CN1514379A - 具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置及扩展方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置及其扩展方法。它包括一个中央处理器,系统总线,一个LCD控制器及液晶屏、一个内部存储器,一个程序存储器、一个电源控制器、一个键盘控制器和至少一个通用接口;该LCD控制器、内部存储器、程序存储器、电源控制器、键盘控制器和通用接口分别通过该系统总线与中央处理器连接;该中央处理器为基于SoC结构的嵌入式微处理器;该程序存储器为Flash,该内部存储器为SDRAM。该装置可以满足移动用户对信息的获取和处理的需求。与之配套的扩展方法使操作系统始终保持在最精简的模式,从而使整个装置的运行效率和工作速度始终保持最高。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动信息装置及其扩展方法,特别涉及一种运行于嵌入式系统软件平台之上,基于嵌入式处理器和通信模块,具有开放平台体系结构的多媒体移动信息装置(以下简称为嵌入式移动信息装置),也涉及到针对该装置的特有的扩展方法,属于通信技术领域。
背景技术
随着现代通信和计算机技术的快速发展,出现了各种各样的新型移动信息装置,如移动电话,掌上电脑,个人数字助理(PDA)等。这些移动信息装置大多是由各个生产厂商自行制订接口标准,往往彼此不兼容,同时,为了防止泄露自己的技术秘密,各厂商大多将这些装置设计成完全封闭的体系。这样一种完全封闭的体系使移动信息装置的功能只能由内部已经固化好的应用程序设置决定,无法再进行升级,用户也无法根据自己的个性化需要和移动电子商务的特殊需求来改变或定制应用程序。毫无疑问,这会给用户带来了相当大的不便。
嵌入式系统的出现为上述问题的解决带来了机遇。嵌入式系统是指由微处理器芯片实现的小型专门化的计算机系统,主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成,它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”,典型的如微控制器、微处理器和数字信号处理器(DSP)等。现有的手机、PDA等均属于手持的嵌入式产品,VCD机、机顶盒等也属于嵌入式产品,而像车载GPS系统、数控机床、网络冰箱等同样都采用嵌入式系统。
对于目前发展迅速的手持嵌入式产品来说,其最关键的核心技术就是嵌入式操作系统。目前,现有的针对移动信息装置的嵌入式操作系统主要有以微软公司的Win CE,Palm公司的Palm OS为代表的专用嵌入式实时操作系统和以开放源代码为特征的Linux操作系统。
相比较而言,Linux操作系统由于其源代码完全公开,人们可以任意修改,以满足自己的应用,并且发现差错也很容易,并且极大提升了操作系统整体安全性,很难将后门置入Linux中,所以尤其适合军方和政府在安全性非常关键的一些场合。
Linux遵从GPL版权,无须为每例应用交纳许可证费,具有价格上的巨大优势。另外,Linux有大量的免费的优秀的开发工具,且都遵从GPL,是开放源代码的;有大量的应用程序和硬件驱动程序可用,其中大部分都遵从GPL,是开放源代码和免费的,可以稍加修改后应用于用户自己的系统;有庞大的开发人员群体,软件的开发和维护成本不高。它还具有优秀的网络功能,这在Internet时代尤其重要。
本嵌入式移动信息装置的发明人针对Linux操作系统的特点和产品的实际需要,开发出了适合于本嵌入式移动信息装置的操作系统,并将之命名为eMotion OS,它已获得软件著作权登记。该系统基于嵌入式Linux操作系统,100%兼容Embedded Linux Consortium平台规范。eMotion OS天然具有了Linux操作系统架构轻、模块化、多任务、容易量身修改等优点,具有安全稳定、功能强大、占有最小空间,同时具有高度的可定制性和可移植性,作为多任务、多线程、多用户的操作系统,支持多种文件系统,多种设备驱动,多种进程通讯方式和众多的开发人员储备,并且对Linux上的大量应用程序是ABI二进制完全兼容的。上述操作系统的开发成功为本发明所述的具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置的顺利运行提供了软件上的支持。
发明内容
本发明的目的在于针对市场上对开放平台体系结构移动信息装置的需求,提供一种具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置。该装置是一种平台类产品,主要是为第三方作二次开发提供技术平台。它采用业界流行的嵌入式处理器和通讯模块,并在自主开发的基于Linux的操作系统上运行,具有极强的功能扩展性。
本发明的另一个目的在于提供一种基于上述具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置的扩展方法。该方法可以使本嵌入式移动信息装置的功能根据实际需要得到扩展,而这种扩展是根据功能扩展的实际需要增加新的驱动程序。
为实现上述的发明目的,本发明采用下述的技术方案:
一种具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置,其特征在于:其包括一个中央处理器,系统总线,一个LCD控制器及液晶屏、一个内部存储器,一个程序存储器、一个电源控制器、一个键盘控制器和至少一个通用接口;该LCD控制器、内部存储器、程序存储器、电源控制器、键盘控制器和通用接口分别通过该系统总线与中央处理器连接;该中央处理器为基于SoC结构的嵌入式微处理器;该程序存储器为Flash,该内部存储器为SDRAM。
一种基于上述具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置的扩展方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
(1)在计算机上将支持新功能的程序与实现本装置基本功能的操作系统结合起来,组成一个新的操作系统;
(2)将步骤(1)获得的新的操作系统转化为二进制码;
(3)将步骤(2)获得的二进制码写入本嵌入式移动信息装置的Flash中;
(4)重新启动本嵌入式移动信息装置。
本发明所述的具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置具有极强的功能扩展性。它在提供移动用户基本通讯功能的基础上,利用其强大的计算能力及内嵌的通讯模快,还可以为用户提供多媒体信息处理,娱乐、游戏及移动办公,网络浏览及邮件收发等功能,从而满足移动用户对信息的获取和处理的需求。与之配套的扩展方法不会使本装置的操作系统增加不必要的驱动程序,操作系统始终保持在最精简的模式,从而使整个装置的运行效率和工作速度始终保持最高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
图1为本发明所述的具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置的硬件总体结构框图。
图2为存储器接口的连接示意图。
图3为LCD控制器的连接示意图。
图4为音频控制器的一个实施例的连接示意图。
图5为无线通信模块的接口示意图。
图6为USB控制器的连接示意图。
图7为网卡控制器的连接示意图。
图8为电源控制器进行系统供电的示意图。
图9是通用接口的示意图。
图10为PCMCIA接口的连接示意图。
图11为JTAG调试接口的连接示意图。
图12为数字相机接口的连接示意图。
图13为MMC/SD接口的连接示意图。
图14为本发明所述的嵌入式移动信息装置运行时采用的嵌入式系统软件平台的体系架构图。
图15为基于本嵌入式移动信息装置的扩展方法的流程图。
具体实施方式
前已述及,本嵌入式移动信息装置是一个平台类产品。如图1所示,它包括CPU、液晶屏、内部存储器、程序存储器、键盘、多媒体卡、LCD控制器、USB控制器、串口控制器、蓝牙控制器、红外控制器、电源控制器、网卡控制器、音频控制器和无线通信模块,此外,它还具有四个通用接口。CPU接入系统总线,液晶屏经过LCD控制器也接入系统总线中。上述的内部存储器、程序存储器、键盘、多媒体卡、电源控制器和四个通用接口也接入系统总线。它们和前述的CPU、液晶屏、LCD控制器一起组成一个最小系统。这一系统是第三方进行二次开发的基础。第三方在进行二次开发时,根据所欲开发产品的实际需要通过系统总线增加新的模块,从而增加相应的功能,如上面所提到的USB控制器、串口控制器、蓝牙控制器、红外控制器、网卡控制器、音频控制器和无线通信模块等都是可以选择安装的。第三方在开发具体产品时,例如开发成一个具有无线上网功能和手写识别功能的PDA,则根据PDA产品的实际需要,通过总线连接实现PDA功能的具体模块,如USB控制器、蓝牙控制器、红外控制器、网卡控制器、音频控制器和无线通信模块等,同时还加上手写识别模块,并将液晶屏换成可进行手写识别的触摸屏。在本嵌入式移动信息装置中,在系统总线上已经预留有上述的USB控制器、串口控制器、蓝牙控制器、红外控制器、网卡控制器、音频控制器和无线通信模块的接口,同时,为了功能扩展的需要,还留有四个通用接口。这四个通用接口可以接新增的功能扩展模块,从而实现产品功能的扩展。关于这一点,下面还将详细说明。
上述的CPU为基于SoC结构的嵌入式微处理器,其内部集成有SDRAM,内嵌蓝牙协议。它可以是Intel公司提供的PXA250处理器或者后续的PXA261或PXA262微处理器,其最高主频可达400MHz。随着Intel在无线通讯市场上投入力度的加大,其基于xScale核的嵌入式处理器PXA250以及后续的PXA261和PXA262已被多数设计公司所采纳用来进行嵌入式移动信息装置和Smartphone的设计。这就使得各大移动信息装置生产商可以在一个统一的平台下进行相关产品的开发和生产。因此,我们可以基于这样一个嵌入式处理器开发出一个能提供基本的功能,同时又具有良好扩展性的嵌入式移动信息装置基础平台,别的厂商在这一平台上还可以进行二次开发,并根据市场需要添加各种新的功能,最终成为满足市场需求的移动信息装置产品。
上述的程序存储器为Flash,它的作用相当于计算机中的硬盘。而内部存储器为SDRAM,它用于程序运行。图2为存储器接口的连接示意图。SDRAM至多划分为四个区:0区、1区、2区、3区,各区分别与PXA250存储控制器接口连接。缓冲收发器(BUFFER AND TRANSCEIVERS)通过数据线MD<31:0>和地址线MA<23:0>与PXA250存储控制器接口连接。用于连接FLASH/ROM/SRAM的6个静态存储接(STATIC BANK)也与PXA250存储控制器接口连接。上述的Flash是32M,使用nCS<0>,在空间启始地址0x00000000。上述的SDRAM大小为64M,使用nSDCS<0>,空间启始地址0xA0000000。
图3为LCD控制器的连接示意图。系统总线接LCD DMA控制器,该控制器将控制信号输入INPUT FIFOS。INPUT FIFOS处理后,向调色RAM输出的编码像素数据,经调色RAM处理后的原色像素数据和直接来自INPUTFIFOS的原色像素数据处理后形成串行信号,经OUTPUT FIFOS输出到显示端。Pxa250可驱动各种形式的LCD,包括彩色或单色LCD,STN或TFT。Pxa250驱动STN-LCD无需辅助电路,驱动TFT-LCD需外加时续控制电路,灰度驱动电路;LCD驱动内部各寄存器起始地址0x4400 0000。
图4为音频控制器的一个实施例的连接示意图。在这个实施例中,所使用的音频控制器为AC97接口。触摸屏和音频装置接AC97解码器,并连接AC97控制器单元。AC97接口外接音频解码器。该音频解码器连接音频输出放大及音频输入预置放大电路,其AD功能用于触摸屏的输入。在本实施例中,选用Philips公司芯片UCB1400,用以完成音频输入、输出转换及触摸屏AD转换输入,完成MP3播放、放映Flash时的声音播放、录音输入、触摸屏AD转换等功能。
图5为无线通信模块的接口示意图。本实施例中,Pxa250的全功能串口FF-TXD、FF-RXD、FF-DTR、FF-DSR、FF-RTS、FF-CTS分别与无线通信模块的接 RXD、TXD、DSR、DTR、CTS、RTS相连接。该无线通信模块采用Wavecom公司WISMO2C-2无线调制解调器或其更新产品。调制解调器可以外接状态指示灯、喇叭、麦克风及蜂鸣器等外围设备,从而完成GPRS无线上网、通话、收发短信、收发传真、来电震铃等功能。上述Pxa250的全功能串口各数据的起始地址是0x4010 0000。
图6为USB控制器的连接示意图。本实施例中的USB控制器工作于客户端模式,使用一个IO口GPIOn来检测是否有主机与之连接,使用另一个IO口GPIOx来提供主机所需的连接信号。控制USB控制器操作过程的各寄存器起始地址是0x4060 0000。此USB控制器提供的USB接口用于大量数据、程序的下载。
图7为网卡控制器的连接示意图。网卡的地址信号MAO-25、数据信号MDO-31、READY信号、INT1及INT2输入Pxa250。Pxa250向网卡输出数据信号MDO-31、NCSO-5、NOE、NEW、NPWE、RESET信号。网卡接口分配有一个静态存储地址空间(nCS1~nCS5),并提供有两条中断请求控制线INT1及INT2,用于网卡接收数据的读取。本实施例中,网卡选取SMC公司的“91C96”芯片。
图8为电源控制器进行系统供电的示意图。电池电压经稳压调节后,输出0.8~1.1v到Pxa250。电池电压经稳压调节后,输出3.3v用于系统供电。电池电压经LCD电荷泵调节后输出5v、12v及-12v,用于LCD的供电。电池电压直接对无线调制解调器进行供电。本系统可以使用充电控制芯片对电池充电进行调节。
图9是通用接口的示意图。这一通用接口是这样的:它具有40根针,分为两排排列,每排为20根。其中位于上面一排的20根针中,其左右两端的两根针为电源端,而位于下面一排的20根针中,其左右两端的两根针为GND。中间的36根针中,有上下两排各10根针接JTAG仿真口的20个管脚,旁边的上下两排各2根针接图6所示的USB接口,以实现USB接口功能,中间有8根针为地址线。外接的新设备可以通过USB接口实现标准的连接。如果不是标准接口,也可以利用JTAG仿真口实现相应的连接,从而体现出接口的通用性。由于地址线只有一组,地址是唯一的,JTAG仿真口和USB接口不会发生地址上的冲突。
本嵌入式移动信息装置中的键盘控制器、多媒体卡、蓝牙控制器、红外控制器等都是标准组件,连接方式也是标准的公知技术,在此不累述。为了实现功能的扩展,它还可以通过总线连接PCMCIA接口,JTAG调试接口,数字相机接口,MMC/SD接口等,下面分别加以说明。
图10为PCMCIA接口的连接示意图。该PCMCIA接口电路采用标准设计,为公知技术,在此不累述。该PCMCIA接口外加缓冲器以驱动地址总线、数据总线和控制总线。该PCMCIA使用PSKTSEL寻址,空间启始地址0x20000000,用于外扩展Wireless LAN模块、Compact Flash卡等设备。
图11为JTAG调试接口的连接示意图。该JTAG调试接口的端口3连接MAX823专用IC复位电路的MR端,以提供nTRST信号。该JTAG调试接口可以外接电平转换电路,用以从PC机串口向系统的FLASH写入程序。
图12为数字相机接口的连接示意图。数字相机的接口CLK、FRM、RXD、TXD分别连接Pxa250的SSP接口上的SSP-SCLK、SSP-SFRM、SSP-TXD、SSP-RXDT。而且,Pxa250的SSP-EXTCLK接口与振荡器连接。由于Pxa250没有专用数字相机接口,所以可选SSP接口为一种解决方案。SSP接口最高速率为1.8432MHz,可设置为SPI接口与外置数字相机相连。
图13为MMC/SD接口的连接示意图。Pxa250设置有专用MMC接口,同时可连接成Sd接口。此部分用于完成与嵌入式卡的接口功能。此接口是现有标准,所以不再累述。
上文对本嵌入式移动信息装置所涉及的硬件部分作了介绍,下面对本装置所使用的嵌入式操作系统以及与之相配套的扩展方法作一说明。
图14为本发明所述的嵌入式移动信息装置运行时采用的嵌入式操作系统的体系架构图。该操作系统共由10个模块层组成。其具体描述如下:结构(1)是硬件抽象层。硬件抽象层是构架在硬件基础平台(0)之上的,采用驱动程序的方式提取出一层公共的硬件模式和编程接口。硬件抽象层作为系统调用被以上各层结构所用。硬件抽象层可以使用结构(10)来实现一些具体的硬件功能。
结构(2)和结构(3)组成了操作系统层。结构(2)是实时性内核,用来实现与实时性相关的各种实时性响应。结构(3)是非实时性内核,即传统的操作系统内核,用来实现各种非实时性功能,例如各种丰富的数据业务等。结构(2)和结构(3)是整个嵌入式开放平台体系结构的核心之一,采用共享内存方式通信,调用硬件抽象层的接口,充分利用硬件功能,并且为软件系统各层结构提供动态系统调用和编程接口。结构(2)和结构(3)可以使用结构(10)来实现一些具体的操作系统功能。
结构(4)是协议对话层。协议对话层构架在由结构(2)和结构(3)组成的操作系统之上,包含各协议栈,所有协议栈都是可以动态加载的。这些协议都是指构架在传输控制协议/网际协议之上的应用级协议。协议对话层是应用程序网络化的纽带,采用结构(2)和结构(3)的系统调用来完成底层通讯,并且为系统各层结构提供动态连接库和应用编程接口。协议对话层可以使用结构(10)来实现一些具体的协议栈。
结构(5)是应用构架层。应用构架层可以构架在结构(4)协议对话层之上,也可以直接构架在结构(2)和结构(3)组成的操作系统之上。应用构架层是所有应用功能的组成框架,包括系统资源管理器,应用程序管理器,应用程序信息数据库和多语言映射等。应用构架层通过系统调用或动态连接库来使用结构(2)和结构(3)组成的操作系统或协议对话层(4),并且提供给各种应用以应用模式或编程接口。应用构架层可以使用结构(10)来实现一些具体的应用功能。
结构(6),结构(7),结构(9)是构架在结构(5)应用框架层之上的具体应用模块。例如,同时支持无线应用协议与超文本传输协议的浏览器,用于解释应用程序的虚拟机等等。结构(8)代表与结构(6),结构(7)类似的其他应用程序模块。结构(6),结构(7),结构(8),结构(9)都遵从结构(5)的应用框架,采用动态连接库和系统编程接口的调用来访问协议会话层与操作系统层。结构(6),结构(7),结构(8),结构(9)可以使用结构(10)来实现一些特殊的应用。
结构(10)是一些公共的控件和编程接口,例如文件的串行化编程接口等。结构(10)可以被结构(1)到结构(9)的某些结构所采用,也可以被结构(1)到结构(9)的全部结构所用,极大的方便了系统调试的需要。
本嵌入式操作系统是模块式的、硬实时嵌入式操作系统,服务于空间占有量较小和移动的32位嵌入式移动装置,在此基础上可以开发丰富的应用程序和服务。它的内核支持可抢占式硬实时调度,通过对事件的确定响应可靠的执行时间敏感的任务。为了体现嵌入式设备的高效性、对外界输入、或者动作的迅捷,它配备了由优先级驱动的实时调度器。Linux中有三个不利于实现实时性的弊病:1、中断封锁时间过长;2、非抢占式的Linux内核;3、耗尽式的、机会均等的进程调度策略。针对上面三个问题,本操作系统中把内核中的sched.c替换成了rtsched.c,对于不同的进程,实时调度器根据进程是否有实时性需求不同对待。对于无实时性需求进程,仍按Linux原有的进程调度策略进行调度;而对于实时性进程,则按照优先级驱动的原则在时间片和资源分配上进行更加高响应速度的调度,如抢占式。本操作系统采用关键应用内核线程化,可以让关键应用线程运行在内核模式,优化性能,提高关键应用的性能和实时性。因为本操作系统改良的实时性支持、丰富的嵌入式功能、增强的Internet性能和先进的应用程序服务,开发人员可以通过与之配套的SDK创建或定制的智能无线装置设备。
图15为基于本嵌入式移动信息装置的扩展方法的流程图。对于本嵌入式移动信息装置而言,其功能的扩充除了在硬件方面增加新的功能模块外,在软件上也要增加相应的设备驱动。对于传统的基于Windows操作系统的信息装置如计算机而言,其增加设备驱动的方式是将驱动程序输入操作系统,由操作系统进行识别,配置和管理。由于操作系统要识别如此众多的设备驱动,因此其自身数据量十分庞大,往往有数百兆,而其中的绝大部分基本上是无用的。这就造成了计算机的速度变慢,运行效率降低。而对于本嵌入式移动信息装置而言,这种模式显然是不可取的。因为本装置中的程序存储器是Flash,其容量有限,加之本装置是面对第三方进行二次开发,需要扩展的功能是有限的,也是固定的。而本操作系统是基于Linux的,它采用如前所述的严格分层管理和模块化设计,对本装置的基本功能而言,其所用的“最小”操作系统可以很小,只要几兆即可,而针对新的功能的驱动则是根据需要随时添加到这个“最小”系统中,因此,本嵌入式移动信息装置扩展方法的具体步骤是如下所示:
(1)在计算机上将支持新功能的程序与实现本装置基本功能的操作系统结合起来,组成一个新的操作系统;
(2)将步骤(1)获得的新的操作系统转化为二进制码;
(3)将步骤(2)获得的二进制码写入本嵌入式移动信息装置的Flash中;
(4)重新启动本嵌入式移动信息装置。
对于新增功能是通过增加新的功能模块来实现的情况,除了首先在本装置上增加新的硬件功能模块之外,上述步骤(1)中的支持新功能的程序即为新功能模块的驱动程序。
对于新增功能是通过原有应用程序升级来实现的情况,上述步骤(1)中的支持新功能的程序为原有应用程序的升级程序。这样也能实现功能的扩展。
通过上述的扩展方法,本装置所使用的操作系统始终可以保持在与装置功能一一对应的状态,系统内不会留有无用的和过时的驱动程序和应用程序。因此,本操作系统始终保持在最精简的模式,从而使整个装置的运行效率和工作速度始终保持最高。
需要说明的是,本发明的特定例已经对本发明的技术方案进行了详细的描述,对于本领域的技术人员来说,在不背离本发明所述方法的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1、一种具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置,其特征在于:其包括一个中央处理器,系统总线,一个LCD控制器及液晶屏、一个内部存储器,一个程序存储器、一个电源控制器、一个键盘控制器和至少一个通用接口;该LCD控制器、内部存储器、程序存储器、电源控制器、键盘控制器和通用接口分别通过该系统总线与中央处理器连接;该中央处理器为基于SoC结构的嵌入式微处理器;该程序存储器为Flash,该内部存储器为SDRAM。
2、如权利要求1所述的具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置,其特征在于:该通用接口具有40根针,分为两排排列,每排为20根,其中一排的20根针中,其左右两端的两根针为电源端,另一排的20根针中,其左右两端的两根针为地;中间的36根针中,上下两排各10根针组成JTAG仿真口,上下两排其余的各2根针组成USB接口,其余有8根针为地址线。
3、如权利要求1所述的具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置,其特征在于:该系统总线上还接有USB控制器、串口控制器、蓝牙控制器、红外控制器、网卡控制器、音频控制器和无线通信模块中的一个或者数个。
4、如权利要求1所述的具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置,其特征在于:该液晶屏可以由触摸屏替代。
5、如权利要求1所述的具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置,其特征在于:该系统总线上还接有一个JTAG调试接口。
6、如权利要求1所述的具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置,其特征在于:该装置所使用的操作系统为基于Linux的eMotion OS 2.0操作系统。
7、一种基于如权利要求1所述的具有嵌入式开放平台体系结构的移动信息装置的扩展方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
(1)在计算机上将支持新功能的程序与实现本装置基本功能的操作系统结合起来,组成一个新的操作系统;
(2)将步骤(1)获得的新的操作系统转化为二进制码;
(3)将步骤(2)获得的二进制码写入本嵌入式移动信息装置的Flash中;
(4)重新启动本嵌入式移动信息装置。
8、如权利要求7所述的嵌入式移动信息装置的扩展方法,其特征在于,该方法步骤(1)中的支持新功能的程序为新的功能模块的驱动程序。
9、如权利要求7所述的嵌入式移动信息装置的扩展方法,其特征在于,该方法步骤(1)中的支持新功能的程序为原有应用程序的升级程序。
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