英特尔® 技术期刊 | 2012 年，第 4 期，第 16 卷
移动操作系统架构的趋势
作者
Xiao-Feng Li英特尔软件与服务事业部
Yong Wang英特尔软件与服务事业部
Jackie Wu英特尔软件与服务事业部
Kerry Jiang英特尔软件与服务事业部
Bing Wei Liu英特尔软件与服务事业部
世界是平的，因为它正变得日益移动化，越来越快速、互联和安全。人们
期望携带自己的移动设备自由移动，同时与他们的合作伙伴和家人保持密
切的沟通，享受灵活多变的使用模型和多种多样的内容，而无需担心设备
和数据管理。所有这些都对移动设备提出了要求，而移动操作系统是移动
设备的灵魂。基于我们在移动操作系统设计上的多年经验，和对当前行业
形势的广泛调查，我们相信未来的移动操作系统架构中存在一些共同特征，
比如用户体验、电源管理、安全设计、云支持和开放性设计。我们开发了
一个分析模型来指导我们的调查。本文中，将介绍我们对移动操作系统架
构未来十年趋势的调查情况，重点关注主要的共同特征。基于调查结果，
我们还会从架构趋势的角度总结当今移动操作系统的特征。
引言
移动操作系统设计在过去十年中经历了三个阶段的演化过程：从基于 PC 的
操作系统发展到嵌入式操作系统，再到如今面向智能手机的操作系统。在
整个演化过程中，移动操作系统架构从复杂变得简单，再到介于二者之间。
这个演化过程受硬件、软件和互联网技术进步的自然推动：
• 硬件。业界在不断缩小微处理器和外围设备的尺寸，以设计真正的移动
设备。在尺寸足够小之前，移动设备无法同时兼顾小尺寸和高处理能力。
我们或者拥有一个 PC 大小的笔记本电脑，或者拥有一个电话大小的性
能弱得多的 PDA（personal data assistant，个人数据助理）。PDA 的移
动操作系统通常没有完整的多任务或 3D 图形支持。过去的移动操作系
统不支持像传感器（比如加速计）和电容式触摸屏这样的特性。
• 软件。在笔记本电脑中，软件主要专注用户的生产力，支持键盘和鼠标，
拥有精确的输入必不可少。正如设备名称所暗示的，用于 PDA 的软件
可以帮助用户管理个人数据，比如联系人信息、电子邮件等。移动操作
系统并非设计用于支持包含触摸屏和其他传感器的富用户界面 (UI) 并为
其提供良好的响应能力或流畅性。
• 互联网。随着互联网的发展，尤其自 Web 2.0 诞生之后，网络中拥有丰
富的信息，等待人们去搜索、整理、挖掘并带给用户。人们的生活越来
越离不开互联网，他们不再只是浏览网页。越来越多的人参与到开发之
中，包括信息贡献、应用程序开发和社交。移动操作系统无法自给自足，
必须是开放的系统。
过去的移动设备的使用模型很有限。用户主要运行设备应用程序来进行数
据管理和玩本地游戏，只偶尔浏览互联网上的静态网页，或访问电子邮件
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等特定服务。换句话说，设备的可能用途取决于在用户购买它时预先安装
的应用程序。这在新移动设备中发生了巨大变化，新移动设备几乎是各种
使用模型的一个入口。所有参与方，比如服务提供商、应用程序开发人员
和其他设备用户，不断在做出贡献，并通过设备与其所有者互动。图 1 显
示了过去的移动设备与新移动设备之间的高级使用模型的区别。
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图 1：移动设备的高级使用模型（来源：英特尔公司，2012 年）
当前的移动操作系统的代表包括苹果的 iOS* 5.0、Google Android* 4.0、
Microsoft Windows* Phone 7.0 和其他一些操作系统。在使用模型方面，除
了区别之外，它们还具有更多的相似性：
• 它们都有一个已备案的软件开发工具包 (SDK)，其中包含定义良好的
API，让普通开发人员能够为这些系统开发应用程序。
• 它们都拥有在线应用商店，可供开发人员发布应用程序并允许用户对
程序进行下载，比如苹果的 App Store、Google Play 和 Windows Phone
Marketplace。
• 它们都在一定程度上提供了多任务和 3D 图形支持。触摸屏和传感器很
容易使用。它们都投入了大量心血来使用户交互变得更加流畅和灵敏。
• 浏览体验不再仅限静态网页。HTML5 正成为默认标准，以运行基于
Web 的应用程序。
• 所有这些操作系统都支持基于设备的支付。再加上企业应用程序和隐私
信息，系统安全性始终是设备用户担忧的一个重要问题。
• 作为移动操作系统，与非移动操作系统的一个重要的设计区别在于对电
池寿命的关注。这些系统尽力减少设备组件的有源电力消耗，尽可能让
它们处于空闲状态。
当前移动操作系统的共性反映了硬件、软件和互联网的发展趋势。因为预
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料到移动操作系统的这些趋势，我们相信以下领域是下一代移动操作系统
设计的重点，包括用户体验、电池寿命、云就绪性、安全性和开放性。在
很大程度上，它们实际上是相互冲突的目标：
• 用户体验和电池寿命。要获得最佳的响应能力和流畅性，系统要求所有
可用的硬件资源都能够发挥它们的最佳性能。与此同时，为了维持移动
设备的电池寿命，硬件组件应尽可能处于空闲状态。
• 安全性和开放性。人们不希望向外部实体公开其系统的所有功能，因为
这会使系统处于安全威胁之下。另一方面，如果不能公开足够多的系统
API，开发人员无法创造革新的用途。
• 云就绪性。随着云计算提供的服务和应用程序越来越多，人们自然会想
到一种瘦客户端设备模型，信任云，并分载计算到云平台。但时至今日，
瘦客户端模型在用户体验和安全性上仍然面临技术挑战。
在本文中，我们尝试分析移动操作系统设计的各个方面，并总结出我们对
于移动操作系统架构未来发展趋势的观点。
本文安排如下。基于本节中给出的框架，我们使用独立的章节来讨论下面
给出的各个主体。具体章节分为用户体验、电源管理、安全性、开放性和
云就绪性。最后，我们展开讨论并进行总结。
用户体验 (UX)
传统的性能不足以描述现代客户端设备的特征。性能更多的是指软件栈的
稳定执行状态，而且通常会使用处理器或其他子系统中的总吞吐量的最终
分数来报告性能。用户体验更多的是指由用户输入所触发的动态转换。用
户体验的质量取决于许多因素，比如用户可感知的响应速度、流畅性、连
贯性和准确性。传统性能可度量用户交互链中的每一个环节，而它无法评
估完整的用户交互链。因此，传统的性能优化方法无法简单地应用于用户
体验优化。现在是时候投资于设备的用户交互优化，为最终用户带来愉悦
的体验。
用户与移动设备的交互
在近期面对市面上一些 Android 设备进行性能测试的过程中，我们发现在
对图形、媒体和浏览器进行的通用基准测试，设备 X 的表现普遍比另一种
设备 Y 更差一些。但设备 X 的用户可感知体验却优于设备 Y。我们认为此
问题的根源在于，传统基准测试或以传统方式设计的基准测试没有真正反
映用户交互的特征，只是度量了系统和子系统的计算能力（比如执行的指令）
或吞吐量（比如处理的磁盘读取次数）。
以视频评估为例。传统的基准测试仅通过一些指标来度量视频回放性能，
比如 FPS（每秒帧数）或帧丢弃率。用此方法评估用户体验至少存在两个
问题。第一个问题是，视频回放只是播放视频过程中用户交互的一部分。
用户交互的一个典型的生命周期通常至少包含以下几个环节：“启动播放
器” “开始播放” “寻找进度” “视频回放” “返回到主屏幕”。
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然而，视频回放的良好性能无法体现播放视频过程中真实用户体验的特征。
用户交互评估是传统性能评估的一个超集。
另一个问题是，使用 FPS 作为关键指标来评估用户交互的流畅性，不能始
终反映良好的用户体验。例如，当我们在 Gallery3D 应用中抛出一张图片时，
设备 Y 在图片滚动期间存在明显的停顿，但设备 Y 的 FPS 值比设备 X 更高。
为了量化两个设备的差别，我们收集了在设备 X 和设备 Y 上的 Gallery3D
应用中的一个图片抛扔操作中的每一帧的数据，分别如图 2 和图 3 所示。
每一帧的数据使用一条竖线表示，其中 X 轴是绘制该帧的时刻，竖线的高
度是系统绘制这幅帧所花的时间。我们可从图中看到，设备 X 显然具有比
设备 Y 更低的 FPS 值，但具有更小的最大帧时间，长于 30 毫秒的帧数更少，
而且帧时间波动更小。这意味着，要描述图片抛扔操作的用户体验的特征，
还应该考虑最大帧时间和帧时间波动等指标。
图 2：设备 X 上的 Gallery3D 应用中的抛扔操作的帧时间（来源：英特尔公司，2011 年）
图 3：设备 Y 上的 Gallery3D 应用中的抛扔操作的帧时间（来源：英特尔公司，2011 年）
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作为对比，图 4 显示了在我们优化了设备 Y 之后抛扔操作的帧数据。显然，
所有指标都已改进，并且帧的时间分布变得更加均匀。
用户体验更多是用户输入所触发系统的动态转换。良好的用户体验通过用
户可感知的响应速度、流畅性、连贯性和准确性来实现。传统性能可以度
量用户交互链中的每个环节，而不能评估整个用户交互链。
图 3：优化之后设备 Y 上的 Gallery3D 应用中的抛扔操作的帧时间（来源：英特尔公司，2011 年）
需要注意的另一个重要事项是，用户体验是一个主观过程；只需想想在观
看影片或欣赏音乐时的体验。目前的学术研究使用了多种方法（比如眼球
跟踪、心跳监视或者仅仅投票）来理解用户体验。出于我们的软件工程用途，
为了系统地分析和优化用户交互，我们将交互场景分为 4 类：
• 从用户、传感器、网络等向设备的输入。此类别会评估输入是否可以触
发设备按预期的方式进行准确或模糊的操作。对于触摸屏输入，它计量
触摸速度、压力、范围等。
• 设备对输入的响应。此类别会评估设备对输入的响应能力。
• 系统状态转换。此类别专门评估屏幕上图形转换的流畅度。它可作为设
备响应某些输入的后续。
• 对设备的连续控制。人们操作设备不仅会提供单一的输入，而且有时还
会控制屏幕中的图形对象，比如控制一个游戏喷气飞机，或者拖动一个
应用程序图标。此类别用于评估设备的可控性。
在这些类别中，“该设备的输入”和“对设备的控制”与用户如何控制设
备的用户体验相关。“设备对输入的响应”和“系统状态转换”与设备如
何对用户做出反映相关。我们可将一个用户交互的生命周期与属于上述类
别建立对应关系；然后，针对每个案例，我们可识别软件栈中的关键指标
来进行度量和优化。
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用户交互优化
正如上一小节中所述，没有明确的客观方法来度量用户体验。我们在用户
交互度量中设定了以下标准：
• 可感知。指标必须可被人类感知。否则，它与用户体验是不相干的。
• 可度量。指标可以由不同团队进行测量。它不应依赖于只能由某些团队
测量的某些特殊的基础设施。
• 可重复。测试的结果应该能在不同测试中进行重复。测量中出现大的偏
差意味着不是一个好的指标。
• 可对比。度量的数据应可在不同系统之间进行对比。软件工程师可使用
这些指标对比不同的系统。
• 合理性。指标应有助于推断软件栈行为的因果关系。换句话说，指标应
与软件行为相对应，并可基于软件栈的执行进行计算。
• 可验证。可以使用指标来验证优化。优化之前和之后的度量结果应该能
够反映用户体验的变化。
• 可自动化。出于软件工程用途，我们要求指标能在大体上无人参与的情
况下进行度量。这在回归测试或预提交测试中特别有用。这条标准并不
严格要求，因为它与用户体验分析和优化没有直接关系。
以度量标准为引导，我们重点关注以下具互补性的用户体验：用户如何控
制设备以及设备如何对用户做出反应。用户如何控制设备主要有以下两个
测量范畴：
• 准确性 / 模糊性。该测量范畴评估了系统对来自屏幕、传感器和其他来
源的输入支持的准确性、模糊性、分辨率和范围。例如，系统能支持多
高的压力水平，抽样的触控事件坐标与指尖在屏幕上的移动轨迹能有多
接近，同时最多能抽样出多少个手指的操作，等等。
• 连贯性。该测量范畴评估了指尖与被拖动图形对象在屏幕中的拖动滞后
距离，还评估了用户操作与传感器控制的对象之间的连贯性，比如倾斜
控制的水流和设备斜角之间的角度差。
设备如何对用户做出反应有以下两个测量范畴：
• 响应速度。它评估输入传递到设备与设备显示可见响应之间的时间。它
还包括完成某项操作所花的时间。
• 流畅性。该范畴通过最大帧时间、帧时间波动、FPS 和帧丢弃率等来评
估图形转换的流畅性。正如我们所讨论过的，单独的 FPS 本身无法准
确反映用户体验的流畅度。
对于这 4 个测量范畴，当确定了一个要使用的具体指标后，我们需要理解
此指标与“好的”用户体验有何关联。因为用户体验是一个主观命题，很
大程度上取决于人类的生理状态和个人品味，所以在一个指标的哪些值能
构成“好的”用户体验方面并不总能得出科学的结论。对于这些情形，我
们采用的是行业经验值。表 1 提供了行业经验值的一些示例。
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表 1：用户体验的行业经验值的示例（来源：英特尔公司，2011 年）
由于人类的本性，在用户体验优化方面，软件工程师应注意以下两点。
指标的值通常在“好的”用户体验的范围内。比该范围“更好的”值不一
定会带来“更好的”用户体验。超出该范围限制的改进通常无法被用户感
知到。
这里的值仅是面向典型人群和常见情形的大致指导方针。例如，一位经验
丰富的游戏玩家可能无法满足于 120 fps 的动画。而另一方面，一个精心
设计的卡通影片可通过 20 fps 的动画提供完美的流畅性。
现在我们可为用户体验优化设定自己的方法。这些方法可概括为以下步骤。
第 1 步：从用户处收到用户体验观察报告或通过手动操作识别交互问题。
这可以在高速照相机或其他可用技术的帮助下完成。
第 2 步：定义能将用户体验问题转换为系统症状的软件栈场景和指标。
第 3 步：开发一个软件工作负载，以可度量和可重复的方式再现该问题。
该工作负载记录的度量标准值能反映用户体验的问题。
第 4 步：使用该工作负载和相关的工具分析和优化软件栈。该工作负载也
可以用来验证优化。
第 5 步：从用户那里获取反馈，使用该优化试用更多应用程序，以确保用
户体验的改进。
基于此方法，我们开发了一个 Android Workload Suite (AWS)[33]，它包含一
个 Android 设备的几乎所有的典型用例。我们还开发了一个名为 UXtune[34]
的工具包，协助软件栈中的用户进行交互分析。不同于传统的性能调优工具，
UXtune 将用户可见的事件与系统低层级事件相关联。在下一步中，我们会
将相关工作从 Android 移植到其他系统上。
针对用户体验的移动操作系统设计
基于我们在 Android 上的经验，我们发现用户体验优化在一定程度上类似
于并行应用程序优化，只是因为以下 4 个原因而更加复杂一些：
• 用户体验涉及到多个硬件组件、多个软件进程，以及它们之间的交互；
• 客户端设备上的用户体验必须考虑电力消耗，因为用户体验还包括电池
寿命和设备温度。
• 用户体验具有精确的时序要求，比如流畅性，用户期望无帧时间波动。
更快和更慢都不可接受；必需满足准确的时间点要求。这点更像一种实
时需求。
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• 用户体验有一些主观因素需要开发人员在移动操作系统设计中注意，比
如对用户体验而言某些动画是一种提示还是必不可少的，系统是否能通
过丢弃一些帧来获得更快的响应速度。
我们从经验中学到的一个重要教训是：要理解某些操作的关键路径。不同
于并行应用程序调优，移动操作系统的设计并不总是要求硬件组件和软件
线程之间严格的显式同步。例如：
• 每个应用程序使用一个事件循环来处理请求。当线程 A 有一个针对线
程 B 的请求时，它可能并没有直接调用该函数，而是向线程 B 发出一
条消息。然后该消息会在线程 B 的事件循环中排队等待处理。随后，
如果队列中有多个事件，事件的处理速度将会不受调用方的控制。
• 另一个示例是线程 A 执行一个操作序列，然后将一条消息发送给线程 B，
以便执行跟进操作并响应用户。不是线程 A 的所有操作序列都必须按
顺序完成。例如，它可以尽早地向线程 B 发出消息，这样线程 B 就可
以更早地响应用户。
在电源方面，一个主要观点是更快的用户体验不一定更好，这与传统性能
优化相反。当系统已达到用户可感知的最佳响应速度时，下一步优化是在
最佳可感知范围内越慢越好。例如，如果一个游戏能够以 60 fps 的帧速率
正常运行，那么移动操作系统应尝试保持 CPU 利用率和 CPU 频率尽可能的
低。我们必须始终明确区分这两种情况（越快越好和越慢越好）。针对这
两种情况的优化技术可能有很大的区别。
当引入多个核心和 GPU 时，上述两种情形就会变得更加明显。更多的核心
通常对“越快越好”情形有所帮助，但会损害“越慢越好”情形中的电池
寿命。移动操作系统必须通过一个智能策略来打开和关闭核心，因为打开 /
关闭延迟可能长于触摸操作的时间（通常需要 100 毫秒到 500 毫秒）。
对于并行应用程序性能调优，人们发现“执行重放”在调试中很有用。这
通常是一种多线程应用程序只使用一个进程的响应。对于用户体验而言，
通过 IPC 执行的跨进程交互，以及 CPU、GPU 和显示控制器 (DC) 之间的交互，
是一种系统范围的协作。传统的重放技术不起作用。
电源管理 (PM)
电源管理始终是移动操作系统设计人员的一个重要挑战，这个挑战将在以
后变得更加重要。随着为移动平台开发的高耗电应用程序越来越多，移动
设备上对电源的需求正在快速增长。但是，由于电池技术发展缓慢以及人
们想获得可放入口袋中的更时髦、更紧凑的小尺寸的事实，电池容量增长
绝不会无止境地持续下去。电源管理正成为移动设备上一个越来越复杂的
问题，需要采用一种整体方法来解决它。
处理器电源管理
过去十年，移动操作系统在电源管理领域取得了稳定的发展。最初，移动
操作系统电源管理关注的是处理器电源管理，因为处理器长久以来一直是
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总平台电量的最大消耗者。现代处理器支持动态频率和电压调整，比如增
强的英特尔 SpeedStep® 技术。这些处理器功能使得移动操作系统能够在运
行时基于目前在处理器上运行的工作负载所需的计算能力，动态地调整处
理器频率和 / 或电压。这在处理器运行时节省了大量处理器电源，因为其
使用的电源与核心电压的平方和频率成正比。Linux 内核中的 cpufreq 子系
统是在处理器运行时管理处理器电源的示例。除了动态频率和电压调整，
现代处理器通常支持多个处理器空闲状态，在这些空闲状态中会使用不同
的电量。空闲状态所占比率越高，可节省的电量就越多，但代价是更长的
进入和退出延迟。移动操作系统可基于预测的空闲比率，以及其他子系统
和用户空间实施的服务质量限制，引导处理器进入合适的空闲状态。Linux
的 cpuidle 子系统是在处理器空闲时对其进行电源管理的一个示例。
设备电源管理
移动操作系统电源管理工作的重点已转移到设备电源管理。具体而言，引
入了一种机制，在运行时管理 I/O 设备的电源。如果在运行时检测到相应
的设备处于空闲状态，那么 I/O 设备的运行时电源管理可自动让 I/O 设备进
入其所支持的合适的低功率状态。除了在 I/O 设备空闲时管理它们的功率
之外，还有一些技术创新可在 I/O 设备运行时节省它们的功耗。例如，现
代 GPU 开始支持类似于 CPU 中所提供的动态电压和频率调整。GPU 动态电
压和频率调整在一些情况下可将移动 3D 图形的电量消耗减少 50%。此外，
I/O 设备正变得更加智能，它们可以自己工作，不需要 CPU 干预。例如，
面板自刷新等技术可在图像静止时节省大量电量，比如用户在移动设备上
阅读电子书时。在这种情况下，可以让显示面板从本地内存进行渲染，传
统上讲，渲染显示界面时必须运行的许多硬件组件都可以关闭，这些组件
包括 CPU、内存、显示引擎和显示端口。
移动操作系统电源管理案例
在将设备运行时电源管理基础设施引入 Linux 内核之前，Android 就已获
得长足发展并变得很受欢迎，它引入了另一种称为 opportunistic suspend
的方法以期在 Android 设备上延长电池寿命。由于没有设备运行时电源管
理功能，Android 尝试在没有执行有趣的工作时强制性地暂停系统。这一点
体现在没有线程持有唤醒锁。
Windows 8 引入了一个称为连接待机的新的系统电源状态。不同于传统
的 S3 待机，Windows 8 待机会中止所有的系统活动，系统仍在极低功耗
状态下运行，这使用户能够始终获取最新的信息，比如他们的电子邮件。
Windows 8 连接待机基于处理器空闲电源管理和设备运行时电源管理技术。
Software hygiene 是基于暂停和基于空闲的电源管理方法的最具挑战的问
题，电池寿命高度依赖于这些系统上的应用程序行为。最近的一项研究表
明，空闲的 Android 应用程序通过在后台持有一个唤醒锁来阻止系统暂停，
将 75% 的电量浪费在了广告上。Windows 8 也是如此，其中一个毫无理由
保持繁忙的费电的应用程序将阻止整个系统进入连接待机电源状态。一些
人期望通过引入更强大的机制让系统电源管理变得更加健壮，甚至在面对
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这些费电的应用程序时也是如此，而其他人则认为部署这样一种机制只会
导致异常应用程序的激增。
开放性
移动操作系统的另一个主要趋势是开放性。在此上下文中，移动操作系统
的开放性表示人们出于自己的目的使用、贡献、自定义和创新移动操作系
统的机会和自由程度。已有一些工作 [6] 从开发人员角度研究了开放性。这
些工作确定了决定开发人员对平台开放性认知的各个方面。在这里，我们
从生态系统角度分析以下开放性趋势，因为我们相信开放性对支持和推动
移动生态系统的发展至关重要。
移动生态系统中的角色的开放性
移动生态系统中的角色包括 OEM（制造商，他们制造和销售移动设备）、
服务提供商（运营商，他们提供网络连接和其他增值服务）、使用者（最
终用户）、软件开发商（他们开发商用应用程序），以及来自社区的开发
人员（他们开发应用程序，甚至在移动操作系统是开源的时候为移动操作
系统的开发和演化做出贡献）。
移动操作系统的开放性对移动生态系统中的不同角色具有不同的意义。对
于运营商，移动操作系统的开放性决定了他们的服务可轻松地在不同的设
备上移植、迁移、部署和流畅运行。对于移动设备制造商，开放性决定了
他们能对移动操作系统本身进行多大程度的定制，以便能够跨平台运行，
并使他们的设备与众不同，更为重要的是，开放性决定了他们能否很容易
地制造出具有一致用户体验的设备。对于软件开发商和社区开发人员，开
放性决定他们能否轻松地开发具有其创意想法的新应用程序，以及他们如
何通过“编程一次，便可在不同设备上运行”的方法来最大化应用程序开
发的投资价值。对于最终用户或移动设备的使用者，开放性意味着他们能
否轻松地获得更多的应用程序，比如可从应用商店下载的丰富应用程序，
而无需太过担忧不一致的用户体验，以及跨设备应用程序的不兼容性。开
放性可能还为人们提供了在移动操作系统生命周期内，参与移动操作系统
本身的开发和演化的机会。
移动操作系统开放性的演化
两年前，大部分移动设备只是一部电话，人们通常将电话用于语音呼叫，用
作电话簿和用于收发文本消息。对于使用者，他们可使用的应用程序仅限于
从工厂发货时设备本身内置的应用程序。对于应用程序开发人员或第三方
ISV，如果与操作系统所有者之间没有合约，那么他们将无法访问任何源代码。
这样一种移动操作系统完全是一个封闭的系统，通常归移动设备制造商所有。
对于运营商，他们必须通过与操作系统开发人员紧密合作来实现他们的服务，
因为只有开发移动操作系统的人才知道如何开发应用程序。
后来，随着移动电话开始从特色电话过渡到智能电话，人们希望智能电话
能够做更多事情，比如浏览网页和播放音乐 / 视频，而不仅是拨打电话、
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存储联系人信息和发送文本消息。为了鼓励更多开发人员开发更多应用程
序来满足人们的需求，移动操作系统的创建者提供了一些 API 和相关的工
具（比如 SDK），使人们可为移动设备开发所有类型的应用程序。借助这
样的开放性，应用程序开发人员能够自由地为移动操作系统开发应用程序，
使得消费者可以购买和安装更多应用程序，而不再受到预先构建的应用程
序限制。因为应用程序开发人员和使用者能够从这样的开放性中获益，所
以提供一组 API 和一个 SDK 几乎成了大部分移动操作系统的“必备”要
求。来自苹果的 iOS 是提供这种开放程度的移动操作系统的一个优秀示例。
在最近几年，越来越多的移动操作系统将所有源代码公开，当然还提供了
API 和 SDK。任何人都有机会查看所有源代码，为该代码做出贡献，改进和
自定义移动操作系统本身。与仅提供 API 和 SDK 的开放程度相比，开源移
动操作系统可提供更多自由。对于移动设备制造商，他们可自由地基于开
源操作系统构建自己的移动操作系统，从而在不同设备上的平台上运行它。
对于运营商，他们可轻松地在运行开源和各种变体操作系统上跨设备构建
和部署他们的服务。对于开发人员，开源移动操作系统提供了他们轻松构
建其应用程序所需的一切。最终，移动设备的最终用户也可从此种程度的
开放中获益，因为他们有更多的应用程序和更多的运行平台可以选择。最后，
每个人都可自由地参与开源移动操作系统的演化和组建，这对来自世界各
地社区的人才非常有吸引力。Android 操作系统是开源移动操作系统的另一
个优秀示例。它在过去几年中取得的巨大成功以及它在智能电话市场中所
占份额的增长已向业界表明它有多么成功，并展示了作为一个开源移动操
作系统它是如何快速成长的。
总体来讲，未来的移动操作系统的开放性是一个关键因素，使得移动平台
对移动生态系统更加友好，这对应用程序开发人员和使用者特别具有吸引
力。移动操作系统开放性是互联计算的一个要求，互联计算期望大部分软
件只需构建一次，即可在多种不同设备上运行，并向最终用户提供一致的
用户体验。
云就绪性
云已被移动用户广泛使用，大部分云服务都以网站的形式呈现，通过在移
动浏览器上运行的浏览器访问。越来越多的云服务通过 Web 应用程序提供，
这些应用程序从应用商店安装，并可像本机应用一样在移动客户端上运行。
无论使用浏览器还是独立 Web 应用程序，在移动操作系统设计中都应考虑
以下方面。
HTML5 功能
对于要良好地集成云服务并提供良好用户体验的 Web 应用程序，HTML5 功
能是必不可少的。
使用的 Web 引擎：我们列出了主流移动浏览器上使用的 Web 布局引擎和
JavaScript 引擎。Chrome* 有潜力成为 Android 的默认浏览器，将它在桌面
上取得的成功带入移动领域。iOS 和 Android 中都使用了 Webkit。
表 2：Web 布局引擎、JavaScript 引擎和来自 html5test.com 的这些引擎的分数
（来源：[9]. * Tizen 1.0 的分数来自最新的 Tizen 开发设备，由英特尔公司测试。）
第三方浏览器处于困境，需要一种战略来拥有他们自己的主要移动操作系
统。Opera 和 Firefox 就处于这样的形势下。由于它们较难控制移动操作系
统的开发，如果内置的浏览器能够提供足够的 HTML5 支持，那么 Opera 和
Firefox 将很难轻松获胜。Firefox 依靠 Boot To Gecko 作为它的主要移动操
作系统。YouTube[10] 上的一段视频展示了 Asus EeePC 上的 Opera 操作系
统的预览。
移动操作系统供应商越来越重视 HTML5 支持，使得它成为一个核心竞争力。
浏览器供应商还在考虑使它成为移动操作系统中的默认设置的可能性。
Web 应用程序
Web 应用程序定义了使用 Web 技术开发的客户端应用程序。它提供了丰富
的特性，还提供了用于客户端开发的 API。Web 应用程序可安装在设备上，
甚至离线运行。Web 应用程序能够以本机应用程序的形式访问本地设备和
资源，并能在应用商店中销售，这很大程度上得益于云服务交付和结算。
Web 应用程序不仅仅是一个可从浏览器访问的 URL。相关的功能已在 W3C
中的多个工作组中定义。Web 应用程序工作组是与这些工作相关的核心。[11]
要启用 Web 应用程序，移动操作系统需要提供一个 Web 应用程序平台，
其中包括 Web 运行时、Web 框架和开发工具：
• Web 运行时提供了运行 Web 应用程序的核心功能。它源自浏览器，但
HTML5 测试网站 [9] 对各种移动设备上的浏览器对 HTML5 的支持进行了评
分。我们从表 2 中可以看到，iOS、Android 和 Windows Phone 都改进了其
浏览器功能，以便支持 HTML5。Google 让 Chrome 能够运行在 Android 4.0
上，展示了它想在移动操作系统中拥有领先浏览器的雄心。Tizen 是移动操
作系统运动中的新参与者，其开发设备在第一届 Tizen 开发人员大会上一
经发布即获得最高分数。我们可以很容易看到众多移动操作系统对 HTML5
支持的激烈竞争。
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能够与操作系统运行时更紧密地集成在一起。Web 运行时提供了一个
HTML5 引擎和 API 来访问本地设备。它还提供了与操作系统运行时紧
密集成的功能，这些功能包括应用程序生命周期管理（安装 / 更新 / 卸
载和启动）、操作系统集成（桌面集成、安全性策略、操作系统服务访
问）。
• Web 框架为 Web 应用程序开发提供了丰富的库。这方面的示例包括
jQueryMobile 和 Sencha。这些框架被广泛应用在 iOS 和 Android 中。
• 开发工具需要更灵活。开发工具多种多样，可依据 Web 应用程序开发
人员的偏好进行选择。开发工具可能是非常集中的 SDK 套件（比如最
近发布的 Tizen SDK 1.0[12]）、基于浏览器的 SDK 套件（比如 appMobi
XDK[13]）或只是一个工具集（比如最近在 01.org 上发布的 RIB 和 Web
Simulator[14][15]。
作为一种趋势，移动操作系统提供强大的高性能 Web 运行时、丰富的 Web
框架和灵活的开发工具。
安全性始终是云计算的一个重要主题。对于移动操作系统中的 HTML5 云集
成，必须提供以下特点：
• Web 运行时中的沙盒支持。Web 应用程序应在独立进程中运行，由
Web 运行时管理。浏览器或 Web 运行时中的沙盒已在大部分现代移动
操作系统中得到支持。
• JavaScript 代码保护。 JavaScript 是一种脚本语言，所以保护代码的最佳
方式仍然是在服务器端运行代码。
跨平台功能
HTML5 因其跨平台功能而著称。但事实上，不同的移动操作系统提供了不
同的 HTML5 支持，而且 HTML5 的标准化仍在进行中。开发人员已开发出
了 PhoneGap，通过提供自己设备的 API 来解决跨平台 HTML5 支持方面的
问题。苹果 iOS、Android 和 Windows Phone 都支持 PhoneGap。它在不断
演化并遵循 W3C。其他 Web API 提供商还在尝试将它们加入到 W3C 中的
HTML5 标准中。
拥有一个统一的 HTML5 标准是大势所趋，但这并不容易。在实现标准化之
前，移动操作系统供应商将以他们自己的方式实现自己的想法。苹果、谷
歌和微软都是 W3C 标准定义的积极参与者。对于其他移动操作系统供应商，
无论遵循 W3C 还是参与定义，都是让其移动操作系统能够存活下来的大势
所趋。
性能
在开始使用 HTML5 构建应用程序时，移动应用程序开发人员抱怨最多的就
是性能。要在移动领域真正获得成功，HTML5 需要针对移动设备进行优化，
这是它要做的最重要的工作。我们认为以下是要针对移动操作系统进行优
化的最重要的领域：
• 硬件加速。图形和视频应通过硬件进行加速。WebGL 已在越来越多的
13 | 移动操作系统架构的趋势
英特尔® 技术期刊 | 2012 年，第 4 期，第 16 卷
平台上启用。
• 多线程支持。Web Worker 线程应当作为 HTML5 中的一项关键特性而获
得支持。
• JavaScript 引擎优化。 JIT（即时功能）已在 SFX 和 V8 上启用。
• 本机或混合应用程序支持。重用现有本地库的功能将是支持 Web 应用
程序的另一种方法。Android NDK 提供了这样一种功能，并在 Android
应用程序中被广泛应用。但在 Web 应用程序上，它还没有得到广泛的
应用。Chromium 提供的 NaCL 是支持该 NDK 的一个选择。
云集成
除了 HTML5 提供的强大功能之外，云和客户端之间的无缝集成更为重要。
它不仅可用于 Web 应用程序，还可用于本机应用程序。集成的重要原因包
括：
• 云存储无缝集成。客户端应像使用它的本机存储一样使用云存储。这需
要云存储客户端紧密地集成到移动操作系统中。苹果已将 iCloud 深度集
成到 iOS 5 中。Google Drive 已集成到谷歌的 Web 服务中。
• 云 API 可访问性。在云客户端，移动操作系统应提供强大且易于使用的
库，供 Web 和本机应用程序访问云客户端 API 使用，这些库通常包括
RESTful、SOAP 或 Query API。
• 帐户管理。借助云集成，多个具有单一帐户的客户端可共享云，且可以
实现对同步的管理。帐户应紧密集成到移动操作系统中，并提供帐户
API，让应用程序能够安全地访问相应的云服务和本地资源。同步和通
知是移动操作系统中扩大云集成可用性的重要特性。
讨论和总结
在本节中，我们首先讨论当今市面上主要的移动操作系统，然后总结本文。
苹果 iOS
苹果是移动操作系统设计领域的领导者。它的 iPhone* 和 iPad* 在短短几年
间就已流行全球。这两款产品都使用了苹果 iOS。
用户体验：iOS 提供了良好的性能，通常被设定为其他移动操作系统的基准。
苹果在不断增强用户体验。iPhone 4S 与前几代产品相比具有更好的性能提
升，尤其是互联网和浏览器方面。[1] 随着更多新特性的增加，iPhone 4S 也
增加了更多的性能要求。一项非官方的研究 [1] 表明，在 iPhone 3GS 上从
iOS 4.x 升级到 5.x 之后，用户体验会下降。
电源管理： iOS 电源优化似乎无法跟上新特性对功耗的更高需求。一家移动
网络管理公司 Arieso 估计，iPhone 4S 用户的数据流量是以前的 iPhone 型
号的两倍，原因在于更多在线服务的使用，比如虚拟个人助理 Siri，它无疑
会消耗更多的电量。[3]
开放性： iOS 被认为一种封闭的移动操作系统。研究工作 [6] 定义了一个感
知平台开放性 (PPO) 的概念，在此概念下一个平台的开放程度取决于开发
移动操作系统架构的趋势 | 14
英特尔® 技术期刊 | 2012 年，第 4 期，第 16 卷
人员对它的感觉。
云就绪性：具有 HTML5 支持的 iOS 5.0 ，使其成为一个优秀的云客户端，
iCloud 已默认集成为存储设备。
Google Android
Android 是目前流行的面向移动设备的操作系统，由谷歌领导的开放手机联
盟开发。Android 开源项目的目标是创建一个现实世界的成功产品，改善最
终用户的移动体验。[16]
用户体验：Android 用户体验团队定义了一组设计原则 [17]，具有 3 个总体
目标：“让我着迷”、“简化我的生活”和“让我惊喜”。[18] 最新的 Android
和 iOS 设备在一组关于电池寿命的基准测试中获得了相似的结果。[19]
电源管理：当未被持有唤醒锁的模块阻止时，Android 会积极地暂停设备以
节省电力。[20] 但是，Android 允许第三方应用程序在后台运行，这些应用
程序可能没有充分的理由就持有这样一个唤醒锁，从而悄无声息地消耗电
力。
安全性：每个应用程序在一个沙盒环境中运行，以便在 Android 中强制实
现安全性，这通过为每个应用程序分配惟一用户 ID 并在该用户位于一个独
立进程中运行该应用程序来实现 。 [21]
开放性：依据 Apache 许可，谷歌发布了开源的 Android 代码，Android 开
源项目是进行 Android 开发和维护的地方。但是，谷歌通常与选定的制造
商合作，为每个新版本的 Android 打造一款旗舰设备，而新代码仅在该设
备发布后才会公开。碎片化成为 Android 生态系统中一个越来越重要的问
题。Android 维护着 Android 兼容性计划，提供兼容性测试套件来保证为
Android 开发的应用程序能在每个 Android 设备上运行。
云就绪性：尽管谷歌在云领域遥遥领先，但没有像苹果对 iCloud 所做的一
样推出一个全面的解决方案。
Microsoft Windows Phone
微软发布了它最近重新设计的名为 Windows Phone 的移动操作系统。基于
他们在 Windows Mobile 6.5 与 Windows Phone 7 之间的设计变化，这个新
操作系统的一些特征得以公开。
用户体验：随着基于触摸屏的用户交互取代以前的手写笔输入，微软决定
打破 Windows Phone 和 Windows Mobile 之间应用程序的兼容性。[23] 类似
于 Android 的 AppWidget 设计，Windows Phone 为主屏幕发明了 Live Tiles
的概念。[28]
电源管理：类似于它的安全性设计，Windows Phone 对电池寿命的设计很
大程度受益于其 Windows CE 和 Windows Mobile 体验。一个特殊考虑因素
是，Windows Phone 选择黑色作为主要的默认颜色主题，因为黑色像素不
会发光，所以可以节省 OLED 屏幕的功耗。[32]
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英特尔® 技术期刊 | 2012 年，第 4 期，第 16 卷
安全性：Windows Phone 的设计已从初期 Windows Mobile 面向企业的设计
转变为面向最终用户的设计。为企业产品积累的安全性经验仍然有用。[31]
开放性：在 Windows Phone 上市销售之前，Microsoft 发布了它的 SDK，
让开发人员能够为新操作系统编写程序。[24]Windows Phone Marketplace
向 35 个不同的国家 / 地区提供了它的服务。[25] 当前的编程语言是 C# 和
Visual Basic。这些对任何 Windows 开发人员都毫不意外，因此语言的学习
曲线预计将很平缓。
云就绪性：Windows Phone 正在快速实现云就绪性。Windows Phone 8 集
成了 Internet Explorer 10，据称该浏览器具有全面的 HTML5 支持，并支持
在多个选项卡中并行加载页面。[29] 除此之外，Skype 可以深度集成到操作
系统中。[26]Windows Phone 中的一个新概念是中心 (hub)，它将各种类似的
服务特性聚合到一个中心内。这可以显著改善手机的云服务用户体验。[27]
此外，Windows Phone 的软件框架设计包含两部分：屏幕和云。云部分是
专门为“开发人员门户服务”和“云服务”而设计的。
在本文中，基于我们所开发的分析模型，我们分析了移动操作系统设计的
几个主要方面，包括用户体验、电池寿命、云就绪性、安全性和开放性。
这些应该是下一代移动操作系统设计的重点领域。
未来的移动操作系统同样依赖于可用的硬件设计。我们相信，成功的移动
系统是软件和硬件的共同设计与互联网的进步相结合的结果。
参考资料
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iphonedownloadbolg.com.
[2] http://www.anandtech.com/show/4951/iphone-4s-preliminary-
benchmarks-800mhz-a5-slightly-slower-gpu-than-ipad-2
[3] http://www.arieso.com/news-article.html?id=89
[4] http://www.apple.com/iphone/business/docs/iOS_Security_Mar12.pdf
[5] http://www.techrepublic.com/blog/security/comparing-android-and-ios-
security-how-they-rate/5774
[6] http://www.user.tu-berlin.de/komm/CD/paper/090322.pdf
[7] http://www.apple.com/icloud/
[8] http://www.networkworld.com/community/blog/apples-ios-5-and-cloud
[9] http://html5test.com/results/mobile.html
[10] http://www.youtube.com/watch?v=mWSPNDD0tek
[11] http://www.w3.org/2012/webapps/charter/Overview.html
[12] https://developer.tizen.org/sdk
移动操作系统架构的趋势 | 16
英特尔® 技术期刊 | 2012 年，第 4 期，第 16 卷
[13] https://chrome.google.com/webstore/detail/onmkoldigcfmebcinpmineo
adckalllb
[14] https://01.org/projects/rapid-interface-builder-rib
[15] https://01.org/projects/web-simulator
[16] https://www.mylookout.com/mobile-threat-report
[17] http://www.juniper.net/us/en/local/pdf/additional-resources/jnpr-2011-
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[18] http://webupon.com/security/information-systems-attacker-
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[19] http://source.android.com/tech/security/index.html
[20] http://www.w3.org/2011/webappsec/
[21] http://www.trustedcomputinggroup.org
[22] http://www.globalplatform.org/specifications.asp
[23] http://channel9.msdn.com/Events/TechEd/NorthAmerica/
2010/WPH201
[24] http://www.engadget.com/2010/09/16/microsoft-demoes-twitter-
and- netflix-apps-for-windows-phone-7-r/
[25] http://windowsteamblog.com/windows_phone/b/windowsphone/
archive/2011/07/06/windows-phone-around-the-world-language-
support-in-mango.aspx
[26] http://wmpoweruser.com/microsoft-reps-claiming-windows-phone-8-
definitely-coming-to-second-gen-handsets-probably-to-first-gen/
[27] http://www.engadget.com/2010/03/18/windows-phone-7-series-the-
complete-guide/
[28] http://www.engadget.com/2010/02/15/windows-phone-7-is-official-
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[29] http://pocketnow.com/windows-phone/exclusive-windows-phone-7-
web- browser-comparison
[30] http://arstechnica.com/microsoft/news/2011/04/windows-phone-7-
mango-one-heck-of-an-upgrade.ars
[31] http://arstechnica.com/microsoft/news/2010/03/windows-phone-7-
series- in-the-enterprise-not-all-good-news.ars
[32] http://www.neowin.net/news/interview-windows-phone-7-battery-life-
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17 | 移动操作系统架构的趋势
英特尔® 技术期刊 | 2012 年，第 4 期，第 16 卷
[33] http://software.intel.com/en-us/articles/aws-android-workload-suite-
for- user-interaction-measurement/
[34] http://software.intel.com/en-us/articles/quantify-and-optimize-the-
user- interactions-with-android-devices/
作者简介
Xiao-Feng Li ([email protected])：英特尔公司系统软件优化中心架构
师。Xiao-Feng 在英特尔工作了 12 年，在并行系统、编译器设计和运行时
技术上拥有丰富的技术经验，他在英特尔撰写了大约 20 篇学术文章并获
得了 10 项美国专利。两年前，Xiao-Feng 开始了在英特尔平台上实现最佳
Android 用户体验的评估和优化工作。在加入英特尔之前，Xiao-Feng 是诺
基亚研究中心的一名技术经理。Xiao-Feng 拥有计算机科学专业的博士学
位，是 Apache Software Foundation 的一名成员。他的个人主页是 http://
people.apache.org/~xli。
Yong Wang ([email protected])：英特尔公司开源技术中心的高级软件
工程师。他已在英特尔工作了 7 年，参与过各种项目，其中包括虚拟化、
可管理性、OSV 支持等。最近，Yong 在研究针对广泛的移动操作系统（比
如 Moblin、Meego、Tizen 和 Android）的电源管理。Yong 毕业于北京航空
航天大学，拥有计算机科学专业的硕士学位。他在闲暇时喜爱体育运动和
阅读。
Weihua Jackie Wu ([email protected])：英特尔公司开源技术中心工程部
经理，领导一个专注移动操作系统和 HTML5 工具开发的团队。在这之前，
Jackie 是一位研究工程师，致力于无线网络和高能效通信方面的工作。在
2004 年加入英特尔之前，Jackie 在中国科学院开发嵌入式操作系统和智能
手机产品。Jackie 分别于 1999 和 2002 年获得了北京航空航天大学工程机
械专业的学士和硕士学位。他拥有两项正在申请的美国专利。
Kerry Jiang ([email protected])：英特尔公司系统优化技术中心 (SOTC)
的软件工程师。Kerry 已在英特尔工作了 8 年，其中 4 年参与了 IA 上的开
源移动操作系统软件栈的研究，这包括 Android 的优化和 MeeGo SDK。在
加入英特尔之前，Kerry 在摩托罗拉从事移动平台和 2G 无线基站软件开发。
Kerry 拥有电子工程专业的硕士学位。
Bingwei Liu ([email protected])：英特尔公司开源技术中心的工程经理。
Bingwei 在英特尔已工作了 11 年，在 Linux 操作系统、开源软件和系统工
程领域有丰富的经验。他的工作范围涵盖从企业到客户端平台，目前他主
要致力于移动操作系统研究。Bingwei 拥有计算机科学专业的硕士学位。
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