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開放源碼手機革命：OpenMoko 技術與概念解析

来源: ChinaUnix博客　日期： 2008.04.28 21:17　(共有条评论) 我要评论

嵌入式系統開發新戰場（一）
開放源碼手機革命：OpenMoko 技術與概念解析
http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A2O
嵌入式系統(embedded system)近來最受囑目的應用，就是智慧型手機的領域。去年由iPhone、Google Android以及OpenMoko所帶起的手機革命，其主要創新在於「新的手機使用概念」以及「開放式的手機平臺」。
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iPhone與Google Android都是大家耳熟能詳的產品與平臺，對OpenMoko還略顯陌生，但這是一個源自臺灣本土的開放手機平臺，本文將針對此平臺的概念，及開放源碼的應用解決方案深入解析。
Google Android平臺於2007年公開後，「開放式手機平臺」以及「開放源碼手機平臺」的概念開始被廣泛的討論。所謂的開放源碼(open source)手機是一個完全採用開放源碼成果或自由軟體(FOSS-free & open source software)的整合平臺，因為使用者介面(UI)是手機的重要項目與賣點，因此這些平臺都包含專屬的 UI framework。
開放手機的概念
繼個人電腦後，下一波將會是手機的競爭，但目前手機平臺還是處於封閉狀態。若有一天手機軟體不再被硬體裝置限制時，硬體裝置的重要性將會逐漸消弱，因為軟體開發者可以儘情在同一個硬體裝置上客製化、或修改軟體，而不需要重新購買新的手機。
1個使用手機的觀念轉變是「為什麼我不能客製化或自由修改我的手機」
每當我們需要特定的新功能時(new feature)，就必須重買1支新的手機，雖然我們可能已經習慣於這樣的手機通則，但從技術面的角度來說，這是多麼令人感到不解的事。假如，能有一個開放的平臺，能讓我們隨心所慾客製化手機軟體，或是能自由地更換佈景主題，這不是一件令人愉快的事情嗎？
這就是未來的手機新生態觀念(open mobile ecosystem)，即以使用者(end-user)為導向，由使用者自行客製化、或為使用者客製化的手機生產方式。
對於開放手機平臺的概念來說，可以從開發者以及使用者的角度來討論。
對開發者(developer)而言，一個完全開放的手機平臺可以提供「自由修改」的自由、樂趣與彈性。這表示，由系統級別(如：bootloader、device driver)到應用程式級別(application)，都可以被自由修改。
開發者(developer)與製造商(vendor / carrier)可以取得完整的手機平臺原始碼與完整的開發套件(SDK)，並自行對手機產品進行客製化、修改與開發，以滿足自身的消費者需求，或提供特殊的資料服務(data service)。
再舉一個例子說明開放手機有趣的地方。試想，如果現在你可以訂作自己的佈景主題(theme)，並且可自由變更桌布、圖示、顏色等，我們就可以將整支手機客製化成自己的風格了。要達到這樣的個人客製化功能，手機軟體系統就必須是自由且開放的。OpenMoko平臺正是一個這樣的手機軟體平臺。
開源手機的生態系統
開源手機生態系統(open mobile ecosystem)由carrier、handset makers(手機製造商)與end-users(終端用戶)構成。OpenMoko平臺扮演著連繫這3方的角色，這也是OpenMoko的核心價值之一。
※UI 工程
UI(user interface)工程是手機設計最重要的環節，這也是為什麼Linux mobile application framework都是重新建立架構，並重新建構應用程序的原因；Linux開源手機並不使用傳統的X應用程式。
※Handset Makers
對手機製造商而言，OpenMoko 提供了經濟實惠的手機軟體。OpenMoko 專案提供高品質的開放源碼軟體，除了可加速上市時程外，也能針對特定的需要做客製化修改。
※Carriers
對電信業者來說，透過OpenMoko社群，可以充分了解使用者的想法與需求。「內容瀏覽導向與資料服務」是 Mobile 2.0 最重要的使用習慣變革，可藉由社群討論，直接取得「新服務」建議。
※End Users
OpenMoko 第一階段是鎖定 Linux 社群裡開發者。由於開發者能自由取得手機軟體原始碼，並加以修改，因此任何「想法」或「創意」都能透過「coding」的方式呈現；以往的手機軟體是封閉式的，開發者無法取得SDK(軟件發展套件)與原始碼。
開放源碼手機產品策略
開放源碼社群(community)是開放源碼手機平臺不能忽視的一環，以 OpenMoko為例，Neo1973的實體產品被分為3個釋出階段，每個由OpenMoko所開發的產品，都依循以下的3階段開發模式來釋出：
※Phase 0: Developers Preview (階段0: 開發者試驗)
OpenMoko會自社群裡挑選出幾位朋友，贈送他們免費的手機。同時，該產品的完整程式碼也會公開，並提供下載。OpenMoko也會與社群的人協同開發，並學習社群上的使用者經驗。在此時，所有的社群網站也會更新該產品的內容。
Phase 1: Official Developer Launch (階段1:正式發佈)
OpenMoko的實體產品將透過openmoko.com進行全球銷售與訂購服務。此階段，OpenMoko會特別針對開放原始碼社群的開發者進行推廣。
Phase 2: Mass Market Sale (階段2:大量上市)
開放手機的真正力量並不只是來自於這些裝置本身，更來自於與使用者的互動與使用者的參與。
第1個實體產品Neo1973
OpenMoko專案所推出的第1支實體手機稱為Neo1973。這是採用 OpenMoko系統的首隻實體手機產品，由臺灣的大眾電腦(FIC)公司製造。

表格：Neo1973硬體規格

圖說：Neo1973
根據 OpenMoko 的開源手機產品策略，Neo1973 是專門針對開發者的試驗機，目的是進行使用者經驗的交流，並與開發者進行互動。
OpenMoko 在今年的 CES 上正式發表下一個新產品「Neo FreeRunner」，這是 Neo1973 的下一代產品，Neo FreeRunner 定位為消費者產品，並將於今年三月分進行量產。Neo FreeRunner 在硬體上做了一些更新：
處理器改用 Samsung S3C2442 with 500MHz
記憶體升級為 128MB
NAND flash 升級為 256MB
加入 802.11b/g WiFi 硬體
二個 3D accelerometer
SMedia Glamo3662 2D/3D 行動繪圖晶片
將會支援 850MHz 頻帶
加入 motion sensor(動作感測器)
根據 OpenMoko 的開源手機產品策略，Neo FreeRunner 將會是針對消費者端的正式產品。
OpenMoko Framework
OpenMoko平臺採用了許多原本就存在的free software，而這正是FOSS開發模式的最大優勢。OpenMoko平臺採用知名的OpenEmbedded專案，OpenEmbedded是一種更先進高階的"build system"。OpenMoko專案最主要是提供「UI Framework」，稱為OpenMoko framework，現階段的 OpenMoko framework 提供以下4個程式庫：
libmokocore核心程序庫，提供OpenMoko應用程序間通訊。
libmokocore透過D-Bus來整合應用程式。
libmokonet通訊程序庫，提供GSM、GPS、Bluetooth等功能。
libmokopim：PIM(Personal Information Management)程序庫，提供個人資料管理功能。
libmokoui：UI(user interface)程序庫，提供 OpenMoko 主要的界面設計，包含：containers、widgets 與 dialogs。

圖說：OpenMoko Framework 架構圖(software stack)(資料來源：wiki.openmoko.org)
libmoko 使用到許多現有的FOSS成果，其中最主要的library包含：

圖說：OpenMoko framework程式庫相依圖(dependencies)。(資料來源：wiki.openmoko.org)
GMAE
創辦於1990s的知名Linux桌面環境計畫GNOME也正式參與嵌入式與行動裝置開發領域。GNOME是相當知名且具影響力的Open Source /Free Software Project，如今GNOME Project正式成立GNOME Mobile & Embedded Initiative後，可預期Embedded Linux / GUI發展與應用將出現重要轉折。
GNOME Mobile & Embedded Initiative(GMAE)所提供的基礎架構自然是基於GNOME原本的桌面技術，目前，已經可以在GMAE網站上看到GNOME Mobile Platform的初步架構圖！從技術面而言，GNOME架構在 Xorg/Glib/D-Bus的優雅環境上，UI toolkit & widgets採用GTK+。
GNOME Mobile Platform 針對手機應用也嚴選出幾套卓越的free soft-ware：

許多open source/free software經過近10年(或超過)發展，終將邁向成熟，陸續看到一些重量級的軟體釋出重要的milestone版本，緊接著embedded Linux hackers也針對embedded system的應用為open source/free software進行客製化與調校，顯見embedded Linux應用正快速擴張，並且開發模式也在快速改變。Customization & Integration & Tuning會是重要的工作(即平臺的觀念)。
GNOME Desktop經過customization/integration/tuning成為GNOME Mobile Platform後，對Linux手機的開發再投下震撼彈。從技術角度來看，許多發展中或是成熟的handhelds與Linux mobile phone軟體(例如：OpenMoko)專案非常多都是基於GTK+，而GMAE的成立也對相關project產生相當大的助力：
- 強化GTK+，為相關的手機專案打下穩定的基礎建設。
- 整合GNOME desktop至手機
- 以GNOME Mobile Platform為分支的商業性質open source/free software project，能更健全地與GNOME desktop或是GMAE developers 協同發展。
- GNOME Mobile Platform基礎架構健全優雅(Xorg/Glib/D-Bus)，讓整合與發展更快速。
開源技術的應用
開源專案以數10萬計，我們以OpenMoko架構圖上所使用到的開源技術，來介紹Linux手機技術使用到哪些開源專案。基於OpenMoko架構圖，說明重要的開源技術如下：
Host端：toolchain、glib、openembedded。
Target端：Linux kernel、Kdrive、GTK+、D-Bus、udev、BlueZ、gsmd。
Toolchain
Linux的開發工具(toolchain)也使用在手機系統的開發上。Linux 的開發工具基礎為GCC及GLIBC。
GCC是GNU Compiler Collection的縮寫，也就是許多編譯器的收集，目前支援的程式語言有：C、C++、Objective-C、Fortran 、Java、Ada。GCC是 Richard Stallman所創立的GNU計畫中最重要的作品之一，GCC提供自由軟體發展的高品質編譯器。早期的GCC是以C、C++、Objective C為主，故稱為GNU C Compiler；GCC一直發展到現在，已收集了各種不同語言的編譯器，因此改名為GNU Compiler Collection。
GLIBC是GNU的C標準程式庫，C程式庫可分為2大類：system call的界面：提供程式函數供應用程式呼叫，以間接呼叫Linux sytem call。常用的函式：例如標準之C函數。
glibc又稱為libc6，目前的glibc，對I18N(國際化)與L10N(本地化)有較佳的支援。除此之外，GLIBC也符合許多標準與規格，讓使用GLIBC的程式可以更容易移植到其它UNIX平臺。這些標準包括：ISO C、POSIX、SVID、XPG、Berkeley Unix、GNU Extension等。
嵌入式圖形系統
對行動裝置來說，最重要的技術便是「嵌入式圖形介面」。目前，針對Linux手機與行動裝置的應用來說，有GTK+、Qt、Enlightenment 3大嵌入式圖形介面解決方案：
GTK+全名為The GIMP Toolkit，這是一套跨平臺的widget(圖形元件)程式庫，用來建立圖形化界面(GUI)。OpenMoko平臺就是採用GTK+做為解決方案，此外，上述所提的GMAE也是採用GTK+。GTK+原本是GNOME桌面系統的核心，但近年來己經成功走入嵌入式系統應用。GTK+採取LGPL授權，是100%的FOSS專案，不受任何商業限制，因此，未來的行動裝置的圖形介面應用上，將會是非常重要的解決方案。
Qt是由Trolltech公司所發展的跨平臺widget程式庫，Qt的授權模式分為GPL與QPL 2種。Qt/Embedded則是專門針對嵌入式系統所發展的特殊版本。
Enlightenment或簡稱為e，是一個知名的windows manager，Enlightenment專案，分為3個部分：DR16、DR17與EFL(Enlightenemtn Foundation Libraries)。Enlightenment目前並沒有實際的Linux手機平臺，但由於Enlightenment己經不再只是一個window manager，還支援「desktop shell」的技術，因此EFL具備高彈性的圖形介面客製能力，近來也受到不少重視。

圖說：Linux / GTK+ 的開放源碼手機解決方案
OpenEmbedded
Root filesystem即是「小型的Linux系統」，root filesystem裡頭存放Linux的系統架構(filesystem hierarchy)、指令、工具、應用程式、shared libraries、驅動程式等。以手工方法建立 root filesystem 耗時又耗力，因此，必須導入「build system」。
傳統的build system大多建立在Makefile與script的體系上，因此有以下的缺點：
(1)無法有效解決套件間的相依(dependency)問題。
(2)對多平臺(architecture)的支援缺乏彈性。
(3)跨平臺編譯時，可能需要修改configure.in設定檔。
(4)有時必須將套件 (package) 的source code一起打包，無法設計成由網路下載。
目前最具代表性的build system是OpenEmbedded，OpenEmbedded展示了先進的"Linux distribution for embedded system"做法。OpenEmbedded採用BitBake來做套件的cross compilation與管理，BitBake使用 .bb files與bbclass來建立root filesystem。
Linux Kernel
Linux是一個作業系統核心的實作，Linux kernel加上其它必要的系統工具 (utilities) 與其它專案程式碼的Linux作業系統則稱為Linux system，一般認為標準的稱呼為GNU/Linux (system)，這是因為Linux system使用的系統工具大多是GNU的程式碼。
目前仍在使用本的kernel版本可分為4大分支：
1. Kernel 2.0.x：已經停止發展的早期版本。
2. Kernel 2.2.x：已經停止發展的早期版本。
3. Kernel 2.4.x：重要的版本分支，目前仍廣為使用中，因此仍然持續有驅動程式與處理器架構相關程式碼的更新。
4. Kernel 2.6.x：重要的Linux kernel里程碑，許多新技術、新觀念、驅動程式支援與作業系統架構都在此版本實作，是目前更新最頻繁的版本分支。
目前(2005年)的最新kernel版本為2.6.x系列，由於kernel的開發者很早就已經轉移重心至2.6系列，因此2.4系列的版本分支也將漸漸停止發展。許多2.4版本裡的重大bug也只在2.6系列版本做修正。
2.4系列的kernel仍普遍使用於嵌入式系統中，但缺點是驅動程式的支援較不足；2.6系列的kernel是目前最流行的分支，這個系列的kernel加入許多新技術的實作，當然也包含對嵌入式系統的支援，並且具備較完整的驅動程式。
Glib
就程式碼內部的組織來說，以往我們經常重新定義一些基本的東西，並透過這些're-defidition'的巨集或函數(亦稱為wrapper function)來撰寫程式。有時，也能透過重新定義的方式，將框架(framework)的實作隱藏起來。這種技巧，大量被應用在許多軟體專案中。
Glib是GTK+計畫下的「副產品」，Glib原本主要是給GTK+與GNOME 使用，不過，現在也有越來越多應用程式開始使用Glib開發軟體。Glib就本質來看，他提供一套重新定義過的data type、event loop框架、thread 框架、及物件(object)系統。
Glib以一種「宏觀」的方式，提供C語言一套高度可攜性、簡單易學且通用的工具庫(toolkit)。由於Glib實在太優異了，除了GTK+與GNOME 本身外，也有非常多的Free/Open Source Software也開始採用Glib開發軟體。
KDrive
KDrive也被叫做TinyX，顧名思義，這是一個小型的X server實作，主要是針對embedded Linux的應用所實作的版本。
有別於xorg-server裡的其他X server，KDrive並不基於以往的XFree86程式碼，而是由Keith Packard所實作的新版本；目前，KDrive已被應用在許多embedded system專案。例如，OpenMoko的framework就是使用 KDrive。
KDrive另外1個特色是，他並不是像典型的X server是在動態時期載入設定，而是在編譯時間就做好參數設定。
Xorg-server從7.1開始，已經將KDrive整合進來，只要下載xorg-server 7.1或更新版本的原始碼，裡頭就包含KDrive。KDrive在embedded Linux的應用中，底層部分大多是透過native framebuffer(fbdev、/dev/fb)來做圖形的顯示。
D-Bus
使用D-Bus取代傳統的IPC，並與外部工具做整合。D-BUS本身屬於low-level的library(libdbus)，實務上，採取glib binding(dbus-glib)來實作程式，簡化工作。
D-BUS是一種'message bus'，未來將取代傳統IPC的使用。傳統IPC實作，必須將程式架構成monolithic process，因此在process的行為控制，以及application間整合上，都很一定的難度，非常不易於實作「系統」。
引進D-BUS技術後，傳統的monolithic process被區分為「pieces of D-BUS services」，每個服務，都可以透過「D-BUS patch」來尋找並叫用(invoke)；透過D-BUS所建立的框架(framework)或是架構，解決了以往難以整合各種應用程式的困境。此外，D-BUS目前也透過kobject與kernel做整合，如此一來，D-BUS便能輕易整合kernel、application與 desk-top，真正解決以往「系統整合」所遇到的障礙。
udev
/dev目錄下擺放所謂的裝置檔(device file)，在Linux系統底下，硬體都是檔案的觀念，硬體裝置或是子裝置都被表示成一個檔案。早期我們必須手動在/dev目錄下建立所有的裝置檔，kernel 2.6透過一個工具叫udev來「動態」產生所需的裝置檔。
BlueZ
BlueZ是Linux kernel的Bluetooth protocol stack實作。
gsmd
Linux手機是Embedded Linux的重要應用項目之1，要能具備「手機」的功能，最基本的規格之一當然就是要支援GSM(Global System for Mobile Communications)標準，也就是我們稱之為2G的行動電話標準。
GSM系統使用一種稱之為GSM modem的裝置(也就是我們耳熟能詳的「數據機」)來做電話的「外撥(dial out)」與「接聽(answer)」功能。因此，Linux手機要能打電話與接聽電話，必須將target device外接 GSM modem，並透過GSM modem的指令集(AT command)來對GSM modem下撥號或接聽指令。
GSM modem與target device是以UART(RS-232)介面連接，因此需要一個與GSM modem溝通的RS-232通訊程式。在此次OpenMoko釋出的原始碼裡頭，就包含一個GSM modem的通訊管理程式，稱為gsmd(GSM daemon)；此外，gsmd也包含libgsmd的API程式庫供開發者使用。
OpenMoko 程式開發
OpenMoko將手機應用程式以 UI 為導向，並依程式的控制方式，將 application區分為以下Finger 、Stylus、Panel 3大類application。
Finger application是以手指觸控為導向的應用程式，比如撥號界面。Stylus application是以筆尖觸控為主的應用程式，例如最典型的Stylus application為手寫辨試界面。Panel application則是「嵌」在狀況欄與程式列的應用程式，例如電池計量圖示。
過往的X環境(lagecy X)並不適合mobile device直接使用，特別是對mobile phone而言。由於UI & user experiments是手機的重頭戲與特色賣點(unique selling point)，所以唯有重新打造自己的UI & application framework，並重寫介面，才能展現一台手機的概念與特色。這就是為什麼許多Linux mobile phone的framework並不是直接採取porting & integrating現有的xorg-server的原因。
採用Linux做為手機作業系統的另外一個好處是，system-level有非常多的FOSS專案與工具，並且與UI的整合容易。OpenMoko的core也將D-Bus做「封裝」，讓這一段的程式設計變得更輕鬆。
OpenMoko的撥號界面：

圖說：OpenMoko的撥號界面。
1) Application Title
2) Icon / Photo
3) Phone Number
4) Autocompleted Tail
5) Keypad
6) Possible Autocompletions
7) Delete
8) History
9) Dial
OpenMoko的Feed Reader：

圖說：OpenMoko的Feed Reader。
1) Application Menu
2) Filter_Menu
3) Navigation Area
4) Toolbar
5) Details Area
Qemu
QEMU是一個可以模擬x86、x86_64、ARM、、SPARC、SPARC64、PowerPC、PowerPC64、MIPS、m68k 與 SH-4 處理器的 open source 軟體。簡單說，QEMU就是一套虛擬機器(virtual machine)的軟體。
QEMU提供Full system emulation、User mode emulation 2種模擬模式。Full system emulation模擬完整的系統，即處理器與週邊；user mode emulation則是能在不同的處理器平臺上，執行其它處理器平臺程式。
OpenMoko framework提供「適用於觸控螢幕的智慧型手機圖形介面應用程式框架」，這是一個application framework，能讓我們比較簡單撰寫手機應用軟體。
實務上，適用的模擬環境會簡化手機軟體開發流程。OpenMoko提供了Neo1973 的「裝置模擬器」，能模擬整個Neo1973的硬體週邊，因此，程式開發時期，也能透過摸擬器驗測手機軟體功能，以及測試圖形介面顯示與操作。
OpenMoko 現階段的方向
OpenMoko在2008 CES上正式發佈下1代新產品「Neo FreeRunner」，這是延續第一代產品「Neo 1973」的新版本，並且參考了大量社群開發者的意見回饋所做的改進版本。Neo FreeRunner會是開源手機概念的另外一個實作，該手機並不預載任何的應用軟體，出廠時只預載一個安裝器(installer)，當使用者拿到手機後，可以透過安裝器的選單安裝「自己想要、也會用到」的應用程式。

圖說：Neo FreeRunner
這是首次使用者可以為自己的手機「客製化所需的應用程式」，也是Mobile 2.0概念「使用者參與」與「高度客製化」的新里程碑。
教學研究用途
OpenMoko平臺因為開放源碼的特性，讓OpenMoko平臺也很適合使用在教學與研究用途。OpenMoko將GSM的實作也開放源碼，讓學生可以客製化與進行應用；同時，Neo FreeRunner也將延續Neo1973完整開放源碼的做法，讓開發者也能取得完整程式碼。配合Neo FreeRunner的Wi-Fi、Bluetooth、GSM、GPS、motion sensor與學生天馬行空的創意，將可以產生許多的應用。
此外，OpenMoko的下一步則是達成「界面與佈景主題」的客製化能力，因此，設計家(designer)也將會在未來的開放手機產業裡，扮演非常重要的角色。
(本文為Jollen’s Consulting, Inc.技術顧問撰寫http://www.jollen.org/consulting)
360度技術
OpenMoko 專案介紹
OpenMoko 首次現身是在2006年11月8日。Sean Moss-Pultz 在 Amsterdam舉行的「Open Source in Mobile」研討會上發表了一篇演說，內容是有關於「OpenMoko」這個Linux smart phone專用的application framework與即將推出的Neo1973 Linux智慧型手機。此演講提出一個讓人充滿無限想像空間的「Mobile 2.0」概念，即開放手機才能真正符合使用者的期望。
OpenMoko提供完整社群平臺，讓開發者都可以在OpenMoko社群交流，或參與OpenMoko專案。以下是 OpenMoko 的社群網站：
www.openmoko.org：主要網站
wiki.openmoko.org：OpenMoko的Wiki平臺
bugzilla.openmoko.org：OpenMoko問題與錯誤回報平臺
planet.openmoko.org：OpenMoko的Blog聚合(aggregation)平臺
projects.openmoko.org：OpenMoko提供給社群的計畫管理平臺
lists.openmoko.org：OpenMoko的mailing-list
OpenMoko 是全世界第1個100%開放源碼(open source)的Linux手機軟體平臺。原本是於FIC(大眾電腦)內部的一項計畫，目前己經獨立成為一家新公司。OpenMoko於2007年2月正式對Linux社群公布原始碼。OpenMoko新公司(我本墨客股份有限公司)也於2007年10月23日正式成立，這個全球知名的開放源碼Linux手機專案的研發總部，就在台北的內湖科學園區。
[url=http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A2O&zNotesDocId=0000079330_A6DLC72YMV4VE60LGYTA4]

本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u1/49742/showart_629844.html

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