無(wú)線(xiàn)信息設計在通用操作系統EPOC的應用

無(wú)線(xiàn)信息設備（wireless informatiON device）是集PDA與傳統手機與一體的新型手持設備，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展必將成為未來(lái)幾年手持設備的發(fā)展趨勢。這種設備與其它嵌入式設備有所不同，它面對的是廣大消費者，具有型號多、功耗低、重量輕、體積小和移動(dòng)性強的特性；而它的磁盤(pán)、內存、電池和CPU處理能力又都比較有限。因此，對于所采用的操作系統具有特殊的要求。

無(wú)線(xiàn)信息設備的操作系統占用內存要盡量少，并且支持高效的多任務(wù)及進(jìn)程間通信機制；應具有有效的電源管理功能，適合利用電池供電；要連續運行多年而無(wú)需重新啟動(dòng)；確保用戶(hù)數據安全可靠的存儲；提供友好的圖形用戶(hù)界面；采用面向對象的設計方法，軟件程序代碼具有良好的可重用性；支持多種標準通信協(xié)議，以便接入國際互聯(lián)網(wǎng)和與其它設備互連；提供開(kāi)放的應用程序平臺，便于第三方軟件開(kāi)發(fā)商提供多樣的應用程序。

無(wú)線(xiàn)信息設備對操作系統的諸多要求中，高可靠性占了首要地位；而實(shí)現高可靠性的關(guān)鍵是其操作系統要具有高效的內存操作及管理機制，提供的編程機制要能夠充分管理有限的內存空間，不造成任何的內存分配與回收錯誤。否則，極微小的內存泄漏故障經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的積累都將導致災難性的后果。

為開(kāi)發(fā)一種適用于無(wú)線(xiàn)信息設備的通用操作系統，諾基亞、愛(ài)立信、摩托羅拉和Psion公司在1998年成立了一個(gè)聯(lián)合企業(yè)Symbian,而后又有松下、西門(mén)子、三洋等公司加入。EPOC是1999年由Symbian宣布的32位操作系統，并在其后得到不斷完善?，F在，許多商用無(wú)線(xiàn)信息設備都采用EPOC作為操作系統，如諾基亞的9210以及愛(ài)立信的R380、MC218等。

一、EPOC操作系統簡(jiǎn)介

EPOC是一套可攜式的實(shí)時(shí)操作系統，韌體儲存在ROM中。最適用EPOC的中央處理器是ARM3,而在x86, ARM4 和STrongARM運作，只能執行源代碼，部份應用程序無(wú)法執行。目前尚無(wú)法支持ARM's Thumb 和Motorola M*core等先進(jìn)的可攜式中央處理器，但Symbian已開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究開(kāi)發(fā)了。EPOC仿真窗口操作系統的環(huán)境，EPOC是一套32位的操作系統，主要包含兩個(gè)組件：E32和F32,E32負責執行核心指令和服務(wù)器的功能，核心程序API也提供驅動(dòng)硬件的功能。F32是提供檔案服務(wù)、撰寫(xiě)新程序的API,和測試ROM的指令shell.

EPOC的操作接口和窗口操作系統非常類(lèi)似，以可視化的操作方式為主，點(diǎn)選某一工作群的icon之后，會(huì )跳出該群組的窗口，窗口內有該群組的應用程序的icon可供用戶(hù)點(diǎn)選。而為了增加使用者的工作效率，使用者也可以將常用的程序自定義在Extras Bar,當常用的程序層級過(guò)多時(shí)，Extras Bar可以很快的找到該應用程序。Third Party的程序也可以加入到Extras Bar之中。EPOC也提供了控制面板來(lái)調節系統設定，包括時(shí)間/日期、密碼、聲音、屏幕、電力、鍵盤(pán)、打印機調制解調器、撥接和熱鍵設定等功能。

EPOC操作系統的主要特點(diǎn)：

*高可靠性。具有高效電源管理機，而且即使在電池耗盡的情況下，也能確保不丟失任何用戶(hù)數據。由于采用特殊的編程規范，可以有效地管理系統內存資源的分配和回收，不會(huì )壬內存的泄漏。因此，以EPOC為操作系統的設備可連續運行多年而不需重新啟動(dòng)，這也是對無(wú)線(xiàn)信息設備的基本要求。

*采用面向對象的設計和編程，程序代碼具有很好的可重用性。EPOC提供各種常用的32位應用程序接口函數，而且具有圖形用戶(hù)界面編程框架，可以方便地創(chuàng )建用戶(hù)應用程序。系統支持Unicode,容易進(jìn)行本地化。

*提供多種通信協(xié)議。支持標準的國際互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議（TCP/IP、PPP、Telnel、HTTP），電子郵件協(xié)議（POP3、SMTP、IMAP4）；提供GPRS、WAP等標準協(xié)議棧；具有藍牙協(xié)議模塊，增強了與其他設備的互連性；可以通過(guò)電纜或紅外與PC機相連，進(jìn)行數據同步和備份。

*參考模型的硬件配置充分考慮了無(wú)線(xiàn)信息設備的未來(lái)需求。采用ARM系列RISC處理器，具有較強的處理能力。利用ROM進(jìn)行永久程序存儲，并可通過(guò)外加快閃存儲卡來(lái)擴展系統存儲量。支持高分辨率彩色顯示、觸摸屏和筆輸入，具有多媒體功能。

二、EPOC系統結構

EPOC操作系統采用模塊化分層結構，其系統由許多模塊組成。不同模塊完成不同的功能，大的模塊又分為幾個(gè)組件。這種模塊在保證整體結構緊湊的基礎上，減弱了不同軟件模塊之間的依賴(lài)性，使得系統易于擴充。

EPOC系統有4個(gè)最主要的組成部分，如圖2所示。

1.內核

內核是操作系統最基本的部分。它是為眾多應用程序提供對計算機硬件的安全訪(fǎng)問(wèn)的一部分軟件，這種訪(fǎng)問(wèn)是有限的，并且內核決定一個(gè)程序在什么時(shí)候對某部分硬件操作多長(cháng)時(shí)間。內核的分類(lèi)可分為單內核和雙內核以及微內核。嚴格地說(shuō)，內核并不是計算機系統中必要的組成部分。內核還包括硬件設備驅動(dòng)，負責最基本的操作系統功能，包括電源管理、內存管理、進(jìn)程管理和必需的文件管理。內核通過(guò)底層函數庫為執行在用戶(hù)級的應用程序提供服務(wù)。由于采用ARM系列RISC處理器，EPOC利用二級頁(yè)表機制進(jìn)行尋址，為每個(gè)應用程序提供虛擬地址空間，以加快上下文切換速度。搶先式多任務(wù)機制允許多個(gè)自己的線(xiàn)程，同一進(jìn)程中的多個(gè)線(xiàn)程能共享內存資源。系統調試時(shí)高優(yōu)先級進(jìn)程比優(yōu)先級進(jìn)程先得到CPU資源，相同優(yōu)先級的進(jìn)程按時(shí)間片輪轉法分享CPU資源。

2.應用程序

應用程序可以直接和用戶(hù)進(jìn)行交互。每個(gè)應用程序是單獨的進(jìn)程，擁有自己的虛擬地址空間。

3.管理程序

EPOC系統采用客戶(hù)/服務(wù)器形式來(lái)簡(jiǎn)化并獲得高效的進(jìn)程間通信。管理程序是不直接與用戶(hù)交互的程序。它管理一個(gè)或多個(gè)系統資源，執行服務(wù)器的功能，通過(guò)API函數為客戶(hù)提供服務(wù)。其客戶(hù)可以是應用程序或其他的管理器。

文件管理器、窗口管理器和通信管理器是EPOC系統中最主要的管理程序。文件管理器負責文件處理，窗口管理器是EPOC高效率事件處理機制的核心，通信管理器提供了對多種通信協(xié)議的支持。在EPOC系統中，每個(gè)應用程序和管理程序都是獨立的事件處理線(xiàn)程。窗口管理器負責提供用戶(hù)、用戶(hù)程序和操作系統內核間的事件傳遞。按鍵、筆等輸入事件先傳給窗口管理器，由它將事件發(fā)送給應用程序。應用程序完成相應的事件處理后，通知窗口管理器，并由窗口管理器負責處理應用程序的屏幕重畫(huà)請求。事件處理過(guò)程如圖3所示。通信管理器分為串行通信管理器、管道管理器和電話(huà)應用管理器三個(gè)部分。串行通信器提供串行通信的支持；管道管理器利用通用的管理機制支持TCP/IP、短信息數據包、紅外數據接口；電話(huà)應用管理器提供與GSM電話(huà)及調制解調器相關(guān)的接口功能。

4.引擎

引擎是應用程序的一部分，負責應用程序數據的后臺處理，而不與用戶(hù)直接交互。EPOC操作系統中的程序均可分為應用程序和引擎兩部分。引擎可以是單獨的源文件模塊、獨立的動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）或多個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫。操作系統提供了一些常用的引擎，用戶(hù)可以針對特殊的需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)用引擎。

三、EPOC應用程序開(kāi)發(fā)設計

EPOC支持多種編程語(yǔ)言，為開(kāi)發(fā)者提供了充分的選擇空間，其中C++和Java應用得最為廣泛。EPOC開(kāi)發(fā)工具套件中提供了集成有EPOC內核的模擬器，可運行在Win9x和WinNT上，并通過(guò)調用Windows系統的設備驅動(dòng)程序，對EPOC的目標機硬件進(jìn)行仿真，實(shí)現EPOC程序的模擬運行。EPOC應用程序開(kāi)發(fā)的大致過(guò)程如圖4所示[2].先利用Visual C++編譯器將EPOC源程序編譯成x86的可執行代碼，采用模擬器在PC機上進(jìn)行調試；而后經(jīng)GNUC++把源程序重新編譯成目標機的可執行代碼，并拷貝到EPOC設備上，進(jìn)行實(shí)現測試。模擬器的采用使得在目標機硬件不具備時(shí)就可進(jìn)行高層軟件的開(kāi)發(fā)，因此加快了程序開(kāi)發(fā)的進(jìn)程，節省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。應用程序在模擬調試后，一般都能在目標機上正常運行；但是模擬器不能模擬真正目標機的硬件時(shí)序，因此，不適合用模擬方法開(kāi)發(fā)需要嚴格時(shí)序邏輯的程序，也不支持多個(gè)任務(wù)的同時(shí)調試。

由于EPOC操作系統本身是由C++編寫(xiě)的，因此，用C++去開(kāi)發(fā)應用可以獲得操作系統最充分的支持，使應用軟件更加靈活。EPOC C++編程分為兩種；E32編程和Uikon編程。前者采用較為傳統的方法進(jìn)行編程，通過(guò)調用系統API函數來(lái)完成各種功能，能靈活地實(shí)現各種底層操作。因此，系統中的硬件驅動(dòng)程序以及后臺應用程序一般采用此類(lèi)編程。Uikon是一套完整的應用程序框架，主要用于開(kāi)基于圖形用戶(hù)界面的應用程序。該框架一般由應用程序（application）、應用程序界面（AppUI）、文檔（document）、視圖（view）四個(gè)類(lèi)構成。EPOC具有完善的類(lèi)繼承體體系，提供了豐富的類(lèi)庫，可以方便快捷地創(chuàng )建應用程序。

鑒于無(wú)線(xiàn)信息設備的特殊性，EPOC編程具有一些獨到之處，形成了自己的規范。

首先，提供了與內存分配相關(guān)的出錯處理機制。如果應用程序有一系列內存申請的連續操作，其中任何一些出現內存分配失敗，都需要在出錯處理程序中釋放所有在這些之前已成功分配的內存，以確保系統內存的正確回收。因此，編程為員在開(kāi)發(fā)出錯處理程序時(shí)，要充分考慮應用程序中的內存使用狀況，防止內存泄漏的發(fā)生。為了更有效地管理內存的分配和回收，簡(jiǎn)化編程工作，EPOC提供了Eleave標識和Cleanup棧。從堆中分配指針的，以Eleave作為指針標識，指針?lè )峙涑晒髮⑵鋲喝隒leanup棧。如果此指針指向的對象在程序后續處理中出現申請內存的失敗，系統會(huì )自動(dòng)釋放棧中指針指向的所有內存，并在程序調用PopAndDestroy函數時(shí)刪除此指針，保證內存的有效回收。

其次，類(lèi)的兩步構造。標準的C++構造函數是在類(lèi)的對象實(shí)例創(chuàng )建時(shí)自動(dòng)調用的，因此，不可靠將其中申請的指針入入Cleanup棧中。如果類(lèi)創(chuàng )建失敗，在構造函數中分配的內存也就無(wú)法被操作系統回收。由于無(wú)線(xiàn)信息設備是常年連續運行而不重新啟動(dòng)的，因此內存的泄漏會(huì )不斷積累，最終導致嚴重的后果。為解決這一問(wèn)題，EPOC提出類(lèi)的創(chuàng )建分兩步進(jìn)行：第一步是按照C++本身的特性自動(dòng)運行構造函數，但是在構造函數中，不進(jìn)行從堆中申請內存的操作；第二步是調用含有內存請求的類(lèi)創(chuàng )建函數ConstructL,在ConstructL中采用EPOC的內存分配出錯處理機制。這樣的設計可以增強系統的穩定性。

最后，采用資源定義文件。EPOC將系統及應用程序菜單、按鈕、對話(huà)框等的定義放在資源定義文件中。這樣做有兩個(gè)好處：第一，開(kāi)發(fā)過(guò)程中如果只改變菜單等的顯示字符串，而不修改資源文件的結構，系統無(wú)需進(jìn)行重新編譯，若省時(shí)間；第二，有利于本地化。EPOC支持Unicode,在進(jìn)行本地化時(shí)無(wú)需在源程序中搜索并修改顯示字符串，而只需翻譯資源定義文件即可。這樣不僅簡(jiǎn)化了本地化的工作量，而且可以避免修改源程序時(shí)可以造成的其他部分代碼的無(wú)意破壞。

結束語(yǔ)

以上從系統構成及應用程序設計開(kāi)發(fā)角度介紹了EPOC操作系統，說(shuō)明它具有高效的內核處理機制、高度的可靠性、靈活的程序開(kāi)發(fā)方法、豐富的通信協(xié)議支持，充分滿(mǎn)足了無(wú)線(xiàn)信號設備的特定要求。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信從第2代向2.5代的過(guò)渡，以及第3代移動(dòng)通信的最終實(shí)現，無(wú)線(xiàn)信息設備必將擁有廣闊的市場(chǎng)前景。EPOC作為為其量身定制的操作系統也一定會(huì )得到廣泛的應用。