移动终端操作系统架构概览解剖.docx

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移动终端操作系统架构概览解剖

现有的终端操作系统：

Android、WindowsMobile、Symbian、iPhone、BlackBerry、WindowsPhone7、Beda

Android操作系统

Android是Google公司基于Linux平台的开源智能移动终端操作系统。

历代Android系统的名称，这真的是一份小吃的盛宴啊：

Android1.5Cupcake（纸杯蛋糕）

Android1.6Donut（甜甜圈）

Android2.0/2.0.1/2.1Eclair（松饼）

Android2.2/2.2.1Froyo（冻酸奶）

Android2.3Gingerbread（姜饼）

Android3.0/3.1/3.2Honeycomb（蜂巢）

Android4.0IceCreamSandwich（冰激凌三明治）

Android5.0JellyBean（果冻豆）

Android6.0KeyLimePie（柠檬派）

Android是一个针对移动设备的程序集,其中包括一个操作系统,一个中间件和一些关键性应用.

特性

•程序程序框架可重用及可复写组件组成

•针对移动设备优化过的Dalvik虚拟机

•整合浏览器,该浏览器基于开源的WebKit引擎开发

•提供了优化过得图形系统,该系统由一个自定义的2D图形库;一个遵循OpenGLES1.0标准（硬件加速）的3D图形库组成

•使用SQLite来实现结构化数据的存储

•媒体方面对一些通用的audio,video,和图片格式提供支持（MPEG4,H.264,MP3,AAC,AMR,JPG,PNG,GIF）

•GSM技术（依赖硬件）

•蓝牙,EDGE,3G和WiFi（依赖硬件）

•Camera,GPS,指南针,和加速计（依赖硬件）

•非常丰富的开发环境,包括一个设备模拟器,调适工具,内存和效率调优工具和一个Eclipse的插件ADT

Android平台的整体架构分为4层：

①Linux内核层、②系统运行库、③应用程序框架层、④应用程序层

Android采用层次化系统架构。

其软件层次结构包括操作系统（OS）、中间件（MiddleWare）和应用程序（Application）。

Linux内核层

Android以Linux操作系统内核为基础，借助Linux内核服务实现硬件设备驱动，进程和内存管理，网络协议栈，电源管理，无线通信等核心功能。

Android4.0版本之前基于Linux2.6系列内核，4.0及之后的版本使用更新的Linux3.X内核，并且两个开源项目开始有了互通。

Linux3.3内核中正式包括一些Android代码，可以直接引导进入Android。

Linux3.4将会增添电源管理等更多功能，以增加与Android的硬件兼容性，使Android在更多设备上得到支持。

Android内核对Linux内核进行了增强，增加了一些面向移动计算的特有功能。

例如，低内存管理器LMK（LowMemoryKeller），匿名共享内存（Ashmem）,以及轻量级的进程间通信Binder机制等。

这些内核的增强使Android在继承Linux内核安全机制的同时，进一步提升了内存管理，进程间通信等方面的安全性。

下表列举了Android内核的主要驱动模块：

驱动名称

说明

Android电源管理（PowerManagement）

针对嵌入式设备的，基于标准Linux电源管理系统的，轻量级的电源管理驱动

低内存管理器（LowMemoryKeller）

可以根据需要杀死进程来释放需要的内存。

扩展了Linux的OOM机制，形成独特的LMK机制

匿名共享内存（Ashmem）

为进程之间提供共享内存资源，同时为内核提供回收和管理内存的机制

日志（AndroidLogger）

一个轻量级的日志设备

定时器（AnroidAlarm）

提供了一个定时器用于把设备从睡眠状态唤醒

物理内存映射管理（Android PMEM）

DSP及其他设备只能工作在连续的物理内存上，PMEM用于向用户空间提供连续的物理内存区域映射

Android定时设备（AndroidTimeddevice）

可以执行对设备的定时控制功能

Yaffs2文件系统

Android采用大容量的NAND闪存作为存储设备，使用Yaffs2作为文件系统管理大容量MTDNANDFlash；Yaffs2占用内存小，垃圾回收简洁迅速。

AndroidParanoid网络

对Linux内核的网络代码进行了改动，增加了网络认证机制。

可在IPV4，IPV6和蓝牙中设置，由ANDROID_PARANOID_NETWORK宏来启用此特性。

硬件抽象层

内核驱动和用户软件之间还存在所谓的硬件抽象层（HardwareAbstractLayer,HAL），它是对硬件设备的具体实现加以抽象。

HAL没有在Android官方系统架构图中标明，下图标出了硬件抽象层在android系统中的位置：

鉴于许多硬件设备厂商不希望公开其设备驱动的源代码，如果能将android的应用框架层与linux系统内核的设备驱动隔离，使应用程序框架的开发尽量独立于具体的驱动程序，则android将减少对Linux内核的依赖。

HAL由此而生，它是对Linux内核驱动程序进行的封装，将硬件抽象化，屏蔽掉了底层的实现细节。

HAL规定了一套应用层对硬件层读写和配置的统一接口，本质上就是将硬件的驱动分为用户空间和内核空间两个层面；Linux内核驱动程序运行于内核空间，硬件抽象层运行于用户空间。

系统运行库层

官方的系统架构图中，位于Linux内核层之上的系统运行库层是应用程序框架的支撑，为Android系统中的各个组件提供服务。

系统运行库层由系统类库和Android运行时构成。

1.系统类库

系统类库大部分由C/C++编写，所提供的功能通过Android应用程序框架为开发者所使用。

主要的系统类库及说明如下表：

系统类库名称

说明

SurfaceManager

执行多个应用程序时，管理子系统的显示，另外也对2D和3D图形提供支持

MediaFramework      

基于PacketVideoOpenCore的多媒体库，支持多种常用的音频和视频格式的录制和回放，所支持的编码格式包括MPEG4，MP3，H264，AAC，ARM

SQLite                              

本地小型关系数据库，Android提供了一些新的SQLite数据库API，以替代传统的耗费资源的JDBCAPI

OpenGL|ES                     

基于OpenGLES1.0API标准实现的3D跨平台图形库

FreeType

用于显示位图和矢量字体

WebKit

Web浏览器的软件引擎

SGL

底层的2D图形引擎

Libc（bionicl ibc）         

继承自BSD的C函数库bioniclibc，更适合基于嵌入式Linux的移动设备

SSL                     

安全套接层，是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议

除上表列举的主要系统类库之外，AndroidNDK（NativeDevelopmentKit），即Android原生库，也十分重要。

NDK为开发者提供了直接使用Android系统资源，并采用C或C++语言编写程序的接口。

因此，第三方应用程序可以不依赖于Dalvik虚拟机进行开发。

实际上，NDK提供了一系列从C或C++生成原生代码所需要的工具，为开发者快速开发C或C++的动态库提供方便，并能自动将生成的动态库和java应用程序一起打包成应用程序包文件，即.apk文件。

注意，使用原生库无法访问应用框架层API，兼容性可能无法保障。

而且从安全性角度考虑，Android原生库用非类型安全的程序语言C,C++编写，更容易产生安全漏洞，原生库的缺陷（bug）也可能更容易直接影响应用程序的安全性。

2.运行时

Android运行时包含核心库和Dalvik虚拟机两部分。

核心库：

核心库提供了Java5seAPI的多数功能，并提供Android的核心API，如android.os，，android.media等。

Dalvik虚拟机：

Dalvik虚拟机是基于apache的java虚拟机，并被改进以适应低内存，低处理器速度的移动设备环境。

Dalvik虚拟机依赖于Linux内核，实现进程隔离与线程调试管理，安全和异常管理，垃圾回收等重要功能。

本质而言，Dalvik虚拟机并非传统意义上的java虚拟机（JVM）。

Dalvik虚拟机不仅不按照Java虚拟机的规范来实现，而且两者不兼容。

Dalvik和标准Java虚拟机有以下主要区别：

∙Dalvik基于寄存器，而JVM基于栈。

一般认为，基于寄存器的实现虽然更多依赖于具体的CPU结构，硬件通用性稍差，但其使用等长指令，在效率速度上较传统JVM更有优势。

∙Dalvik经过优化，允许在有限的内存中同时高效地运行多个虚拟机的实例，并且每一个Dalvik应用作为一个独立的Linux进程执行，都拥有一个独立的Dalvik虚拟机实例。

Android这种基于Linux的进程“沙箱”机制，是整个安全设计的基础之一。

∙Dalvik虚拟机从DEX（Dalvik Executable）格式的文件中读取指令与数据，进行解释运行。

DEX文件由传统的，编译产生的CLASS文件，经dx工具软件处理后生成。

∙Dalvik的DEX文件还可以进一步优化，提高运行性能。

通常，OEM的应用程序可以在系统编译后，直接生成优化文件（.ODEX）；第三方的应用程序则可在运行时在缓存中优化与保存，优化后的格式为DEY（.dey文件）。

应用程序框架层

应用程序框架层提供开发Android应用程序所需的一系列类库，使开发人员可以进行快速的应用程序开发，方便重用组件，也可以通过继承实现个性化的扩展。

具体包括的模块如表：

应用程序框架层类库名称                                                      

功能

活动管理器（ActivityMananger）

管理各个应用程序生命周期并提供常用的导航回退功能，为所有程序的窗口提供交互的接口

窗口管理器（WindowManager）

对所有开启的窗口程序进行管理

内容提供器（ContentProvider）

提供一个应用程序访问另一个应用程序数据的功能，或者实现应用程序之间的数据共享

视图系统（ViewSystem）

创建应用程序的基本组件，包括列表（lists），网格（grids），文本框（textboxes），按钮（buttons），还有可嵌入的web浏览器。

通知管理器（NotificationManager）

使应用程序可以在状态栏中显示自定义的客户提示信息

包管理器（PackageManager）

对应用程序进行管理，提供的功能诸如安装应用程序，卸载应用程序，查询相关权限信息等。

资源管理器（ResourceManager）

提供各种非代码资源供应用程序使用，如本地化字符串，图片，音频等

位置管理器（LocationManager）

提供位置服务

电话管理器（TelephonyManager）

管理所有的移动设备功能

XMPP服务

是Google在线即时交流软件中一个通用的进程，提供后台推送服务

应用层

Android平台的应用层上包括各类与用户直接交互的应用程序，或由java语言编写的运行于后台的服务程序。

例如，智能手机上实现的常见基本功能程序，诸如SMS短信，电话拨号，图片浏览器，日历，游戏，地图，web浏览器等程序，以及开发人员开发的其他应用程序。

Android系统的安全机制

默认情况下第三方应用没有权限进行有害操作，主要体现在对系统上的文件进行操作时，不同应用具有不同操作等级。

①进程保护。

程序只能在自己的进程空间，与其它进程完全隔离，从而实现进程之间互不干扰；

②权限模型。

Android要求用户在使用API是进行权限声明。

权限声明在AndroidManifest.xml文件里进行设置，主要有四种模式：

①Context.MODE_PRIVATE仅能被创建的应用访问；

②Context.MODE_APPEN检测存在的文件，就在文件后面追加内容

③Context.MODE_READABLE当前文件可以被其它应用读取

④Context.MODE_WRITEABLE当前文件可以被其它应用写入

四种权限模式在声明时可以叠加。

权限声明通过ProtectedLevel分为4个等级：

①Normal只要申请就可以使用；

②Dangerous取得用户的确认才可以使用；最常用的等级。

③Signature让应用程序不弹出确认提示；

④Signatureorsystem开发应用时，获得平台签名。

Android项目的目录结构

1、源程序目录src-用于放置源程序

2、自动生成目录gen-自动生成不允许用户自行修改的R.java文件，用于引用资源文件（即res目录下的数据）

3、资源目录res

res：

放置应用程序用到的资源文件。

其包含（Drawable，layout，values等目录）。

当这个目录下的文件发生变化时，src目录下面的R。

java就会自动发生变化。

res/drawable:

放置应用到的图片资源。

res/layout:

放置一些与UI相应的布局文件，都是xml文件。

res/values：

放置字符串，颜色，数组等常量数据。

=========================================

*res中的资源，会在生成的R类中，生成索引id

*getResources（）方法，获得Resources对象，来访问res中的资源

Res根据不同的资源内容预定义了相应的子目录，这些目录的名字不能任意定义。

Res目录只支持一级子目录，不支持多级子目录

res/layout:

用于放置布局用的xml文件，这些xml用于定义一个界面的布局

res/layout/main.xml

res/drawable:

其中存放图片。

res/drawable目录下放置一个名为icon.png的图片文件

drawable在2.0版本以后出现了若干个

drawable目录

根据屏幕硬件尺寸不同，选取使用不同

drawable下的图片资源

res/values:

存放的是各种类型的数据。

是用xml文件保存。

res/values/strings.xml

用于:

1:

最大程度的重用资源

2:

便于国际化处理

*将文本、数组、颜色、样式外化

*国际化I18n-Internationalization

本地化L10n-Localization

*values

values-en-rUS

values-en-eUK

values-zh-rCN

values-zh-rTW

values-kr

values-rJP

*布局文件.xml

@string/hello_world

*Activity

getResources（）.getString（"hello_world"）;

res/xml:

存放我们程序中需要使用的xml文件

*xml文件会被编译（压缩）

*创建XmlPullParser

getResources（）.getXml（索引id）引用资源

res/raw:

存放原始文件，原始的，未编译（未压缩）的文件

通常:

视频文件，音频文件

*不能创建子目录

*获得raw中文件的输入流：

in=getResources（）.openRawResource（R.raw.xxx）;

*资源的国际化

raw

raw-en-rUK

raw-en-rUS

raw-zh-rHK

raw-zh-rCN

raw-zh-rTW

res/anim:

android支持的动画文件（用xml定义）

在res目录下的资源文件名:

①:

必须符合java标识符命名规则

②:

字母不能含有大写

android应用程序的入口文件AndroidManifest.xml-Android程序的清单文件，相当于配置文件，配置应用程序名称、图标、Activity、Service、Receiver等

AndroidManifest.xml将包含如下设置：

applicationpermissions、Activities、intentfilters等

4、支持库目录libs:

当前工程所依赖的jar包.

5、媒体文件目录assets:

放置一些程序所需要的媒体文件.

6、编译目录bin:

工程的编译目录.存放一些编译时产生的临时文件和当前工程的.apk文件.

文件proguard-project.txt:

加密当前程序所使用

R类

android虽然没有明确说明，但是values目录下的资源不是根据文件名在R中对应的。

而是根据values中xml的内容决定。

android使用R类对访问资源提供了统一的方式。

使用R类中的不同常量，来获取对应的相关资源。

R类中的常量我们通常叫它为资源的ID。

通过R类在程序中获取资源的方式:

Resource类

该实例用于管理当前应用程序中的所有资源。

获取该实例的方式为:

Context.getResource（）方法

Resource中提供了获取不同资源的方法

getColor（intresId）

getString（intresId）

getDrawable（intresId）

getStringArray（intresId）获取字符串数组

android.jar文件，这是一个Java归档文件，其中包含构建应用程序所需的所有的AndroidSDK库（如Views、Controls）和APIs。

通过android.jar将自己的应用程序绑定到AndroidSDK和AndroidEmulator，这允许你使用所有Android的库和包，且使你的应用程序在适当的环境中调试。

WindowsPhone7操作系统

WindowsPhone7是一个32位操作系统，内核基于WindowsCE6.0R3。

双层架构，由内核层和用户层组成。

应用进程被分配2GB内存，其中虚拟内存可达1GB，内核也被分配2GB。

WindowsPhone由硬件层、内核层、系统层和应用层组成。

WindowsPhone是基于.NETCompactFramework框架的托管环境CLR。

其中包含了两种开发框架：

∙SilverlightFramework：

以SilverlightFramework为基础的WindowsPhone7应用程序是由一堆的Page组成的，每一个Page是一个扩展名为.XAML的文件，代表一个操作画面。

WP7.0是基于Silverlight3.0，WP7.1则是基于Silverlight4。

∙XNAFramework：

主要的用途在支持开发游戏程序，提供2D/3D的动画，音效，及各种游戏相关的功能，协助有志于开发游戏程序的企业或个人发展WindowsPhone、Xbox360、Zune播放器、以及Windows7平台的游戏程序。

对于大多应用程序我们可以选择Silverlight进行开发，而对于游戏可以选择XNA。

WindowsPhone7软件结构体系有两部分组成，即Screen部分和Cloud部分。

Screen部分由“ToolandSupport”和Runtimes组成，Cloud由“DeveloperPortalServices”和“CloudService”组成。

Screen部分可以理解为本地，Cloud部分可以理解为云端。

“ToolandSupport”是开发应用所必须的开发工具和技术支持；

Runtimes则是开发应用的框架，提供所需要的的API和功能。

WindowsPhone系统具有封闭性，应用程序模型只支持第三方应用程序在前台运行，不支持后台应用。

WindowsPhone第三方应用开发的限制：

①很难实现流量监控、短信拦截、病毒实时监控等功能；

②不能开发涉及手机摄像头的应用程序；

③不能对应用程序界面进行个性化定制；

④设计系统类的应用必须使用系统提供的界面运行；

⑤开发者必须通过Zune同步功能将开发好的应用程序发送到手机上。

⑥没有提供SMS、Phone、Email、Camera的API，打电话、发送短信都需要用户确认才能执行。

特色功能，开发者可以通过Task调用系统任务来实现。

XAP程序包的启动过程：

宿主程序通过AppMainfest.xaml来获取程序的入口点（EntryPointType）入口程序集（EntryPointAssembly）Silverlight运行版本（RuntimeVersion），然后初始化调用Application.LoadComponent方法来生成App对象的实例，接下来初始化手机，定义一个Frame，，通过WMAppMaingest.xml文件获取启动时的Page（NavigationPage）页面设置到Frame，然后设置到RootVisual来显示此Page。

WindowsPhone7安全模型

①给予最小权限和隔离，同时引入Chamber概念；Chamber可理解为独立模块，分为四层：

TCB（TrustComputingBase）层处于内核模式，涉及内核和内核设备驱动，权限较大；

ERC（elevatedrightschamber）层主要是服务程序以及用户模式驱动；

SRC（standardrightschamber）层位于装的微软应用而设计的层；

LPC（leastprivilengedchamber）层专为第三方应用程序预装的应用商店下载的应用而设计的，权限最小。

②强制代码签名和代码检测

用户只能通过应用程序商店下载应用，拒绝盗版，保护开发者版权；

应用要想发布，必须经过微软的代码签名，并与之前的版本有较大差异；

设计和检测代码的工具：

MicrosoftSDLThreatModelingTool、FxCop、BinScope。

开发人员可以将应用.Xap文件发布到WindowsPhone市场，向开发商提交.xap文件。

.xap文件是一个压缩文件，其中包含应用程序所需的所有信息，这包括应用程序图标、开始磁贴，元数据，并许可条款的决定如何使用它们的程序。

应用发布到WindowsPhone市场后，开发人员使用应用集线器来管理应用程序的版本报价。

WindowsPhone7具备进程隔离、应用数据隔离等功能，并支持SSL和HTTPS等加密传输协议。