無線信息設(shè)計在通用操作系統(tǒng)EPOC

摘要：從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用程序開發(fā)等方面詳細介紹無線信息設(shè)備操作系統(tǒng)EPOC。說明其具有高效的內(nèi)核處理機制、高可靠性、靈活的程序開發(fā)方法、豐富的通信協(xié)議支持。

關(guān)鍵詞：無線信息設(shè)備 操作系統(tǒng) 無線通信

隨著數(shù)據(jù)通信的發(fā)展和無線網(wǎng)絡(luò)的完善，無線數(shù)據(jù)通信的速度也不斷提高。因此，為們對于手機的要求已不只是具有語音能力，要求提供良好數(shù)據(jù)服務(wù)的呼聲越來越高。無線信息設(shè)備（wirless information device）就是在這種形式下產(chǎn)生的一種集手機和PDA功能為一體的新型手持設(shè)備。它不僅具有移動電話的全部特點，而且支持PDA的功能，如文件處理、電子郵件、與PC機數(shù)據(jù)同步、記事本以及多媒體等。這類設(shè)備型號多樣，更新迅速，既能接入公用無線通信網(wǎng)，又可與其他設(shè)備互聯(lián)，滿足了各層次用戶的不同需要，是未來幾年無線信息產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。

無線信息設(shè)備的內(nèi)存、電池和CPU計算能力都比較有限，因此，對于所采用的操作系統(tǒng)具有特殊的要求：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)及進程間通信機制；具有有效的電源管理功能，適合利用電池供電；采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，軟件程序代碼具有良好的可重用性；提供友好的圖形用戶界面；確保用戶數(shù)據(jù)安全可靠地存儲；支持多種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，以便接入國際互聯(lián)網(wǎng)和與其他設(shè)備互連；最好能提供開放的應(yīng)用程序平臺，便于第三方軟件開發(fā)商提供多樣的應(yīng)用程序。

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。現(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采用基于靜態(tài)優(yōu)先級的搶先式多任務(wù)機制并且配合時間片輪轉(zhuǎn)，構(gòu)成簡捷、高效的核心，支持強大的通信及多媒體功能。Symbian公司在提供EPOC操作系統(tǒng)的同時， 針對無線信息設(shè)備的不同市場需求還推出兩類設(shè)備參考模型（device family reference design）[1]；Communicator和Smartphone。前者是以數(shù)據(jù)處理為主，以傳統(tǒng)話務(wù)功能為輔；后者則恰好相反。Communicator包括Crystal和Quartz兩種模型，Smartphone只有一種模型Pearl，如圖1所示。由于每種模型都包括了基本的硬件和常用的應(yīng)用程序軟件，因此，無線信息設(shè)備廠商可以在此基礎(chǔ)上集中精力開發(fā)附加的特有軟硬件，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，加快成品推向市場的速度。

EPOC操作系統(tǒng)的主要特點：

*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)運行多年而不需重新啟動，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；具有藍牙協(xié)議模塊，增強了與其他設(shè)備的互連性；可以通過電纜或紅外與PC機相連，進行數(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，具有較強的處理能力。利用ROM進行永久程序存儲，并可通過外加快閃存儲卡來擴展系統(tǒng)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(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)易于擴充。

EPOC系統(tǒng)有4個最主要的組成部分，如圖2所示。

1.內(nèi)核

內(nèi)核是整個操作系統(tǒng)的核心部分，在處理器特權(quán)級執(zhí)行，其他模塊運行在用戶級。內(nèi)核還包括硬件設(shè)備驅(qū)動，負責(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利用二級頁表機制進行尋址，為每個應(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)機制允許多個自己的線程，同一進程中的多個線程能共享內(nèi)存資源。系統(tǒng)調(diào)試時高優(yōu)先級進程比優(yōu)先級進程先得到CPU資源，相同優(yōu)先級的進程按時間片輪轉(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行交互。每個應(yīng)用程序是單獨的進程，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。它管理一個或多個系統(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。文件管理器負責(zé)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(tǒng)中，每個應(yīng)用程序和管理程序都是獨立的事件處理線程。窗口管理器負責(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(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，負責(zé)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的后臺處理，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。引擎可以是單獨的源文件模塊、獨立的動態(tài)鏈接庫（DLL）或多個動態(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

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，可運行在Win9x和WinNT上，并通過調(diào)用Windows系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序，對EPOC的目標(biāo)機硬件進行仿真，實現(xiàn)EPOC程序的模擬運行。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機上進行調(diào)試；而后經(jīng)GNUC++把源程序重新編譯成目標(biāo)機的可執(zhí)行代碼，并拷貝到EPOC設(shè)備上，進行實現(xiàn)測試。模擬器的采用使得在目標(biāo)機硬件不具備時就可進行高層軟件的開發(fā)，因此加快了程序開發(fā)的進程，節(jié)省了開發(fā)時間。應(yīng)用程序在模擬調(diào)試后，一般都能在目標(biāo)機上正常運行；但是模擬器不能模擬真正目標(biāo)機的硬件時序，因此，不適合用模擬方法開發(fā)需要嚴(yán)格時序邏輯的程序，也不支持多個任務(wù)的同時調(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，能靈活地實現(xiàn)各種底層操作。因此，系統(tǒng)中的硬件驅(qū)動程序以及后臺應(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)的出錯處理機制。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)出錯處理程序時，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)識和Cleanup棧。從堆中分配指針的，以Eleave作為指針標(biāo)識，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)會自動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)是在類的對象實例創(chuàng)建時自動調(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)運行而不重新啟動的，因此內(nèi)存的泄漏會不斷積累，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)建分兩步進行：第一步是按照C++本身的特性自動運行構(gòu)造函數(shù)，但是在構(gòu)造函數(shù)中，不進行從堆中申請內(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)存分配出錯處理機制。這樣的設(shè)計可以增強系統(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)無需進行重新編譯，若省時間；第二，有利于本地化。EPOC支持Unicode，在進行本地化時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代移動通信的最終實現(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)也一定會得到廣泛的應(yīng)用。