无线信息设计在通用操作系统EPOC

    摘要：从系统结构、应用程序开发等方面详细介绍无线信息设备操作系统EPOC。说明其具有高效的内核处理机制、高可靠性、灵活的程序开发方法、丰富的通信协议支持。

    关键词：无线信息设备 操作系统 无线通信

随着数据通信的发展和无线网络的完善，无线数据通信的速度也不断提高。因此，为们对于手机的要求已不只是具有语音能力，要求提供良好数据服务的呼声越来越高。无线信息设备（wirless information device）就是在这种形式下产生的一种集手机和PDA功能为一体的新型手持设备。它不仅具有移动电话的全部特点，而且支持PDA的功能，如文件处理、电子邮件、与PC机数据同步、记事本以及多媒体等。这类设备型号多样，更新迅速，既能接入公用无线通信网，又可与其他设备互联，满足了各层次用户的不同需要，是未来几年无线信息产品的发展趋势。

无线信息设备的内存、电池和CPU计算能力都比较有限，因此，对于所采用的操作系统具有特殊的要求：操作系统占用内存要尽量少，并且支持高效的多任务及进程间通信机制；具有有效的电源管理功能，适合利用电池供电；采用面向对象的设计方法，软件程序代码具有良好的可重用性；提供友好的图形用户界面；确保用户数据安全可靠地存储；支持多种标准通信协议，以便接入国际互联网和与其他设备互连；最好能提供开放的应用程序平台，便于第三方软件开发商提供多样的应用程序。

为开发一种适用于无线信息设备的通用操作系统，诺基亚、爱立信、摩托罗拉和Psion公司在1998年成立了一个联合企业Symbian，而后又有松下、西门子、三洋等公司加入。EPOC是1999年由Symbian宣布的32位操作系统，并在其后得到不断完善。现在，许多商用无线信息设备都采用EPOC作为操作系统，如诺基亚的9210以及爱立信的R380、MC218等。

一、EPOC操作系统简介

EPOC采用基于静态优先级的抢先式多任务机制并且配合时间片轮转，构成简捷、高效的核心，支持强大的通信及多媒体功能。Symbian公司在提供EPOC操作系统的同时， 针对无线信息设备的不同市场需求还推出两类设备参考模型（device family reference design）[1]；Communicator和Smartphone。前者是以数据处理为主，以传统话务功能为辅；后者则恰好相反。Communicator包括Crystal和Quartz两种模型，Smartphone只有一种模型Pearl，如图1所示。由于每种模型都包括了基本的硬件和常用的应用程序软件，因此，无线信息设备厂商可以在此基础上集中精力开发附加的特有软硬件，从而缩短产品开发周期，加快成品推向市场的速度。

EPOC操作系统的主要特点：

*高可靠性。具有高效电源管理机，而且即使在电池耗尽的情况下，也能确保不丢失任何用户数据。由于采用特殊的编程规范，可以有效地管理系统内存资源的分配和回收，不会壬内存的泄漏。因此，以EPOC为操作系统的设备可连续运行多年而不需重新启动，这也是对无线信息设备的基本要求。

*采用面向对象的设计和编程，程序代码具有很好的可重用性。EPOC提供各种常用的32位应用程序接口函数，而且具有图形用户界面编程框架，可以方便地创建用户应用程序。系统支持Unicode，容易进行本地化。

*提供多种通信协议。支持标准的国际互联网通信协议（TCP/IP、PPP、Telnel、HTTP），电子邮件协议（POP3、SMTP、IMAP4）；提供GPRS、WAP等标准协议栈；具有蓝牙协议模块，增强了与其他设备的互连性；可以通过电缆或红外与PC机相连，进行数据同步和备份。

*参考模型的硬件配置充分考虑了无线信息设备的未来需求。采用ARM系列RISC处理器，具有较强的处理能力。利用ROM进行永久程序存储，并可通过外加快闪存储卡来扩展系统存储量。支持高分辨率彩色显示、触摸屏和笔输入，具有多媒体功能。

二、EPOC系统结构

EPOC操作系统采用模块化分层结构，其系统由许多模块组成。不同模块完成不同的功能，大的模块又分为几个组件。这种模块在保证整体结构紧凑的基础上，减弱了不同软件模块之间的依赖性，使得系统易于扩充。

EPOC系统有4个最主要的组成部分，如图2所示。

1.内核

内核是整个操作系统的核心部分，在处理器特权级执行，其他模块运行在用户级。内核还包括硬件设备驱动，负责最基本的操作系统功能，包括电源管理、内存管理、进程管理和必需的文件管理。内核通过底层函数库为执行在用户级的应用程序提供服务。由于采用ARM系列RISC处理器，EPOC利用二级页表机制进行寻址，为每个应用程序提供虚拟地址空间，以加快上下文切换速度。抢先式多任务机制允许多个自己的线程，同一进程中的多个线程能共享内存资源。系统调试时高优先级进程比优先级进程先得到CPU资源，相同优先级的进程按时间片轮转法分享CPU资源。

2.应用程序

应用程序可以直接和用户进行交互。每个应用程序是单独的进程，拥有自己的虚拟地址空间。

3.管理程序

EPOC系统采用客户/服务器形式来简化并获得高效的进程间通信。管理程序是不直接与用户交互的程序。它管理一个或多个系统资源，执行服务器的功能，通过API函数为客户提供服务。其客户可以是应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系统中最主要的管理程序。文件管理器负责文件处理，窗口管理器是EPOC高效率事件处理机制的核心，通信管理器提供了对多种通信协议的支持。在EPOC系统中，每个应用程序和管理程序都是独立的事件处理线程。窗口管理器负责提供用户、用户程序和操作系统内核间的事件传递。按键、笔等输入事件先传给窗口管理器，由它将事件发送给应用程序。应用程序完成相应的事件处理后，通知窗口管理器，并由窗口管理器负责处理应用程序的屏幕重画请求。事件处理过程如图3所示。通信管理器分为串行通信管理器、管道管理器和电话应用管理器三个部分。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机制支持TCP/IP、短信息数据包、红外数据接口；电话应用管理器提供与GSM电话及调制解调器相关的接口功能。

4.引擎

引擎是应用程序的一部分，负责应用程序数据的后台处理，而不与用户直接交互。EPOC操作系统中的程序均可分为应用程序和引擎两部分。引擎可以是单独的源文件模块、独立的动态链接库（DLL）或多个动态链接库。操作系统提供了一些常用的引擎，用户可以针对特殊的需要开发专用引擎。

三、EPOC应用程序开发设计

EPOC支持多种编程语言，为开发者提供了充分的选择空间，其中C++和Java应用得最为广泛。EPOC开发工具套件中提供了集成有EPOC内核的模拟器，可运行在Win9x和WinNT上，并通过调用Windows系统的设备驱动程序，对EPOC的目标机硬件进行仿真，实现EPOC程序的模拟运行。EPOC应用程序开发的大致过程如图4所示[2]。先利用Visual C++编译器将EPOC源程序编译成x86的可执行代码，采用模拟器在PC机上进行调试；而后经GNUC++把源程序重新编译成目标机的可执行代码，并拷贝到EPOC设备上，进行实现测试。模拟器的采用使得在目标机硬件不具备时就可进行高层软件的开发，因此加快了程序开发的进程，节省了开发时间。应用程序在模拟调试后，一般都能在目标机上正常运行；但是模拟器不能模拟真正目标机的硬件时序，因此，不适合用模拟方法开发需要严格时序逻辑的程序，也不支持多个任务的同时调试。

由于EPOC操作系统本身是由C++编写的，因此，用C++去开发应用可以获得操作系统最充分的支持，使应用软件更加灵活。EPOC C++编程分为两种；E32编程和Uikon编程。前者采用较为传统的方法进行编程，通过调用系统API函数来完成各种功能，能灵活地实现各种底层操作。因此，系统中的硬件驱动程序以及后台应用程序一般采用此类编程。Uikon是一套完整的应用程序框架，主要用于开基于图形用户界面的应用程序。该框架一般由应用程序（application）、应用程序界面（AppUI）、文档（document）、视图（view）四个类构成。EPOC具有完善的类继承体体系，提供了丰富的类库，可以方便快捷地创建应用程序。

鉴于无线信息设备的特殊性，EPOC编程具有一些独到之处，形成了自己的规范。

首先，提供了与内存分配相关的出错处理机制。如果应用程序有一系列内存申请的连续操作，其中任何一些出现内存分配失败，都需要在出错处理程序中释放所有在这些之前已成功分配的内存，以确保系统内存的正确回收。因此，编程为员在开发出错处理程序时，要充分考虑应用程序中的内存使用状况，防止内存泄漏的发生。为了更有效地管理内存的分配和回收，简化编程工作，EPOC提供了Eleave标识和Cleanup栈。从堆中分配指针的，以Eleave作为指针标识，指针分配成功后将其压入Cleanup栈。如果此指针指向的对象在程序后续处理中出现申请内存的失败，系统会自动释放栈中指针指向的所有内存，并在程序调用PopAndDestroy函数时删除此指针，保证内存的有效回收。

其次，类的两步构造。标准的C++构造函数是在类的对象实例创建时自动调用的，因此，不可靠将其中申请的指针入入Cleanup栈中。如果类创建失败，在构造函数中分配的内存也就无法被操作系统回收。由于无线信息设备是常年连续运行而不重新启动的，因此内存的泄漏会不断积累，最终导致严重的后果。为解决这一问题，EPOC提出类的创建分两步进行：第一步是按照C++本身的特性自动运行构造函数，但是在构造函数中，不进行从堆中申请内存的操作；第二步是调用含有内存请求的类创建函数ConstructL，在ConstructL中采用EPOC的内存分配出错处理机制。这样的设计可以增强系统的稳定性。

结束语

以上从系统构成及应用程序设计开发角度介绍了EPOC操作系统，说明它具有高效的内核处理机制、高度的可靠性、灵活的程序开发方法、丰富的通信协议支持，充分满足了无线信号设备的特定要求。随着无线通信从第2代向2.5代的过渡，以及第3代移动通信的最终实现，无线信息设备必将拥有广阔的市场前景。EPOC作为为其量身定制的操作系统也一定会得到广泛的应用。