Aplikacje na urzdzenia mobilne typu smartphone

Transkrypt

1 Uniwersytet Warszawski Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki Marcin Przekop Nr albumu: Aplikacje na urzdzenia mobilne typu smartphone Praca magisterska na kierunku INFORMATYKA Praca wykonana pod kierunkiem dr Janiny Mincer-Daszkiewicz Instytut Informatyki Wrzesie 2007

2 Owiadczenie kierujcego prac Potwierdzam, e niniejsza praca została przygotowana pod moim kierunkiem i kwalifikuje si do przedstawienia jej w postpowaniu o nadanie tytułu zawodowego. Data Podpis kierujcego praca Owiadczenie autora pracy wiadom odpowiedzialnoci prawnej owiadczam, e niniejsza praca dyplomowa została napisana przeze mnie samodzielnie i nie zawiera treci uzyskanych w sposób niezgodny z obowizujcymi przepisami. Owiadczam równie, e przedstawiona praca nie była wczeniej przedmiotem procedur zwizanych z uzyskaniem tytułu zawodowego w wyszej uczelni. Owiadczam ponadto, ze niniejsza wersja pracy jest identyczna z załczon wersj elektroniczn. Data Podpis autora pracy

3 Streszczenie W pracy przedstawiono projekt i implementacj aplikacji do zarzdzania listami zakupów napisan do wykorzystania na urzdzeniach mobilnych typu smartphone. Rozwizanie obejmuje komunikacj klient-serwer pomidzy telefonem, a serwisem internetowym za pomoc technologii usług sieciowych. Bezporednia komunikacja pomidzy telefonami odbywa si na zasadach P2P z wykorzystaniem krótkich wiadomoci tekstowych (SMS). W pracy omówiono równie budow standardowego smartphona oraz dostpne mobilne systemy operacyjne. Słowa kluczowe urzdzenie mobilne, smartphone, SMS,.NET Compact Framework, Wi-fi, Windows Mobile 5.0, technologie mobilne, aplikacje mobilne, usługi sieciowe 11.3 Informatyka Dziedzina pracy (kody wg programu Socrates-Erasmus) H. Information Systems H.4 Information Systems Applications H.4.3 Communications Applications Klasyfikacja tematyczna Mobile Applications for smartphone Tytuł pracy w jzyku angielskim

4

5 Spis treci Wprowadzenie Urzdzenia mobilne Pojcia Technologie mobilne Komunikacja bezprzewodowa Smartphone i tradycyjne telefony komórkowe Sprzt Procesor Pami Urzdzenia wejcia/wyjcia Wywietlacz Systemy operacyjne Symbian OS Palm OS Windows Mobile Embedded Linux Java 2 Mobile Eddition (J2ME) Aplikacje i usługi Aplikacje pierwszej generacji Aplikacje drugiej generacji Wizja systemu i wymagania Wizja Wymagania funkcjonalne Wymagania niefunkcjonalne Projekt systemu Ogólna architektura systemu Aplikacja mobilna Demon SMS Serwer Produktów Serwis Uaktualnie Aplikacja konfiguracyjna Implementacja Aplikacja mobilna Wykorzystane technologie Podział na biblioteki Zbiór danych Demon SMS Interfejs Uytkownika Kontrolki Formatki Serwer produktów i serwis uaktualnie Wykorzystane technologie Baza danych Usługi sieciowe

6 5. Przypadki uycia Listy zakupów Tworzenie nowej listy Zmiana nazwy listy Usuwanie listy Wysyłanie listy za porednictwem SMS Wysyłanie zapytania o list zakupów do innych uytkowników Scalanie dwóch list Zmiana wywietlania list zakupów Ustawienie listy jako domylnej Praca z list zakupów Dodawanie nowego produktu do listy Dodawanie produktów z bazy artykułów do listy Edytowanie produktu Usuwanie produktu Zmiana prezentacji listy zakupów Zapisywanie produktu w bazie artykułów Zaznaczanie zakupionych produktów Odfiltrowanie zakupionych produktów Sortowanie Baza artykułów Podstawowe operacje na artykułach w bazie Pobieranie produktów do bazy ze sklepu internetowego Dynamiczne wyszukiwanie Współpraca z serwerem produktów Wybór sklepu internetowego Rejestracja Zamawianie produktów z listy zakupów Testy i koszty korzystania z aplikacji Testy wydajnociowe Koszty Podsumowanie Dodatek A. Zawarto płyty CD Dodatek B. Pliki XML Schema Definition Bibliografia

7 Wprowadzenie Upowszechnienie si komputerów osobisty klasy PC otworzyło przed ludmi moliwoci dostpne wczeniej tylko dla duych korporacji i instytucji rzdowych. Pojawiły si nowe typy aplikacje do zastosowa domowych. Wszystkie te programy były jednak przeznaczone na stacjonarny komputer i wykorzystywały zasoby tylko jednej maszyny. Pojawienie si Internetu wymagało całkowitej zmiany podejcia do tworzenia aplikacji. Komputer przestał by odizolowan jednostk i stał si elementem sieci. Od razu pojawiły si aplikacje wykorzystujce nowe moliwoci przesyłania i współdzielenia informacji za porednictwem sieci komputerowych. Obecnie obserwujemy pokonanie drugiego ograniczenia nałoonego na komputery stacjonarne. Urzdzenia komputerowe nie s ju na stałe przypisane do konkretnej lokalizacji. Dziki ogromnemu postpowi w sferze bezprzewodowej transmisji danych, miniaturyzacji procesorów i noników pamici oraz rozwojowi sieci komputerowych ludzie ju niedługo bd mie dostp do potrzebnych im informacji w dowolnym momencie, w dowolnym miejscu i z dowolnego urzdzenia [2]. Telefony komórkowe, a szczególnie smartphony, odegraj du rol w realizacji tego załoenia. Urzdzenia mobilne to nie tylko miniaturowe wersje stacjonarnych komputerów i ich wykorzystanie nie powinno ogranicza si do sprawdzenia grafiku, poczty elektronicznej, czy wiadomoci podczas przemieszczania si. Moliwo nieograniczonego dostpu do informacji w dowolnym miejscu umoliwia budowanie systemów informacyjnych spersonalizowanych nie tylko dla konkretnego uytkownika, ale równie dla konkretnego miejsca. Wymaga to od projektantów aplikacji zasadniczej zmiany dotychczasowych przyzwyczaje. W niniejszej pracy zaprezentowano aplikacj przeznaczon do uruchomiania na telefonie komórkowym nowej generacji smartphonie. Głównym zadaniem aplikacji jest zarzdzanie i przechowywanie list z zakupami. Program realizujcy t funkcjonalno nie miałaby racji bytu na komputerze stacjonarnym, z którego ciko byłoby korzysta podczas pobytu w sklepie. Znakomicie sprawdza si natomiast na telefonie komórkowym, który z załoenia zawsze mamy przy sobie. Rozdział pierwszy zawiera omówienie podstawowych poj zwizanych z technologiami mobilnymi. Ukazano rónic pomidzy tradycyjnym telefonem komórkowym a smartphonem. Zaprezentowano budow standardowego smartphona i dokonano przegldu dostpnych na rynku mobilnych systemów operacyjnych i aplikacji. W rozdziale drugim znajduje si wizja przygotowanej aplikacji oraz przyjte załoenia funkcjonalne i niefunkcjonalne, jakie powinna ona spełnia. W rozdziale trzecim i czwarty znajduje si projekt i sposób implementacji poszczególnych elementów systemu, oraz dokładniej omówiono najciekawsze przypadki uycia. Rozdział pity zawiera wyniki testów wydajnociowych aplikacji prezentujc jednoczenie moliwoci urzdze mobilnych. Praca koczy si podsumowaniem, w którym przedstawiono dalsze moliwoci rozszerzenia aplikacji. 7

8 8

9 1. Urzdzenia mobilne 1.1 Pojcia W literaturze technicznej istnieje wiele rónych definicji terminów zwizanych z technologiami mobilnymi. Czsto definicje te bardzo si od siebie róni. W tym rozdziale wyjanione zostan podstawowe pojcia zwizane z technologiami mobilnymi. Przedstawione zostan rónice pomidzy tradycyjnym telefonem komórkowym a smartphonem Technologie mobilne Termin technologie mobilne odnosi si do szerokiego zakresu urzdze i operacji zwizanych z dostpem, przechowywaniem i przetwarzaniem informacji z wykorzystaniem przenonych urzdze komputerowych takich jak laptop, PDA (Personal Digital Assistant), telefon komórkowy, tablet itp. Wyrónia si dwa tryby pracy urzdze mobilnych[14]: Tryb podłczony (online) urzdzenie udostpnia przynajmniej jeden typ komunikacji bezprzewodowej (Wi-fi, Bluetooth, łcza podczerwieni (IrDa), GPRS). W trybie podłczonym aplikacje mobilne maj bezporedni dostp do zewntrznych i zdalnych ródeł danych, innych urzdze mobilnych lub stacjonarnych systemów komputerowych. Tryb odłczony (offline) urzdzenie ma bezporedni dostp tylko do lokalnie przechowywanych informacji (np. ksiki adresowej). Dane te mog by jednak synchronizowane z innymi urzdzeniami w czasie krótkich sesji komunikacyjnych. Wymiana danych podczas synchronizacji moe nastpowa w obu kierunkach Komunikacja bezprzewodowa Tradycyjnym sposobem na połczenie dwóch urzdze komputerowych jest wykorzystanie specjalnych kabli do transmisji danych. W przypadku komunikacji bezprzewodowej zamiast kabli wykorzystywane s fale radiowe. Jednak sam fakt wykorzystywania przez urzdzenie komputerowe bezprzewodowych metod komunikacji nie oznacza, e dane urzdzenie moe by zakwalifikowane jako mobilne. Niektóre technologie bezprzewodowe, zaprojektowane jako alternatywa dla kabli, mog by efektywnie wykorzystywane tylko wtedy, gdy jeden lub nawet wszyscy uczestnicy komunikacji w momencie transmisji sygnału pozostaj nieruchomi lub poruszaj si w bardzo ograniczonym stopniu. Z tak sytuacj mamy do czynienia na przykład w przypadku technologii opartej na poczerwieni lub wykorzystujcej sieci bezprzewodowe WiMax. W definicji komunikacji bezprzewodowej główny nacisk kładzie si na wykorzystanie fal radiowych jako nonika informacji i metody tworzenia sieci komputerowych, a technologie mobilne wykorzystuj niektóre z bezprzewodowych metod komunikacji w tworzeniu aplikacji i usług. Szybki rozwój technologii mobilnych i bezprzewodowych metod komunikacji przyczynił si do powstania wielu nowych aplikacji i systemów komputerowych wykorzystujcych komunikacj głosow, przesyłanie wiadomoci i transfer danych. Rosnca liczba ogólnodostpnych sieci 9

10 bezprzewodowych i nowe usługi operatorów sieci komórkowych sprzyjaj rozwojowi urzdze mobilnych, bdcych niemal zawsze w zasigu sieci umoliwiajcej prac w trybie podłczonym lub synchronizacj danych z systemem zewntrznym. Nowoczesne metody komunikacji oferuj wysoki transfer danych, a przełczanie si urzdzenia mobilnego pomidzy punktami dostpu i rónymi metodami komunikacji odbywa si automatycznie bez udziału uytkownika Smartphone i tradycyjne telefony komórkowe Pocztkowo termin smart phone wykorzystywany był w celach marketingowych w odniesieniu do nowych modeli telefonów komórkowych, które umoliwiały przechowywanie i przetwarzanie informacji w znacznie wikszej skali ni wczeniejsze modele. Jako dodatek do standardowej funkcjonalnoci umoliwiajcej komunikacj głosow i tekstow, smartphony udostpniały proste aplikacje do przechowywania danych osobistych oraz zarzdzania czasem (kalendarze, notatniki, ksiki adresowe itp.). Pierwsze modele umoliwiały tylko bardzo ograniczon form komunikacji bezprzewodowej, najczciej polegajc na bezprzewodowym podłczeniu urzdzenia do stacjonarnego komputera. Obecnie wszystkie te funkcje (a nawet wicej) zapewniaj standardowe telefony komórkowe. Tabela 1. Ewolucja telefonów komórkowych Kategoria Telefony Analogowe Telefony Cyfrowe Smartphony Kształt Cegła Płaskie, Składane, Rozsuwane Waga 0,5-1kg g < 200g Ekran Niedostpny Monochromatyczny lub kolorowy (max 256 kolorów), 170x120 pikseli Procesor Pami Komunikacja (oprócz głosowej) Bateria Cena Chip obsługujcy komunikacj głosow Tylko do zapisu numerów telefonów Niedostpna Krótki czas gotowoci i rozmów Od kilkuset do kilku tysicy dolarów Umoliwiajcy proste operacje Do kilku megabajtów Synchronizacja z komputerem stacjonarnym Dłuszy czas rozmów (kilka godzin) i gotowoci (kilka dni) Darmowe (promocje) do paruset dolarów Płaskie, Składane, Rozsuwane Kolorowy, 320x240 pikseli (lub wicej), 16 bitowa paleta kolorów Stosunkowo wydajny procesor do zawansowanych zastosowa np. multimedia 64MB i wicej + wymienna pami flash do 4GB Bluetooth, Wi-fi, GPS itp. Dłuszy czas rozmów (kilka godzin) i gotowoci (kilka dni) Kilkaset dolarów lub mniej ródło: Zestawienie autora na podstawie: Pei Zheng, Lionel M. Ni, Smart Phone and Next-Generation Mobile Computing,

11 Obecnie smartphony oprócz komunikacji zapewnianej przez technologie komórkow udostpniaj po kilka metod bezprzewodowej komunikacji krótkiego zasigu, takich jak Bluetooth, IrDa, Wi-fi. Smartphony umoliwiaj mobilny dostp do zewntrznych ródeł danych, ale posiadaj te znaczn pami lokaln. Potrafi przechowywa i przetwarza dane na wiele rónych sposobów. Typowe smartphony posiadaj wbudowan kamer wideo i umoliwiaj zapis i odczyt audio/wideo. Standardowo zaopatrzone s w szereg aplikacji takich jak gry, komunikatory, klient poczty elektronicznej, przegldarka internetowa i inne. Dodatkowo uytkownik nie jest ograniczony tylko do standardowego zestawu aplikacji. Systemy operacyjne zainstalowane na nowoczesnych smartphonach udostpniaj rodowiska i biblioteki programistyczne umoliwiajce osobom niezwizanym z producentem urzdzenia lub autorem systemu operacyjnego na niemal dowolne tworzenie i uruchamianie nowych aplikacji. Dziki temu smartphony mog by wykorzystywane jako terminale dostpowe do usług handlu elektronicznego, systemów komputerowych, czy baz informacji[3]. W Tabeli 1. przedstawiono ogólne porównanie telefonów komórkowych trzech generacji. Warto zauway, e mimo spadku rozmiarów i wagi urzdze ich moc obliczeniowa i zakres oferowanych funkcji nieustannie ronie. Trend ten jest podobny do sytuacji obserwowanej w przypadku tradycyjnych systemów komputerowych. Mona si spodziewa, e obecne smartphony w niedalekiej przyszłoci bd uwaane za tradycyjne telefony komórkowe, a ich miejsce zajmie kolejna generacja smartphonów. 1.2 Sprzt Rozwój urzdze mobilnych idzie w kierunku połczenia funkcjonalnoci sprztowej i programowej telefonów komórkowych oraz urzdze typu PDA i PocketPC. Smartphony przejmuj równie rol mobilnych centrów rozrywki integrujc moliwoci odtwarzaczy MP3, przenonych konsoli gier i małoformatowych odtwarzaczy wideo. To połczenie nie nastpuje jednak przez zwykłe dołczenie do telefonu komórkowego oddzielnej infrastruktury sprztowej odpowiedzialnej za kad z tych funkcji. Now funkcjonalno uzyskuje si dziki wykorzystaniu istniejcej uniwersalnej architektury sprztowej Procesor Istnieje wiele modeli i typów procesorów przeznaczonych do wykorzystania w urzdzeniach mobilnych. Nawet popularne urzdzenia takie jak odtwarzacze mp3, aparaty fotograficzne, czy telewizory posiadaj wbudowane mikroprocesory. Jednak procesory wykorzystywane w urzdzeniach mobilnych posiadaj kilka charakterystycznych cech rónicych je od mikroprocesorów wykorzystywanych w urzdzeniach przemysłowych i tradycyjnych CPU wykorzystywanych w komputerach klasy PC: Ograniczona programowalno mobilne procesory posiadaj ograniczony zestaw instrukcji (w porównaniu z procesorami stacjonarnymi) ze wzgldu na ograniczenia zwizane z poborem energii. Wysok przepustowo operacji wejcia/wyjcia zoptymalizowane instrukcje zwizane z wykorzystaniem sieci s czciej wykorzystywane na urzdzeniach mobilnych. Optymalizacja przetwarzania strumieni danych aplikacje multimedialne stanowi nieodzown cz urzdze mobilnych, zatem procesory mobilne posiadaj specjalne instrukcje dla obsługi tej funkcjonalnoci. Najpopularniejsze typy procesorów mobilnych to: 11

12 ARM (Advanced RISC Machine) Mikroprocesor opracowany przez brytyjsk firm ACRON z myl o wykorzystaniu w systemach wbudowanych (ang. embedded systems). Obecnie najpopularniejsza architektura procesora wykorzystywana w smartphonach. W szczególnoci znany jest model StrongARM SA-100 wyprodukowany przez firm DEC, oraz powstały na jego bazie intelowski XScale [15,18]. Procesory działaj w trybie 32-bitowym. Zestaw instrukcji procesora ARM stanowi rozwinicie zestawu instrukcji MOS Główne zmiany dotycz zwikszenia efektywnoci potokowego przetwarzania instrukcji. Zgodnie z załoeniami architektury RISC, rozkazy s tak skonstruowane, aby wykonywały si w cile okrelonym czasie zwykle w jednym cyklu maszynowym. Unikatow cech tego typu procesorów jest zdolno łczenia operacji na rejestrach z operacjami arytmetycznymi, dziki czemu zmniejsza si liczba wymaganych operacji pobrania/zapisania argumentów, tym samym dodatkowo podnoszc efektywno potokowoci[1]. MIPS (Microprocessor without Interlocked Piped Stages) jest to architektura komputerowa (a w szczególnoci procesor typu RISC) rozwijana przez firm MIPS Technologies. Istnieje zarówno w wersji 32-, jak i 64-bitowej. Procesory MIPS stanowi jednostk centraln komputerów firmy SGI. Ponadto s szeroko stosowane w systemach wbudowanych, głównie w urzdzeniach opartych na systemie operacyjnym Windows CE. S uywane w ruterach firmy Cisco oraz we współczesnych konsolach do gier, takich jak Nintendo 64, Sony PlayStation, Sony PlayStation 2, Sony PSP. Szacuje si, e procesory MIPS stanowi jedn trzeci produkcji mikroprocesorów typu RISC. Crusoe i Efficeon Procesory opracowane przez firm Transmeta [19]. Wykorzystujce nowatorski system zarzdzania energi (LongRun), umoliwiajcy dynamiczn i czst zmian napicia i czstotliwoci taktowania procesora w zalenoci od stopnia zapotrzebowania na moc obliczeniow zgłaszan przez system operacyjny i uruchomione aplikacje. Korzystanie z technologii LongRun nie wymaga od systemu operacyjnego czy aplikacji adnych specjalnych instrukcji. Crusoe i Efficeon s kompatybilne z procesorami typu x86 dziki wykorzystaniu kodu poredniego umoliwiajcego tłumaczenie instrukcji procesorów x86 na natywne instrukcje VLIW wykorzystywane przez oba procesory Pami Ograniczony zasób pamici stanowi kolejne ograniczenie dla urzdze mobilnych, wymuszajc, aby system operacyjny i aplikacje mobilne zajmowały stosunkowo mało miejsca. Wyróniamy trzy rodzaje pamici: RAM, ROM i pami flash [4]. Obecne smartphony posiadaj zwykle od 64MB do 128MB SRAM jako pami operacyjn dla aplikacji, około 128MB pamici flash, na której przechowywamy jest kod systemu operacyjnego oraz od 128 do 256MB wbudowanej pamici flash przeznaczonej na dane uytkownika. Wikszo smartphonów umoliwia wykorzystanie zewntrznych wymienialnych kart pamici takich jak SmartMedia, Compact Flash (CF), Memory Sticks i coraz popularniejsze Secure Digital (SD). Tego typu karty umoliwiaj rozszerzenie pamici na dane nawet o 4GB. W odrónieniu od tradycyjnych komputerów PC mobilne systemy operacyjny nie wykorzystuj pamici wirtualnej. Ze wzgldu na stosunkowo mały rozmiar kodu systemu operacyjnego i aplikacji mobilnych cały wykonywany kod moe by przechowywany w pamici operacyjnej co znaczco poprawia wydajno. Jako pami stał w urzdzeniach mobilnych wykorzystuje si przede wszystkim pami flash zamiast dysków twardych, poniewa: umoliwia szybszy dostp do danych ni dysk twardy, jest lejsza i zajmuje znacznie mniej miejsca, jest cicha, 12

13 nie zawiera wraliwych na drgania czci mechanicznych. Z drugiej strony dyski twarde oferuj znacznie wiksz pojemno ni pamici flash. Równie koszt wyprodukowania 1GB pamici jest znacznie niszy w przypadku dysków twardych. Wraz z rozwojem multimediów dostpnych na telefony komórkowe bdzie rosła potrzeba posiadania wikszej pamici stałej i ewentualnie małe, wydajne i energooszczdne wersje dysków twardych mog wyprze pamici flash Urzdzenia wejcia/wyjcia Zestaw klawiszy i urzdze wejcia/wyjcia jest bardzo istotny dla wygody korzystania z urzdzenia mobilnego. Najpopularniejsze zestawy to: Numeryczna klawiatura telefoniczna dwunasto przyciskowa klawiatura składajca si z cyfr od 0 do 9 (po wielokrotnym wciniciu umoliwiajcych równie dostp do liter) oraz klawisze * i #. Zwykle rozszerzona o 4 klawisze funkcyjne rozmowy, koczenia rozmowy, menu i wstecz. Klawiatura QWERTY miniaturowa wersja standardowej angielskiej klawiatury wykorzystywanej w stacjonarnych komputerach klasy PC. Dodatkowo niektóre klawisze podzielone s na 10 grup, tak aby wcinicie któregokolwiek z klawiszy w grupie symulowało wciniecie cyfry jak w tradycyjnej klawiaturze telefonicznej. Ekrany dotykowe i klawiatury wirtualne wykorzystywane głównie w urzdzeniach PDA. Uytkownik przy pomocy specjalnego rysika (piórka) wskazuje elementy wywietlone na ekranie. Urzdzenia tego typu posiadaj równie zawansowane mechanizmy rozpoznawania pisma. Wad tego rozwizania jest to, e do obsługi urzdzenia wymagane jest korzystanie z obu rk. Najczciej wykorzystywanym w smartphonach rozwizaniem jest dwunasto przyciskowa klawiatura numeryczna zajmujca niewiele miejsca i wystarczajco porczna. Wykorzystanie klawiatur QWERTY pozwala na sposób pisania bardziej zbliony do korzystania z tradycyjnego komputera PC, ale niewielki rozmiar klawiszy znaczco utrudnia sprawne korzystanie. Oprócz standardowego zestawu klawiszy wiele modeli posiada dodatkowe klawisze funkcyjne. Na Rysunku 1. przedstawiono wygld wzorcowego smartphona wraz z opisem dostpnych klawiszy Wywietlacz Ekrany telefonów komórkowych ewoluowały w wielu kierunkach w cigu ostatnich kilku lat. Wczesne monochromatyczne wywietlacze oferujce nisk rozdzielczo zostały szybko wyparte przez kolorowe wywietlacze wysokiej rozdzielczoci. Rozmiary ekranów znaczco róni si pomidzy urzdzeniami rónych producentów. Smartphony pocztkowo posiadały stosunkowo małe wywietlacze, ale w zwizku ze stopniowym przejmowaniem roli PDA wymogiem staje si coraz wikszy ekran. Jednak wykorzystanie wikszych wywietlaczy ujemnie wpływa na czas działania urzdzenia na bateriach. Standardowe parametry ekranów to: Rozmiar Telefony komórkowe maj zwykle ekrany LCD o przektnej 2.2 cale z opcj podwietlania i poprawy ostroci. Rozdzielczo Zdarzaj si jeszcze urzdzenie z nisk rozdzielczoci (176 x 220 lub 128 x160), ale jako obecny standard przyjmuje si rozdzielczo QVGA (320x240) nowsze modele czsto posiadaj ju standard VGA (640x480) mimo wykorzystania tej samej przektnej ekranu. 13

14 Włcznik Regulacja głonoci Lewy klawisz szybkiego dostpu Klawisz nagrywania Prawy klawisz szybkiego dostpu Klawisz startu Klawisz rozmowy Klawisz wstecz Klawisz koca rozmowy Enter i klawisze nawigacji Klawiatura numeryczna Rysunek 1.1: Standardowy zestaw klawiszy w Smartphonie [20] Głbia kolorów najczciej wystpujce modele posiadaj 12-bitow (4096 kolorów) lub 16-bitow (65536 kolorów) głbi. Najbardziej zawansowane modele oferuj 18- bitowy kolor ( kolory). Konsumpcja energii Technologia Thin-film Transistor (TFT), w której wykonane s nowoczesne wywietlacze potrzebuje znacznie wicej energii ni wykorzystywane w starszych modelach matryce pasywne. Typowy wywietlacz w smartphonie zuywa około kilkuset miliwatów energii. Ze wzgldu na znaczcy pobór mocy przez ekran i pozostałe elementy urzdzenia niezbdne jest, aby mobilny system operacyjny oraz aplikacje udostpniały dodatkowe opcje zarzdzania energi. 1.3 Systemy operacyjne W odrónieniu od tradycyjnych telefonów komórkowych smartphony posiadaj wbudowany zaawansowany system operacyjny udostpniajcy, oprócz sterowników dla danego urzdzenia, bogat bibliotek programistyczn, interfejs programowania aplikacji (API) oraz zestaw narzdzi umoliwiajcy niezalenym programistom tworzenie dodatkowych aplikacji na urzdzenia mobilne. Pierwsze mobilne systemy operacyjny powstały z myl o konkretnych modelach urzdze, ale nowsze ich wersje mona ju dostosowa do rónych typów urzdze. Wraz z rozwojem technologii mobilnych coraz waniejsze staje si, aby mobilny system operacyjny umoliwiał wygodny i efektywny sposób na tworzenie nowych aplikacji. W tym rozdziale przedstawione zostan najpopularniejsze mobilne systemy operacyjne. 14

15 1.3.1 Symbian OS System operacyjny Symbian został opracowany przez prywatn firm o tej samej nazwie[16]. Współwłacicielami firmy s wielcy producenci telefonów komórkowych, w tym Nokia, Sony Ericsson, Siemens i Samsung. Główn platform, na któr przeznaczone s systemy Symbian s telefony komórkowe i smartphony. Ponad połowa sprzedawanych na wiecie smartphonów działa włanie pod kontrol systemu Symbian. Pocztkowo Symbian OS tworzony był na bazie systemu operacyjnego EPOC stworzonego przez firme Psion i wykorzystywanego w urzdzeniach typu PDA. Najwczeniejsza wersja Symbiana to 6.0 kontynuujc numeracj systemów EPOC (ostatnia wersja to EPOC 5.0). Obecnie najnowsza komercyjna wersja Symbian OS ma numer 9.5. System operacyjny wystpuje w kilku odmianach. Wersja Quarto przeznaczona jest na urzdzenia PDA, Crystal na tradycyjne telefony komórkowe, a Series 60 na smartphony. Symbian OS w wersji 9.5 umoliwia korzystanie z szerokiego wachlarza usług oferowanych przez systemy telefonii komórkowej 2G, 2.5G i 3G, jak równie obsług transmisji danych i multimediów. Oprócz standardowych usług umoliwia korzystanie z transmisji danych za pomoc protokołu TCP/IP, zawansowane funkcje kryptograficzne (3DES, RC5, AES, RSA) obsług cyfrowych certyfikatów, szyfrowanie połcze za pomoc TLS/SSL i WTLS przy korzystaniu z dostpu bezprzewodowego za porednictwem Wi-fi. Symbian OS działa na procesorach ARM lub symulujcych procesory typu x86. UI Framework Java 2 Micro Editon Application Services Generic OS Services Telephony Services Serial Communication and Soft Link Networking Services WAP Services Multimedia Services Connectivity Services Communication Services Base Services Kernel Architecture Rysunek 1.2: Architektura systemu operacyjnego Symbian 9.5 [16] Symbian OS od wersji 8.0 posiada jdro wielowtkowe działajce w czasie rzeczywistym, które zarzdza pamici operacyjn, procesami i wtkami, zapewnia komunikacj pomidzy procesami, zarzdzanie zasobami i obsług wyjtków i błdów. Jdro działa natywnie wykorzystujc instrukcje procesora ARM. Usługi podstawowe (Base Services) udostpniaj platform programistyczn dla pozostały komponentów systemu. Umoliwiaj one wywoływanie funkcji systemu operacyjnego, dostp do sterowników urzdze, systemu plików i standardowych bibliotek C++. Moduł usług komunikacyjnych (Communication Services) zapewnia dostp do sieci, przesyłanie danych, wykorzystanie połcze Bluetooth, IrDA i USB oraz programistyczny dostp do standardowych 15

16 funkcji telefonu. Generic OS Services zapewnia typow funkcjonalno systemu operacyjnego (np. zarzdzanie pamici, kontrola dostpu do plików). Moduł usług dla aplikacji (Application Services) umoliwia uruchomienia aplikacji uytkownika jako oddzielnych procesów, zapewnia mechanizm wyjtków i wsparcie dla rónych wersji jzykowych. Platforma interfejsu uytkownika (UI Framework) daje dostp do standardowego zestawu kontrolek i zapewnia poprawn realizacj mechanizmu zdarze. Aplikacj na Symbian OS pisze si wykorzystujc zmodyfikowany jzyk EPOC C++. Symbian umoliwia równie uruchamianie aplikacji napisanych w Javie dla urzdze mobilnych (J2ME) z wykorzystaniem mobilnej wersji maszyny wirtualnej Javy Palm OS Firma Palm Inc [13] jest powszechnie znana jako wynalazca palmtopów, czyli pierwszych ogólnodostpnych i popularnych PDA. Palm OS powstał jako system operacyjny przeznaczony włanie do Palm PDA. System operacyjny Palm wykorzystywany jest te w produktach Handspring, Sony i IBM. W grudniu 2006 r. firma Palm Inc. została przejta przez japosk firm ACCESS, która na bazie systemu Palm opracowuje dwa nowe mobilne systemy operacyjne ACCESS Linux Platform i Garnet OS [8]. Do wersji Palm OS 4.0 twórcy systemu jako główny cel przyjmowali stworzenie systemu, który byłby maksymalnie efektywny przy uyciu jak najmniejszej mocy obliczeniowej. Aplikacje na Palm OS były przede wszystkim nakierowane na interakcj z człowiekiem i posiadały bardzo przyjazny interfejs uytkownika. Najwiksz wad pierwszych wersji był brak moliwoci uruchamiania kilku zada jednoczenie, co powodowało, e w danym momencie mogła działa tylko jedna aplikacja. Nie miało to wikszego znaczenia, gdy liczba dostpnych aplikacji była stosunkowo niewielka. W zamian system oferował znakomit wydajno z punktu widzenia uytkownika brak jakichkolwiek opónie podczas korzystania z aplikacji. Wraz z popularyzacj urzdze PDA i rosncymi wymaganiami klientów co do moliwoci zainstalowanych aplikacji, niezbdne stało si znaczce unowoczenienie systemu operacyjnego. W nowych wersjach systemu Palm OS 5.0 i 6.0 wprowadzono znaczc liczb ulepsze. Od wersji 5.0 Palm OS moe by instalowany na procesorach typu ARM (wczeniej tylko na procesorach Motoroli z serii 68K), ale udało si zachowa kompatybilno wstecz i aplikacje napisane na starsze wersje systemu bez problemu uruchamiały si w wersji 5.0. Wprowadzono wielozadaniowo, obsług LAN, Bluetooth, usługi telefonii komórkowej (od wersji 5.0 moliwe jest wykorzystanie Palm OS w smartphonach) i odwieono interfejs uytkownika. Prawdziwa rewolucj nastpiła jednak wraz z wejciem wersji 6.0, która została napisana niemal od zera z myl o przygotowaniu uniwersalnego mobilnego systemu operacyjnego. Palm OS 6.0 mona łatwo dostosowa do rónych architektur sprztowych dziki zastosowaniu warstwy poredniej pomidzy sprztem a systemem operacyjnym (Hardware Abstraction Layer). Nowa wersja systemu obsługuje wielowtkowo, zapewnia zarzdzanie pamici obsług zdarze GUI, oraz wsparcie dla multimediów. Dołczono te pełn obsług popularnych metod komunikacji bezprzewodowej (Wi-fi, Bluetooth). Moduł Core OS obsługuje niskopoziomowy dostp do systemu plików oraz obsług protokołu TCP/IP. Ciekawym dodatkiem jest moliwo rozszerzania systemu o biblioteki napisane przez firmy zewntrzne, tym samym znaczco zwikszajc wydajno ich wykonywania. (np. obsługa J2ME została tak wbudowana w system). Warstwa Palm Application Compatibility Environment umoliwia uruchomienie aplikacji napisanych na starsze wersje systemu. W systemie operacyjnym Palm wykorzystano niestandardowy model systemu plików. Zamiast trzyma pliki blokowo zapisane w pamici Palm OS wykorzystuje wewntrzn mikro baz danych (Palm DataBase). 16

17 Rysunek 1.3: Architektura Palm OS 6.0 [13] Przy pisaniu aplikacji na Palm OS wykorzystuje si przygotowany przez producenta Palm OS 68K/Protein SDK. Programici mog korzysta z jzyków C, C++, Visual Basic i Javy, ale wikszo aplikacji dla Palm OS powstaje w C. SDK zawiera kompilatory pozwalajce na tworzenie aplikacji działajcych natywnie na procesorach ARM dla Palm OS 6.0, jak równie przeznaczone dla starszych wersji systemu wykorzystujcych procesory 68K. Jako rodowisko programistyczne wykorzystuje si Metrowerks CodeWarrior, Palm PRC Tools lub Eclipse Windows Mobile System operacyjny Windows Mobile [23] został opracowany przez firm Microsoft na podstawie systemu Windows CE, który zaprojektowany był z myl o niewielkich urzdzeniach mobilnych głównie PDA, telefonach komórkowych, narcznych komputerach i systemach nawigacji satelitarnej. rodowisko Windows Mobile wystpuje w dwóch wersjach, dla PocketPC (PDA korzystajce z oprogramowania Microsoft) oraz SmartPhone. Obie wersje korzystaj z Windows CE, a rónice midzy nimi s stosunkowo niewielkie i zwizane z innym sposobem komunikacji uytkownika z urzdzeniem (PDA rysik, smartphone klawiatura). Wikszo aplikacji napisanych dla smartphona mona z powodzeniem wykorzystywa na PDA. Wraz z przejmowaniem przez smartphony roli PDA mona si spodziewa całkowitego połczenia obu wersji. Najnowsza wersja Windows Mobile ma numer 6.0. rodowisko.net Compact Framework [5] wraz z dołczonymi do niego bibliotekami programistycznymi umoliwia pisanie aplikacji w kodzie zarzdzanym. Oprócz tego wpierane jest te tradycyjne Win32 API oraz Microsoft Foundation Classes (MFC) umoliwiajce tworzenie aplikacji uruchamianych w kodzie natywnym. Na rysunku 1.4 przedstawiono ogóln architektur systemu. 17

18 Rysunek 1.4: Windows Mobile [21] Głównym elementem platformy Windows Mobile jest.net Compact Framework, który ładowany jest do pamici ROM smartphona. Compact Framework jest mobiln wersj rodowiska.net Framework dostpnego dla stacjonarnych komputerów PC. Ogólnie rzecz biorc platforma.net powstała z myl o wygodnym, bezpiecznym i uniwersalnym tworzeniu aplikacji wykorzystujcych szeroki zakres usług Internetowych. rodowisko.net Framework intensywnie wykorzystuje extensible Markup Language (XML) i usługi sieciowe (ang. web services) do wymiany informacji pomidzy rónymi niejednolitymi systemami działajcymi w sieci Internet. Jest to moliwe dziki zastosowaniu otwartego standardu XML pozwalajcego na zintegrowanie przesyłania danych i ich struktury w samoopisujcym si formacie w taki sposób, e mog by one przetwarzane, modyfikowane i wymieniane pomidzy dowolnymi aplikacjami, serwisami internetowymi, czy innymi urzdzeniami mobilnymi. Mechanizm usług sieciowych wykorzystuje oparty na XML protokół SOAP (Simple Object Access Protocol) do transportu danych pomidzy aplikacj a serwisem oraz standard UDDI (Universal Data Description Interface) do wyszukiwania i katalogowania usług sieciowych. Na rysunku 1.5 przedstawiono schemat platformy.net. Rysunek 1.5: Microsoft.Net Framework [11] 18

19 Infrastruktura.NET Framework jest podobna dla wszystkich urzdze wykorzystujcych systemy Windows (stacjonarne PC, serwery, tablety PC, Pocket PC i Smartphony) i składa si z dwóch głównych komponentów: wirtualnej maszyny (Common Language Runtime CLR) i biblioteki klas. CLR jest warstw poredniczc pomidzy uruchamianym kodem aplikacji a systemem operacyjnym. Do pisania aplikacji programici mog korzysta z bogatego zestawu jzyków programowania C, C++, C#, Visual Basic, Fortran, Perl. Niezalenie od wybranego jzyka programowania kod aplikacji kompilowany jest do jzyka poredniego (Intermediate Language IL lub MSIL). Kod poredni uruchamiany jest przy uyciu CLR, który kompiluje go w locie do kodu natywnego maszyny, na której jest uruchomiony. Platforma.NET zapewnia zarzdzanie pamici (w tym odmiecanie), kontrol typów (Common Type System CTS), obsług wyjtków i kontrol wykonywanego kodu. Biblioteka klas zawiera zestaw klas i interfejsów dostpnych dla wszystkich zgodnych z.net jzyków programowania. Zawarto biblioteki mona podzieli na 3 grupy: ASP.NET (dla stron i aplikacji webowych), ADO.NET (klasy odpowiedzialne za dostp i przetwarzanie danych) i Windows Forms (kontrolki i klasy do tworzenia interfejsu uytkownika). Dla urzdze mobilnych przygotowana została bardzo okrojona wersja.net Framework.NET Compact Framework [5]. Podobnie jak pełna wersja składa si z dwóch komponentów: CLR i biblioteki klas. Ze wzgldu na ograniczone moliwoci przetwarzania i niewielk pojemno pamici urzdze mobilnych Compact Framework CLR jest o wiele mniejszy (zajmuje mniej ni 2 MB) i znacznie wydajniejszy ni CLR na systemy stacjonarne. Biblioteka klas zawiera tylko podzbiór klas oryginalnej biblioteki, które zostały dodatkowo zoptymalizowane (lub napisane na nowo) pod urzdzenia mobilne. Biblioteka zawiera te nowe klasy do wykorzystywania usług i tworzenia aplikacji specyficznych dla urzdze mobilnych. Jako rodowisko do tworzenia aplikacji na Windows Mobile mona wykorzysta flagowe narzdzie Microsoftu Visual Studio.NET, które udostpnia specjalne projekty dla aplikacji na PocketPC, smartphone i Windows CE. Programici mog wybra jzyk C#, C++ lub Visual Basic dla aplikacji w kodzie zarzdzanym lub C++ dla aplikacji korzystajcych z Win32 API. Compact Framework jest dynamicznie rozwijany i regularnie dodawane s nowe wersje i funkcjonalnoci. Jeli jaka funkcjonalno nie jest wspierana przez CLR programista moe wywoła tradycyjn natywn funkcj z Windows CE API, omijajc tym samym maszyn wirtualn (tak zwany Platform Invoke lub P/Invoke). Aby rozpocz programowanie aplikacji dla Windows Mobile naley zaopatrzy si w zestaw kompilatorów i narzdzi programistycznych Windows Mobile SDK [22] w wersji dla wybranego urzdzenia mobilnego (PocketPC lub smartphone). Podczas fazy implementacji nie jest wymagane korzystanie z rzeczywistego urzdzenia. W celach deweloperskich i testowych mona wykorzysta emulator urzdzenia mobilnego. Emulator nie tylko symuluje wygld i funkcjonalno rzeczywistego urzdzenia, ale równie emuluje działanie sprztu (procesora ARM, usług telefonicznych itp.). Zaleca si jednak systematyczne sprawdzanie działania aplikacji na urzdzeniu docelowym [11] Embedded Linux Linux jest darmowym systemem operacyjnym, o ogólnie dostpnym otwartym kodzie ródłowym. Jdro Linuksa utrzymywane jest i rozwijane przez niezalenych programistów kierowanych przez Linusa Torvalds twórc systemu operacyjnego. Istnieje znaczna liczba darmowych aplikacji napisanych dla systemu Linux. Kody ródłowe tych aplikacji, jak równie samego jdra, dostpne s na zasadach licencji GPL, która mówi, e kady wykorzystujcy w swojej aplikacji kod objty licencj GPL musi zapewni swobodny dostp do tworzonego przez siebie programu zgodnie z licencj GPL. System operacyjny Linux jest uznawany za rozsdn alternatyw dla komercyjnych systemów operacyjnych [7]. Próba przeniesienia Linuksa na platform urzdze mobilnych podejmowana jest przez kilka komercyjnych firm, jak równie niezalenych programistów. Dystrybucje Linuksa na PDA s dostpne do cignicia z Internetu. Istniej te komercyjne wersje (np. Monta Vista Linux), 19

20 szczególnie popularne wród producentów sprztu z Azji. Nad wersj Linuksa na smartphony pracuj takie firmy jak Motorola i NEC. Poszczególne dystrybucje bardzo róni si od siebie, ale mona wskaza szereg wspólnych cech: Jednolite jdro systemu wspierajce wielozadaniowo i wielowtkowo, które moe by dodatkowo prekonfigurowane dla urzdzenia i działajcych aplikacji. Dziki aktywnej społecznoci programistów dostpne s sterowniki i rozwizania dla najnowszych technologii komunikacyjnych (w tym Bluetooth, Wi-fi, LAN itp.). Aplikacje dystrybuowane na licencji GPL s łatwo modyfikowalne i rozszerzalne. Opłata licencyjna jest niewielka (albo w ogóle nie istnieje). Linux moe by stosunkowo łatwo przystosowywany do rónych urzdze mobilnych, w zwizku z tym bardzo wane staje si wypracowanie wspólnych dla rónych dystrybucji standardów, aby poszczególne dostosowane do urzdzenia dystrybucje zachowały wzajemn zgodno i umoliwiały uruchomienie wspólnego zestawu aplikacji. Opracowywaniem standardów zajmuje si dwie organizacje Consumer Electronics Linux Forum i Embededded Linux Consortium [6] Java 2 Mobile Eddition (J2ME) Java ME [10] nie jest systemem operacyjnym, ale właciwe mobilne systemy operacyjne czsto wykorzystuj Jav dla zapewnienia przenonoci kodu i wykorzystania aplikacji, które nie zostały napisane dla konkretnego urzdzenia. Aplikacje napisane w Javie kompilowane s do bajtkodu (jzyka poredniego), który nastpnie jest uruchamiany na wirtualnej maszynie Javy opracowanej dla konkretnego mobilnego systemu operacyjnego. Java działa tu jako warstwa poredniczca pomidzy specyficznym mobilnym systemem operacyjnym a aplikacjami oferowanymi przez niezalenych producentów. Istniej dwa rodzaje konfiguracji J2ME w zalenoci od moliwoci urzdzenia, na którym jest instalowana CLDC dla urzdze z procesorami 16 lub 32-bitowymi o zegarze minimum 16Mhz. Oferujcych około 512KB pamici i ograniczony dostp do sieci. Do tej grupy nale starsze modele telefonów komórkowych i PDA, pagery, odtwarzacze muzyczne itp. LDC dla urzdze z wydajnymi 32-bitowych procesorami, udostpniajcych przynajmniej 2MB RAM pamici operacyjnej i 2,5MB ROM dla instalacji wirtualnej maszyny. Przykłady urzdze to nowoczesne PDA i Smartphony Mimo zastosowania wirtualnej maszyny Javy zdarza si, e aplikacje nie uruchamiaj si poprawnie na rónych urzdzeniach. Jest to spowodowane tym, e niektóre aplikacje wymagaj zastosowania wywoła systemu operacyjnego nieudostpnianych przez maszyn wirtualn dla konkretnego urzdzenia. Obecnie J2ME jest szeroko stosowana do tworzenia aplikacji na urzdzenia mobilne, zarówno gier, jaki i rozwiza biznesowych. 1.4 Aplikacje i usługi Zestaw aplikacji i usług dostpnych na smartphony stale ronie. Telefon komórkowy przejmuje rol PDA i mobilnego centrum rozrywki, co skutkuje dostpem do nowej funkcjonalnoci. Nowe aplikacje i usługi powstaj równie wraz z rosnc przepustowoci łcz, upowszechnianiem si bezprzewodowych publicznych sieci bezprzewodowych i powstaniem nowych modeli 20