無線信息設(shè)計(jì)在通用操作系統(tǒng)EPOC的應(yīng)用

無線信息設(shè)備（wireless informatiON device）是集PDA與傳統(tǒng)手機(jī)與一體的新型手持設(shè)備，隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展必將成為未來幾年手持設(shè)備的發(fā)展趨勢。這種設(shè)備與其它嵌入式設(shè)備有所不同，它面對的是廣大消費(fèi)者，具有型號(hào)多、功耗低、重量輕、體積小和移動(dòng)性強(qiáng)的特性；而它的磁盤、內(nèi)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(tǒng)具有特殊的要求。

無線信息設(shè)備的操作系統(tǒng)占用內(nèi)存要盡量少，并且支持高效的多任務(wù)及進(jìn)程間通信機(jī)制；應(yīng)具有有效的電源管理功能，適合利用電池供電；要連續(xù)運(yùn)行多年而無需重新啟動(dòng)；確保用戶數(shù)據(jù)安全可靠的存儲(chǔ)；提供友好的圖形用戶界面；采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，軟件程序代碼具有良好的可重用性；支持多種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，以便接入國際互聯(lián)網(wǎng)和與其它設(shè)備互連；提供開放的應(yīng)用程序平臺(tái)，便于第三方軟件開發(fā)商提供多樣的應(yīng)用程序。

無線信息設(shè)備對操作系統(tǒng)的諸多要求中，高可靠性占了首要地位；而實(shí)現(xiàn)高可靠性的關(guān)鍵是其操作系統(tǒng)要具有高效的內(nèi)存操作及管理機(jī)制，提供的編程機(jī)制要能夠充分管理有限的內(nèi)存空間，不造成任何的內(nèi)存分配與回收錯(cuò)誤。否則，極微小的內(nèi)存泄漏故障經(jīng)過長時(shí)間的積累都將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。
 

為開發(fā)一種適用于無線信息設(shè)備的通用操作系統(tǒng)，諾基亞、愛立信、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、西門子、三洋等公司加入。EPOC是1999年由Symbian宣布的32位操作系統(tǒng)，并在其后得到不斷完善?，F(xiàn)在，許多商用無線信息設(shè)備都采用EPOC作為操作系統(tǒng)，如諾基亞的9210以及愛立信的R380、MC218等。

一、EPOC操作系統(tǒng)簡介

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

EPOC的操作接口和窗口操作系統(tǒng)非常類似，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(nèi)有該群組的應(yīng)用程序的icon可供用戶點(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(dāng)常用的程序?qū)蛹夁^多時(shí)，Extras Bar可以很快的找到該應(yīng)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調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)定，包括時(shí)間/日期、密碼、聲音、屏幕、電力、鍵盤、打印機(jī)調(diào)制解調(diào)器、撥接和熱鍵設(shè)定等功能。

EPOC操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：

*高可靠性。具有高效電源管理機(jī)，而且即使在電池耗盡的情況下，也能確保不丟失任何用戶數(shù)據(jù)。由于采用特殊的編程規(guī)范，可以有效地管理系統(tǒng)內(nèi)存資源的分配和回收，不會(huì)壬內(nèi)存的泄漏。因此，以EPOC為操作系統(tǒng)的設(shè)備可連續(xù)運(yùn)行多年而不需重新啟動(dòng)，這也是對無線信息設(shè)備的基本要求。

*采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)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(yīng)用程序接口函數(shù)，而且具有圖形用戶界面編程框架，可以方便地創(chuàng)建用戶應(yīng)用程序。系統(tǒng)支持Unicode,容易進(jìn)行本地化。

*提供多種通信協(xié)議。支持標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧；具有藍(lán)牙協(xié)議模塊，增強(qiáng)了與其他設(shè)備的互連性；可以通過電纜或紅外與PC機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)同步和備份。

*參考模型的硬件配置充分考慮了無線信息設(shè)備的未來需求。采用ARM系列RISC處理器，具有較強(qiáng)的處理能力。利用ROM進(jìn)行永久程序存儲(chǔ)，并可通過外加快閃存儲(chǔ)卡來擴(kuò)展系統(tǒng)存儲(chǔ)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

EPOC操作系統(tǒng)采用模塊化分層結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)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(jié)構(gòu)緊湊的基礎(chǔ)上，減弱了不同軟件模塊之間的依賴性，使得系統(tǒng)易于擴(kuò)充。

EPOC系統(tǒng)有4個(gè)最主要的組成部分，如圖2所示。

1.內(nèi)核

內(nèi)核是操作系統(tǒng)最基本的部分。它是為眾多應(yīng)用程序提供對計(jì)算機(jī)硬件的安全訪問的一部分軟件，這種訪問是有限的，并且內(nèi)核決定一個(gè)程序在什么時(shí)候?qū)δ巢糠钟布僮鞫嚅L時(shí)間。內(nèi)核的分類可分為單內(nèi)核和雙內(nèi)核以及微內(nèi)核。嚴(yán)格地說，內(nèi)核并不是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中必要的組成部分。內(nèi)核還包括硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)，負(fù)責(zé)最基本的操作系統(tǒng)功能，包括電源管理、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理和必需的文件管理。內(nèi)核通過底層函數(shù)庫為執(zhí)行在用戶級的應(yīng)用程序提供服務(wù)。由于采用ARM系列RISC處理器，EPOC利用二級頁表機(jī)制進(jìn)行尋址，為每個(gè)應(yīng)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(jī)制允許多個(gè)自己的線程，同一進(jìn)程中的多個(gè)線程能共享內(nèi)存資源。系統(tǒng)調(diào)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(zhuǎn)法分享CPU資源。

2.應(yīng)用程序

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

3.管理程序

EPOC系統(tǒng)采用客戶/服務(wù)器形式來簡化并獲得高效的進(jìn)程間通信。管理程序是不直接與用戶交互的程序。它管理一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)資源，執(zhí)行服務(wù)器的功能，通過API函數(shù)為客戶提供服務(wù)。其客戶可以是應(yīng)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(tǒng)中最主要的管理程序。文件管理器負(fù)責(zé)文件處理，窗口管理器是EPOC高效率事件處理機(jī)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(tǒng)中，每個(gè)應(yīng)用程序和管理程序都是獨(dú)立的事件處理線程。窗口管理器負(fù)責(zé)提供用戶、用戶程序和操作系統(tǒng)內(nèi)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(yīng)用程序。應(yīng)用程序完成相應(yīng)的事件處理后，通知窗口管理器，并由窗口管理器負(fù)責(zé)處理應(yīng)用程序的屏幕重畫請求。事件處理過程如圖3所示。通信管理器分為串行通信管理器、管道管理器和電話應(yīng)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(jī)制支持TCP/IP、短信息數(shù)據(jù)包、紅外數(shù)據(jù)接口；電話應(yīng)用管理器提供與GSM電話及調(diào)制解調(diào)器相關(guān)的接口功能。

4.引擎

引擎是應(yīng)用程序的一部分，負(fù)責(zé)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的后臺(tái)處理，而不與用戶直接交互。EPOC操作系統(tǒng)中的程序均可分為應(yīng)用程序和引擎兩部分。引擎可以是單獨(dú)的源文件模塊、獨(dú)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(tǒng)提供了一些常用的引擎，用戶可以針對特殊的需要開發(fā)專用引擎。

三、EPOC應(yīng)用程序開發(fā)設(shè)計(jì)

EPOC支持多種編程語言，為開發(fā)者提供了充分的選擇空間，其中C++和Java應(yīng)用得最為廣泛。EPOC開發(fā)工具套件中提供了集成有EPOC內(nèi)核的模擬器，可運(yùn)行在Win9x和WinNT上，并通過調(diào)用Windows系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，對EPOC的目標(biāo)機(jī)硬件進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)EPOC程序的模擬運(yùn)行。EPOC應(yīng)用程序開發(fā)的大致過程如圖4所示[2].先利用Visual C++編譯器將EPOC源程序編譯成x86的可執(zhí)行代碼，采用模擬器在PC機(jī)上進(jìn)行調(diào)試；而后經(jīng)GNUC++把源程序重新編譯成目標(biāo)機(jī)的可執(zhí)行代碼，并拷貝到EPOC設(shè)備上，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)測試。模擬器的采用使得在目標(biāo)機(jī)硬件不具備時(shí)就可進(jìn)行高層軟件的開發(fā)，因此加快了程序開發(fā)的進(jìn)程，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間。應(yīng)用程序在模擬調(diào)試后，一般都能在目標(biāo)機(jī)上正常運(yùn)行；但是模擬器不能模擬真正目標(biāo)機(jī)的硬件時(shí)序，因此，不適合用模擬方法開發(fā)需要嚴(yán)格時(shí)序邏輯的程序，也不支持多個(gè)任務(wù)的同時(shí)調(diào)試。

由于EPOC操作系統(tǒng)本身是由C++編寫的，因此，用C++去開發(fā)應(yīng)用可以獲得操作系統(tǒng)最充分的支持，使應(yīng)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(tǒng)的方法進(jìn)行編程，通過調(diào)用系統(tǒng)API函數(shù)來完成各種功能，能靈活地實(shí)現(xiàn)各種底層操作。因此，系統(tǒng)中的硬件驅(qū)動(dòng)程序以及后臺(tái)應(yīng)用程序一般采用此類編程。Uikon是一套完整的應(yīng)用程序框架，主要用于開基于圖形用戶界面的應(yīng)用程序。該框架一般由應(yīng)用程序（application）、應(yīng)用程序界面（AppUI）、文檔（document）、視圖（view）四個(gè)類構(gòu)成。EPOC具有完善的類繼承體體系，提供了豐富的類庫，可以方便快捷地創(chuàng)建應(yīng)用程序。

鑒于無線信息設(shè)備的特殊性，EPOC編程具有一些獨(dú)到之處，形成了自己的規(guī)范。

首先，提供了與內(nèi)存分配相關(guān)的出錯(cuò)處理機(jī)制。如果應(yīng)用程序有一系列內(nèi)存申請的連續(xù)操作，其中任何一些出現(xiàn)內(nèi)存分配失敗，都需要在出錯(cuò)處理程序中釋放所有在這些之前已成功分配的內(nèi)存，以確保系統(tǒng)內(nèi)存的正確回收。因此，編程為員在開發(fā)出錯(cuò)處理程序時(shí)，要充分考慮應(yīng)用程序中的內(nèi)存使用狀況，防止內(nèi)存泄漏的發(fā)生。為了更有效地管理內(nèi)存的分配和回收，簡化編程工作，EPOC提供了Eleave標(biāo)識(shí)和Cleanup棧。從堆中分配指針的，以Eleave作為指針標(biāo)識(shí)，指針分配成功后將其壓入Cleanup棧。如果此指針指向的對象在程序后續(xù)處理中出現(xiàn)申請內(nèi)存的失敗，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)釋放棧中指針指向的所有內(nèi)存，并在程序調(diào)用PopAndDestroy函數(shù)時(shí)刪除此指針，保證內(nèi)存的有效回收。

其次，類的兩步構(gòu)造。標(biāo)準(zhǔn)的C++構(gòu)造函數(shù)是在類的對象實(shí)例創(chuàng)建時(shí)自動(dòng)調(diào)用的，因此，不可靠將其中申請的指針入入Cleanup棧中。如果類創(chuàng)建失敗，在構(gòu)造函數(shù)中分配的內(nèi)存也就無法被操作系統(tǒng)回收。由于無線信息設(shè)備是常年連續(xù)運(yùn)行而不重新啟動(dòng)的，因此內(nèi)存的泄漏會(huì)不斷積累，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。為解決這一問題，EPOC提出類的創(chuàng)建分兩步進(jìn)行：第一步是按照C++本身的特性自動(dòng)運(yùn)行構(gòu)造函數(shù)，但是在構(gòu)造函數(shù)中，不進(jìn)行從堆中申請內(nèi)存的操作；第二步是調(diào)用含有內(nèi)存請求的類創(chuàng)建函數(shù)ConstructL,在ConstructL中采用EPOC的內(nèi)存分配出錯(cuò)處理機(jī)制。這樣的設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

最后，采用資源定義文件。EPOC將系統(tǒng)及應(yīng)用程序菜單、按鈕、對話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，開發(fā)過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(jié)構(gòu)，系統(tǒng)無需進(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意破壞。

結(jié)束語

以上從系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)開發(fā)角度介紹了EPOC操作系統(tǒng)，說明它具有高效的內(nèi)核處理機(jī)制、高度的可靠性、靈活的程序開發(fā)方法、豐富的通信協(xié)議支持，充分滿足了無線信號(hào)設(shè)備的特定要求。隨著無線通信從第2代向2.5代的過渡，以及第3代移動(dòng)通信的最終實(shí)現(xiàn)，無線信息設(shè)備必將擁有廣闊的市場前景。EPOC作為為其量身定制的操作系統(tǒng)也一定會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。