基于CAR 構件技術(shù)的智能掌上設備操作系統

　　緒論

　　隨著(zhù)通訊技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速進(jìn)步，以PDA、智能手機為代表的智能掌上設備近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展。不同于一般的嵌入式設備，如今智能掌上設備的運算能力也愈來(lái)愈強大，功能也越來(lái)越完善，因此，出現了許多面向智能掌上設備的操作系統，以便能夠更好地支持應用程序的運行。智能掌上設備操作系統的基本原理與傳統的操作系統基本一致，但是由于掌上設備具有特殊應用需求，所以它的設計又有許多獨特之處。智能掌上設備操作系統往往根據其功能，對系統進(jìn)行了最大程度的優(yōu)化，同時(shí)也采用了許多適合于移動(dòng)計算的新技術(shù)，以便增強功能，提高性能。

　　隨著(zhù)因特網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，應用程序模型發(fā)生了很大的變化，于是提出來(lái)了基于軟件工廠(chǎng)的構件化編程模型，帶來(lái)了應用的多樣性以及生產(chǎn)力的提高。把構件技術(shù)應用在智能掌上設備操作系統中，給移動(dòng)計算的發(fā)展帶來(lái)了新的契機，迎合了軟件發(fā)展的方向。本文以構件技術(shù)為核心，分析了構件化的優(yōu)勢，闡述了由科泰世紀公司研究的一種典型的二進(jìn)制構件技術(shù)———CAR (Caref ree Application Run - Time) 構件技術(shù)，結合基于該技術(shù)的國產(chǎn)嵌入式操作系統“和欣”，來(lái)對構件化的智能掌上設備操作系統進(jìn)行了詳細分析。

　　智能掌上設備操作系統

　　智能掌上設備是對具有較強運算能力的手持設備的統稱(chēng)，主要包括了個(gè)人數字助理( PDA) ， Smartphone (智能手機) ，以及具有復雜功能的電子書(shū)、掌上游戲機等。早期的掌上設備功能比較單一，且少有聯(lián)網(wǎng)功能。但是微處理器的運算能力日益增強，無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)也發(fā)展神速，使得如今的掌上設備在提供強大運算能力的同時(shí)，又提供了豐富的網(wǎng)絡(luò )功能。其中，智能手機是最為典型的智能掌上設備，它具有普通移動(dòng)電話(huà)的全部功能，同時(shí)又提供了PDA 的功能，而且可以通過(guò)電信運營(yíng)商的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現電子郵件、上網(wǎng)瀏覽、網(wǎng)絡(luò )游戲等增值服務(wù)，代表了智能掌上設備的發(fā)展方向。

　　本文所講述的智能掌上設備以智能手機為主，默認已經(jīng)在硬件上支持了無(wú)線(xiàn)通訊功能。

　　如今市面上也有不少面對智能掌上設備的操作系統產(chǎn)品。其中比較有名的有Palm Source 的Palm OS ，微軟的Windows Mobile 系列， Symbian公司的Symbian OS ，以及多種嵌入式Linux。PalmOS 廣泛應用在PDA 產(chǎn)品上面，如今也開(kāi)始向智能手機領(lǐng)域發(fā)展。Windows Mobile 的界面和操作非常接近PC 機使用的Windows 系統，使用方便，對用戶(hù)有很大的吸引力。Symbian OS 則是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用在智能手機上的操作系統，功能強大，如今已運用在多款手機上面，變得非常成熟了。Linux 是一個(gè)開(kāi)放源代碼的操作系統，得到了許多廠(chǎng)商的支持。

　　在這里以智能手機為例，對智能掌上設備的結構進(jìn)行初步分析。從主要的硬件上來(lái)講，智能手機分為兩個(gè)部分:通訊模塊和應用處理模塊。一般來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)模塊是相對獨立的，通訊模塊用來(lái)實(shí)現基本的通訊功能，智能手機作為一個(gè)手機主要就靠它來(lái)體現，它一般有一個(gè)獨立的CPU ，且具有獨立的通訊軟件，用來(lái)處理通信協(xié)議棧。應用處理模塊用來(lái)完成除基本通訊功能之外的各種功能，比如存儲管理、多媒體播放等等，也有一個(gè)自己的CPU ，相對于通訊模塊來(lái)說(shuō)，它的CPU 更加強勁一些。

　　本文所提及的智能手機操作系統以及各種應用程序也就運行在這個(gè)CPU 上面。應用處理模塊和通訊模塊之間靠通訊控制模塊相連。結構示意圖如圖1 所示。

　　CAR 構件技術(shù)

　　構件技術(shù)

　　隨著(zhù)軟件復雜度的與日俱增，傳統的把整個(gè)軟件的源程序拿來(lái)靜態(tài)編譯的方法顯然不適合了。在這個(gè)前提下， 產(chǎn)生了軟件拼裝模式，把軟件分成一個(gè)個(gè)相對獨立的目標代碼模塊， 稱(chēng)之為構件 。

　　軟件開(kāi)發(fā)人員只需要做和自己相關(guān)的構件，編譯通過(guò)，就能夠拿來(lái)和其他模塊組裝在一起使用了。通過(guò)裝卸實(shí)現某個(gè)功能的構件，就可以實(shí)現對系統的靈活升級。

　　如今，已經(jīng)成熟且廣為使用的構件技術(shù)有微軟的COM(Component Object Model) ，OMG 組織的CORBA (Common Object Request Broker Architecture) 等等，用它們生成的構件都是基于二進(jìn)制目標代碼的?，F在大行其道的Java 和. NET ，雖然生成的程序都是基于中間代碼的，但也處處體現著(zhù)構件技術(shù)的思想。在本文中，所提及的構件都是指的二進(jìn)制構件。

　　面向對象技術(shù)實(shí)現了軟件源代碼層次的復用，提高了軟件開(kāi)發(fā)人員的生產(chǎn)率。構件技術(shù)是對面向對象技術(shù)的深化，實(shí)現了二進(jìn)制層次上軟件的復用，進(jìn)一步提升了軟件開(kāi)發(fā)的效率。根據構件技術(shù)，軟件系統可以拆分成相對獨立的構件，構件之間通過(guò)約定的接口進(jìn)行數據交換和信息傳遞。構件可以用不同的語(yǔ)言編寫(xiě)，只要符合一組二進(jìn)制規范即可，這樣大大提高了開(kāi)發(fā)的靈活度。

　　CAR 構件技術(shù)

　　CAR(Caref ree Application Run - Time) 構件技術(shù)是面向構件編程的編程模型，它規定了一組構件間相互調用的標準，使得二進(jìn)制構件能夠自描述，能夠在運行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接。微軟的COM 技術(shù)是廣為應用的一種構件技術(shù)， CAR 兼容微軟的COM。但是和微軟COM 相比，CAR 刪除了COM中過(guò)時(shí)的約定，禁止用戶(hù)定義COM 的非自描述接口;完備了構件及其接口的自描述功能，實(shí)現了對COM 的擴展;對COM 的用戶(hù)界面進(jìn)行了簡(jiǎn)化包裝，易學(xué)易用。

　　CAR 技術(shù)能夠動(dòng)態(tài)加載構件，最大程度支持軟件的二進(jìn)制復用，進(jìn)行系統升級的時(shí)候也只需要升級相關(guān)的構件即可，具有可靠性、容錯性、安全性，代表了軟件工廠(chǎng)化生產(chǎn)的方向。

　　CAR 技術(shù)采用C/ C + + 語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)構件，所以生成的構件直接是以目標平臺的二進(jìn)制代碼運行，相比J ava 、. NET 技術(shù)的中間代碼和虛擬機機制，在速度上占有明顯的優(yōu)勢，更適合系統級構件的編寫(xiě)以及嵌入式系統中的應用。

　　“和欣”操作系統簡(jiǎn)介

　　“和欣”(英文名為Elastos) 是科泰世紀公司研制的一個(gè)完全面向構件技術(shù)的操作系統，基于靈活內核，具有多進(jìn)程、多線(xiàn)程、搶占式、基于線(xiàn)程的多優(yōu)先級任務(wù)調度等特性。“和欣”里面集成了CAR構件運行環(huán)境，能對軟件構件進(jìn)行充分的支持，且已經(jīng)廣泛地用在各種嵌入式領(lǐng)域中，特別是智能手機等掌上設備領(lǐng)域之中。

　　CAR 構件技術(shù)在智能掌上設備操作系統中的應用

　　智能掌上設備對構件技術(shù)的需求

　　智能掌上設備在擁有較強的運算功能的同時(shí)，具有便攜性等特點(diǎn)，通常為用戶(hù)隨身攜帶。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，集成了許多功能的掌上設備逐步取代了那些功能單一的設備。在新的環(huán)境下，用戶(hù)往往要求掌上設備在保持便攜性的同時(shí)能夠帶來(lái)更多的功能。所以， 針對智能掌上設備提出了下面的要求:

　　(1) 可以動(dòng)態(tài)加載應用程序。動(dòng)態(tài)加載應用程序是在因特網(wǎng)時(shí)代的需要，因為智能掌上設備的功能越來(lái)越多，不能像以前那樣由廠(chǎng)家把所有的功能都做好固定在里面，所以必須要求用戶(hù)能夠自己根據自己的興趣，有選擇地從網(wǎng)上下載應用程序。

　　(2) 隨時(shí)和動(dòng)態(tài)地實(shí)現軟件升級。智能掌上設備的功能也是在不斷增強的，開(kāi)發(fā)商不必為了添加部分功能而重新發(fā)布整套軟件，只需要升級部分的功能即可。

　　(3) 靈活的模塊結構，便于移植和裁減。因為掌上設備的配置可能差異非常之大，所以需要針對不同的硬件配置緊湊高效的系統，且添加和刪除功能模塊也要相當容易。

　　如果在操作系統中采用構件技術(shù)，能夠很好地解決上述問(wèn)題。特別地，利用CAR 構件技術(shù)，把應用程序按模塊劃分做成一個(gè)個(gè)構件，能夠方便地實(shí)現網(wǎng)上下載，動(dòng)態(tài)加載，自動(dòng)升級，且具有結構靈活等特點(diǎn)。CAR 構件的設計初衷，就是面向消費類(lèi)電子市場(chǎng)，且實(shí)現用戶(hù)零維護的功能，這點(diǎn)從它的名字就可以看出來(lái)。下文以“和欣”操作系統為例，講解了CAR 構件在智能掌上設備中的應用方案。

　　智能掌上設備操作系統的結構

　　為了能夠很好地支持構件技術(shù)，需要在操作系統內部建立對構件技術(shù)的支持。在“和欣”中，采用了完全構件化的技術(shù)來(lái)搭建整個(gè)系統應用框架，從操作系統底層就開(kāi)始支持構件機制，對智能掌上設備來(lái)說(shuō)，形成了一個(gè)靈活而高效的解決方案。

　　圖2 描述的是一個(gè)采用GPRS 功能的智能手 機的軟件構成圖。其中智能手機操作系統直接控制的是圖2 右邊的應用模塊。從圖中可以看出，CAR 構件平臺運行在操作系統內核之上，一方面，它與內核聯(lián)系緊密，替內核接管了負責整個(gè)系統中應用程序運行的任務(wù);另一方面，它又是一個(gè)相對獨立的模塊，這樣能夠方便地進(jìn)行移植，讓更多的系統都能運行CAR 構件，保持著(zhù)CAR 構件的軟件平臺無(wú)關(guān)性。CAR 構件運行平臺支持系統級和應用級兩個(gè)層次的構件的運行。同時(shí)，該系統也提供了一些函數庫，比如C 的庫函數，在一定程度上兼容以前編寫(xiě)的一些應用軟件。另外，如今的智能手機都支持豐富的JAVA 應用程序，所以該系統也提供了專(zhuān)門(mén)的構件來(lái)運行K- J ava 程序。

　　圖2 左邊的通訊模塊是相對獨立的一部分，雖然不由操作系統直接控制，但是通過(guò)它提供的一組通訊協(xié)議，可以對它進(jìn)行全方位的操作。打電話(huà)、發(fā)短信、收發(fā)電子郵件，都是由相應的應用構件通過(guò)控制通訊模塊來(lái)完成的。從功能上來(lái)說(shuō)，可以把GPRS 通訊模塊看成一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，各個(gè)應用構件，就是通過(guò)這個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )應用的。

　　CAR 構件運行平臺

　　在“和欣”中，就是由CAR 構件運行平臺來(lái)提供對構件運行的支持。它讓系統中的各種構件天衣無(wú)縫地搭配在一起，實(shí)現自己的功能，同時(shí)又針對掌上設備的硬件特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，且提供給構件的是完全的二進(jìn)制運行環(huán)境，所以能夠保證系統的高效運行。

　　每個(gè)構件只關(guān)心自己的功能實(shí)現，構件之間的相互聯(lián)系由約定的接口來(lái)實(shí)現 。對于同一個(gè)進(jìn)程內的構件，由于共享同一個(gè)地址空間，其方法可以直接調用。但是，對于不同進(jìn)程的構件，則必須通過(guò)代理構件來(lái)實(shí)現。代理構件由CAR 構件運行平臺動(dòng)態(tài)地生成，它可以看成是中間件的一個(gè)特例，既解決了跨進(jìn)程，甚至跨機器的構件通信和方法調用，而且還提供了許多有用的特性。代理構件能對構件的運行狀態(tài)進(jìn)行干預和控制，給系統提供了強大的安全保護機制，能對軟件的訪(fǎng)問(wèn)權限進(jìn)行有效地控制，對于加密、解密、防黑客、防病毒的設計提供了必要的條件，為信息系統的安全性提供了堅實(shí)的基礎。圖3 描述了CAR 構件運行平臺通過(guò)自動(dòng)生成代理構件來(lái)對實(shí)際的構件模塊進(jìn)行調用的模型。

　　系統構件庫和應用構件庫

　　有了CAR 構件平臺，還必須具有完善的構件庫，操作系統的功能才能真正發(fā)揮出來(lái)。根據實(shí)現的功能，一般把構件庫分為系統構件庫和應用構件庫兩大類(lèi)。系統構件庫與操作系統內核聯(lián)系緊密，提供一些通用的功能供應用程序調用，是應用程序的必要支持。應用構件庫里的構件與用戶(hù)直接進(jìn)行交互，用來(lái)實(shí)現智能掌上設備里的豐富的應用功能。

　　“和欣”提供了一套全面的系統構件庫，這些構件庫在智能掌上設備中不可缺少，為各種應用構件的運行提供了完整的支持。該構件庫分為以下幾類(lèi):

　　圖形系統構件庫:提供圖形用戶(hù)操作界面，因為用于掌上設備，所以是一套小巧、緊湊的圖形系統。

　　設備驅動(dòng)構件庫:用于各種輸入輸出設備的驅動(dòng)，主要包括LCD 顯示屏驅動(dòng)、觸摸屏驅動(dòng)、聲卡驅動(dòng)、攝像頭驅動(dòng)等等。

　　文件系統構件庫: 提供對各種文件系統的支持，尤其是對采用最為廣泛的FAT 文件系統的支持。還提供了對FLASH 存儲器等掌上設備最常用的外存儲器的支持。

　　網(wǎng)絡(luò )系統構件庫:用于對TCP/ IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )支持，針對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的特性，對協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)提供了常用的網(wǎng)絡(luò )應用工具。

　　CAR 構件對自動(dòng)下載運行機制的支持

　　自動(dòng)下載運行機制是構件技術(shù)在智能掌上設備中的典型應用。在傳統的計算機中，往往要求事先把應用程序安裝在操作系統中，然后才能正常使用它。這種安裝機制比較繁瑣，而且那些對計算機的操作不是很熟練的人們，使用起來(lái)有一定的難度。智能掌上設備作為一種消費類(lèi)電子產(chǎn)品，面向的是更為普通的消費者，所以要求對它的操作更加簡(jiǎn)化?？紤]到這一點(diǎn)，方便地從網(wǎng)上獲取應用程序構件，無(wú)需安裝就自動(dòng)運行，就成了CAR 構件的一個(gè)重要特性。

　　CAR 構件都提供了一個(gè)屬性uunm(UniversalUnique Name) ，用來(lái)標識構件在互聯(lián)網(wǎng)上的地址。uunm 是唯一存在的，所以每個(gè)構件都有一個(gè)唯一的互聯(lián)網(wǎng)地址。CAR 構件無(wú)需在應用程序啟動(dòng)的時(shí)候就裝載到內存之中，只有當用到它的時(shí)候，才會(huì )動(dòng)態(tài)加載。需要加載某個(gè)CAR 構件的時(shí)候，CAR 構件環(huán)境會(huì )得到這個(gè)構件的uunm。根據uunm ，就能從網(wǎng)上把這個(gè)構件下載下來(lái)，然后開(kāi)始自動(dòng)運行。

　　同時(shí)，由于通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行構件下載，按目前的網(wǎng)絡(luò )速度需要消耗一定的時(shí)間，所以自動(dòng)下載運行機制針對效率問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化。對于下載的構件，系統會(huì )把它自動(dòng)放到本機的一個(gè)專(zhuān)用目錄當中，該目錄稱(chēng)作構件緩存。下一次裝載這個(gè)構件的時(shí)候，首先在構件緩存中進(jìn)行尋找，如果有的話(huà)，就直接加載本機的這份拷貝，不用啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，大大加快了運行的速度;如果沒(méi)有找到該構件，則通過(guò)uunm從網(wǎng)上下載。當緩存裝滿(mǎn)的時(shí)候，系統會(huì )根據一定的算法來(lái)清理其中的構件。

　　CAR 構件的自動(dòng)下載運行機制，完全不用用戶(hù)干預而自動(dòng)執行，方便了用戶(hù)的使用。此外，通過(guò)在構件中加入相應的數字簽名機制，解決了自動(dòng)下載運行的安全性問(wèn)題。

　　總結

　　構件技術(shù)是今年來(lái)最為重要的軟件技術(shù)之一，促進(jìn)了軟件生產(chǎn)方式的飛躍，也帶來(lái)了軟件應用模型的重大變化。智能掌上設備作為后PC 時(shí)代的一個(gè)標志性嵌入式設備，完美地結合了計算機技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，且普及程度越來(lái)越高。作為當今的構件技術(shù)的一個(gè)典型代表，CAR構件技術(shù)具有自動(dòng)運行下載等眾多優(yōu)勢，用在智能掌上設備操作系統之中，給用戶(hù)帶來(lái)了種種新特性，也給智能掌上設備的發(fā)展帶來(lái)了新的契機。