊａｖａ文件中建立。當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用ＲＩＬ．ｊａｖａ中提供的 應(yīng)用程序接口時，進程會把數(shù)據(jù)從Ｓｏｃｋｅｔ通道中發(fā)送給ｒｉｌｄ。ｒｉｌｄ根據(jù)傳輸過 來的數(shù)據(jù)，調(diào)用匹配的函數(shù)接口ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃａｌｌ，讓硬件抽象層ｒｉｌ來進行對應(yīng) 的處理。從硬件抽象層返回消息，稱作ｒｅｓｐｏｎｓｅ，即響應(yīng)。ｒｉｌｄ會把返回的數(shù) 據(jù)通過Ｓｏｃｋｅｔ通道傳送給通訊管理器。 在Ａｎｄｒｏｉｄ中，我們把主動向基帶發(fā)送請求的操作稱之為ｒｅｑｕｅｓｔ，例如撥 １９ 蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 號，呼叫轉(zhuǎn)移、發(fā)送短消息等。響應(yīng)ｒｅｑｕｅｓｔ的消息稱為ｓｏｌ ｉｃｉｔｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ， 表示主動請求的響應(yīng)消息。另外，在Ａｎｄｒｏｉｄ中，我們把基帶主動上報的消息稱 為ｕｎｓｏｌｉｃｉｔｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，表示非請求的響應(yīng)。例如來電，接收到短信息，短 信消息報告等等。在這里，主動請求，主動請求的響應(yīng)消息以及非請求的響應(yīng)， 都是ＡＴ命令的集合。在硬件抽象層，數(shù)據(jù)的處理需要按照ＡＴ命令的規(guī)范進行， 做到把數(shù)據(jù)封裝到ＡＴ命令中，再傳輸給與基帶通信的串口。串口回來的數(shù)據(jù)， 需要從ＡＴ指令中解包，最后傳輸給上層。因為ＡＴ指令就是大部分通信協(xié)議的載 體，所以這樣操作才能做到真正應(yīng)用通訊協(xié)議，才能與基帶無縫連接，無縫通信。 通過對Ａｎｄｒｏｉｄ無線接口層代碼的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)Ａｎｄｒｏｉｄ提供了一個 虛擬的ｒｉｌ。它模擬了實際硬件的功能，針對應(yīng)用程序的函數(shù)調(diào)用，進行合適的 操作。在Ａｎｄｒｏｉｄ的模擬器中，用到的就是這種功能。為此，在開發(fā)過程中，要 注意兩者之間的區(qū)別，把虛擬ｒｉｌ去除。 ３．３新的架構(gòu)的設(shè)計 上文提到Ａｎｄｒｏｉｄ在處理通話和ＧＰＲＳ上網(wǎng)時，會產(chǎn)生資源的沖突。解決沖 突的辦法有三個，一是增加一個基帶，二是修改Ａｎｄｒｏｉｄ中關(guān)于ＧＰＲＳ的實現(xiàn)方 法，使用ＡＴ命令規(guī)范進行封裝，三是運用多路復(fù)用協(xié)議，虛擬出多個串口資源。 基帶作為手機設(shè)計方案中必備的關(guān)鍵部件，成本相對其他部件來｝兌，比較高昂。 增加一個基帶，必然會大大提高手機產(chǎn)品的出廠價，造成產(chǎn)品競爭力低下，而且 利潤空間少。這個方法是一定不會使用的。 另外，修改Ａｎｄｒｏｉｄ平臺中關(guān)于ＧＰＲＳ的實現(xiàn)方法，這個途徑雖然可行，但 是工作量很龐大且復(fù)雜。在Ａｎｄｒｏｉｄ平臺上運行的應(yīng)用程序，都可以利用現(xiàn)有的 應(yīng)用程序框架訪問網(wǎng)絡(luò)資源。為此，應(yīng)用程序的用戶必然會特別關(guān)注數(shù)據(jù)的傳輸 效率。我們已經(jīng)知道，使用ＡＴ命令實現(xiàn)ＧＰＲＳ，需要不斷的切換數(shù)據(jù)模式和命令 模式，這樣會造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡托?。有時候，用戶很難接受這種情況。 運用多路復(fù)用協(xié)議，虛擬出多個串口資源提供系統(tǒng)使用，這個方法比較符合 Ａｎｄｒｏｉｄ系統(tǒng)的需要。串口多路復(fù)用方法的實現(xiàn)有兩個關(guān)鍵點，一是串口的虛擬 化的實現(xiàn)；二是多路復(fù)用協(xié)議的實現(xiàn)。這兩個關(guān)鍵點的實現(xiàn)我們將在下一章節(jié)相 關(guān)的部分進行具體分析。 蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 文章中選擇多路復(fù)用技術(shù)來解決資源沖突的問題。在接下來的部分，我將具 體分析串口多路復(fù)用協(xié)議在系統(tǒng)中的應(yīng)用。 ３．３．１串口多路復(fù)用協(xié)議 多路復(fù)用［３１］是指在一條通訊信道中，實現(xiàn)多路信號或者多種數(shù)據(jù)流并行傳 輸?shù)募夹g(shù)。運用多路復(fù)用技術(shù)，多條低速的數(shù)據(jù)流可以合并到同一條高速的通訊 信道中，以此來避免產(chǎn)生高額的器件成本。 在手機平臺中，主要的通信部件是基帶。而基帶僅僅提供了一個串口讓系統(tǒng) 使用。為了使得在一條串行接口中同時存在多個會話，如語音信號、短信息服務(wù)、 ＧＰＲＳ數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等，供應(yīng)商在基帶中實現(xiàn)了串口多路復(fù)用協(xié)議。在開發(fā)中，用戶 需要在一條物理串口接口上實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)鏈路連接，也就是說，在系統(tǒng)中以此串 口為主，虛擬出多個虛擬串口，供上層應(yīng)用讀寫。串口多路復(fù)用模型如圖３．４ 所示。 曰 曰 日 囂眨 目一 日一 曰＝日一燃 日一 日、＼ 、————————————————、－，————————————————／ 多路復(fù)用監(jiān)控程序 圖３．４串口多路復(fù)川模型 １，２，３分別表示３種不同信道中的數(shù)據(jù)流，ｔｔｙＳＯ是與基帶通訊的串口，