Программирование для Windows CE

Программирование для Windows CE

Дуглас Боулинг

Введение

"Третья" Windows - новая операционная система Windows CE - не получила такой известности, как ее старшие сестры - Windows 98 и Windows NT, но ситуация начинает меняться. Windows CE предназначена для небольших, питающихся от батареек устройств, таких, как персональные электронные ассистенты. Несмотря на огромную разницу между этими приборами и настольными и портативными ПК, методики разработки программ для устройств Windows CE и компьютеров Windows во многом схожи. В данной статье мы расскажем о программировании для устройств Windows CE, но прежде всего попытаемся разобраться, что именно представляет собой Windows CE, чтобы провести черту между операционной системой и конкретными платформами, на которых она работает. 

Windows CE - это совершенно новая версия Windows. Ее нельзя назвать обновленной или упрощенной версией Windows 98 или Windows NT. В отличие от них Windows CE с самого начала проектировалась как новая операционная система для устройств с питанием от батарей, по габаритам значительно уступающих стандартным ПК. Пользователям, вероятно, чаще приходилось слышать о Windows CE-компьютерах, таких, как ручные (hand-held, РПК) или карманные (Palm-size, КПК) ПК, чем о самой операционной системе. В ПЗУ подобных устройств, выпускаемых обычно производителями комплексного оборудования (OEM), например фирмами Hewlett Packard и Casio, занесена версия Windows CE. Поэтому пользователи избавлены от необходимости устанавливать Windows CE, она поставляется с такими приборами по умолчанию. 

Интерфейс Windows CE предусматривает подмножество функций интерфейса прикладного программирования API Win32, применяемого в Windows 98 и Windows NT. Наверное, разработчики программ для Windows NT, услышав о "подмножестве", будут разочарованы, но не стоит волноваться, так как различия в API между версиями Windows для настольных ПК и Windows CE не вызовут больших проблем. Основные различия между ними сводятся к тому, что интерфейс Windows CE избавлен от избыточных функций, присутствующих в API Win32 для совместимости с предшествующими версиями Windows. Например, в версиях Windows для настольных систем имеется три или четыре способа открытия файла программными средствами. В среде Windows CE для этого существует только один способ - с помощью функции CreateFile. 

Другие отличия API состоят в том, что в Windows CE не реализованы целые группы функций, которыми располагает Windows NT. Например, библиотека Winsock из состава Windows CE не содержит большинства функций WSAAsync, представленных в Windows 98 и NT. При этом функционально Windows CE отнюдь не беднее, только при программировании гнезд в среде Windows CE придется прибегать к услугам более простой Беркли-версии протокола sockets. Для Windows-программистов это означает необходимость освоения процедур применения базовых блокирующих и неблокирующих гнезд без таких полезных функций, как WSAAsync, которые в Windows 9x и NT отвечают за уведомление прикладных программ о событиях, происходящих с гнездом. 

Другое важное различие между Windows CE и ее крупномасштабными родственницами состоит в том, что ее структура заранее предусматривает для OEM возможность изменения конфигурации, с тем чтобы система максимально соответствовала конкретным аппаратным платформам. Например, требования к профессиональным ручным ПК, которые представляют собой миниатюрные блокнотные ПК, работающие под управлением Windows CE, существенно отличаются от требований к ПК класса Palm-size. Поэтому Windows CE допускает разбиение на компоненты, чтобы изымать те части этой операционной системы, которые не понадобятся на целевой платформе. Подобная процедура вовсе не означает только исключение ряда DLL из состава ОС для конкретной платформы, варианты изменения конфигурации Windows CE гораздо разнообразнее. Например, API курсора, управляющий внешним видом указателя на экране, или даже компонент, отвечающий за работу с буфером обмена, вполне могут быть изъяты. 

Задачу выбора компонента Windows CE решает производитель оборудования для платформ вертикального рынка или компания Microsoft для платформ горизонтального рынка. При разных сочетаниях компонентов образуются и соответствующие интерфейсы API. Следовательно, интерфейс API для РПК фирмы Casio идентичен API для РПК компании NEC, поскольку в обеих системах применяется одна и та же конфигурация Windows CE, подготовленная Microsoft для устройств класса РПК. С другой стороны, интерфейсы API устройств РПК и КПК несколько отличаются, поскольку конкретные компоненты Windows CE для этих двух платформ не совсем одинаковы. Однако не стоит придавать большое значение этим отличиям. Если не касаться специфических функций API, рассчитанных только на устройства одного класса, никаких проблем с разработкой программ для обеих платформ не будет. Всегда есть возможность предотвратить возникновение проблем, связанных со спецификой платформ, для этого достаточно явно подключить функции, ориентированные на конкретную платформу, с помощью команд LoadLibrary и GetProcAddress. 

На самом деле самая серьезная проблема разработки программ, предназначенных для выполнения на обеих платформах, связана с разницей в размерах экранов, которыми оснащаются устройства этих классов. Например, вытянутый по горизонтали экран РПК (640Ч240 пиксел) требует иного расположения диалоговых окон, чем на вертикальном экране КПК (240Ч320). Разумное решение в этом случае - подготовить отдельную процедуру для работы с диалоговыми окнами, содержащую разные шаблоны окон для этих двух экранов, отличающихся габаритами. При таком подходе надлежащий шаблон может определять прикладная программа в ходе выполнения. 

Еще одну проблему при программировании для устройств Windows CE создает вечно малый объем памяти рабочей среды, в которой приходится "существовать" программе. При том, что Windows CE предусматривает механизм подкачки страниц по мере надобности, она не позволяет применять файл подкачки для сохранения данных чтения-записи на вторичном устройстве памяти, например жестком диске. Другими словами, недоступные для записи страницы, например с программными кодами и постоянными данными, переносятся в память, как только в них возникает необходимость. Однако данные для чтения-записи никогда не заносятся в файл подкачки на жестком диске. Благодаря таким ограничениям быстрее происходит запуск программ в Windows CE, поскольку в память загружаются только те части программы, которые нужны на момент запуска. Но, поскольку Windows CE не позволяет сохранять в файле подкачки переменные данные, в распоряжении прикладных программ находится весьма ограниченное в объеме физическое ОЗУ устройства. По этой причине, вполне возможно, временами в ходе выполнения программа будет испытывать острый недостаток памяти. Следовательно, программы для Windows CE должны быть предельно "экономны" в потреблении оперативной памяти и снабжены средствами для "мягкого" выхода из возникающих в связи с этим аварийных ситуаций. 

Инструменты

Как известно, Windows CE рассчитана на самые разные устройства, это серьезно осложняет жизнь создателям средств разработки. Поскольку Windows CE совместима с различными ЦП и предусматривает множество вариантов настройки, причем для каждого из них применяется свой API, необходим какой-то способ передачи конкретной среде разработки информации о целевой платформе. Для решения этой задачи Microsoft подготовила целый набор пакетов разработки для Windows CE, некоторые из них совместимы со всеми платформами, а другие ориентированы только на обычные и профессиональные ручные ПК. 

Эти инструменты предназначены для применения в среде Windows NT. Разработка программ происходит в среде Developer Studio с помощью одного из упомянутых ниже языков. Готовая программа выполняется на Windows CE-устройстве, подключенном к ПК разработчика либо через последовательный порт, либо через локальную сеть. Соединение через последовательный порт - стандартный способ подключения в Windows CE, применяемый для синхронизации данных между ними и ПК. Сетевые соединения обеспечивают гораздо более высокую скорость загрузки, чем первый способ, но, к сожалению, некоторые инструменты отладки отказываются работать, если Windows CE-устройство подключено таким образом. 

Microsoft предлагает версии языков Visual C++, Visual Basic и Visual J++ для одной или нескольких платформ Windows CE. Имеющиеся ныне версии Visual Basic и Visual J++ для Windows CE ориентированы только на обычные и профессиональные ручные ПК. В настоящее время для подготовки программ, рассчитанных на другие платформы, пригодна лишь версия Visual C++, совместимая с любой из них. Поэтому в нашей статье мы рассмотрим только среду программирования Visual C++, хотя не исключено, по множеству причин читатель предпочтет какой-то другой из языков. 

Прежде чем приступить к разработке программы для Windows CE на языке Си или Си++, нужно установить стандартную версию Visual C++ (5.0 или 6.0) для настольных ПК, а затем расширение Visual C++ для Windows CE, которое поставляет Microsoft. Оно содержит компиляторы для всех возможных ЦП, с которыми работает Windows CE, а также версии MFC и ATL, рассчитанные на устройства РПК. Это расширение позволяет составлять программы и для ПК, просто благодаря ему увеличивается перечень целевых платформ и появляется возможность разработки приложений для Windows CE. 

Кроме того, для компиляции Windows CE-программы, ориентированной на конкретную платформу, по-прежнему необходимы include- и lib-файлы, поэтому, если программа предназначена для стандартной горизонтальной платформы, следующим шагом будет установка конкретного комплекта SDK для нее. Такие SDK для разных платформ бесплатно предоставляет Microsoft, и их можно переписать с Web-узла компании (www.microsoft.com/windowsce/downloads/pccompanions/default.asp). В комплект поставки пакета Visual C++ для Windows CE обычно входит компакт-диск с SDK для РПК, но все же стоит проверить, нет ли на Web-узле компании более свежей версии. 

Для переноса Windows CE на новую аппаратную платформу Microsoft предлагает еще один инструмент - Windows CE Platform Builder - преемник набора Embedded Toolkit, который применялся в более ранних версиях Windows CE. С помощью данного инструмента можно представить операционную систему в формате библиотеки объектов, с тем чтобы разработчик разбил ее на компоненты и подготовил версию этой ОС для конкретной платформы. В состав Platform Builder входят также инструменты для формирования SDK, рассчитанного на конкретную платформу, для которой подготавливается разбитая на компоненты операционная система. 

Те программисты, которые разрабатывают программы для РПК или других горизонтальных платформ, вполне обойдутся без Platform Builder, но его, несомненно, стоит порекомендовать серьезным авторам Windows CE-приложений. Этот сложный набор инструментов обеспечивает бесценную информацию об архитектуре Windows CE. Позднее мы поговорим о Platform Builder подробнее. 

Базовый цикл разработки программ

А теперь приступим к разработке настоящей Windows CE-программы. Последовательность необходимых для этого шагов здесь такая же, как и при подготовке программы для Windows настольных систем. Для начала организуем новую рабочую область в окне Visual C++. Можно прибегнуть к услугам одного из множества "мастеров", призванных помочь в составлении Windows CE-программ, либо заняться этим самостоятельно, выбрав тип приложения Win32 application и установив флажки для тех процессоров, на которые, как предполагается, будет рассчитана программа. 

По завершении разработки проекта следует просто набрать текст программы и подготовить ресурсы, в том числе меню, пиктограммы и шаблоны диалоговых окон, почти так же, как в ходе аналогичных процедур в среде Windows 98 или Windows NT, исключение составляют вышеупомянутые отличия в API. Как было отмечено ранее, отличия эти не слишком значительны; тем не менее некоторые особенности модели программирования для Windows CE все же заслуживают внимания. Первая, и, на поверхностный взгляд, наиболее удивительная из них, - отсутствие в Windows CE меню для окон верхнего уровня. Это не означает, что Windows CE-программы не могут иметь меню, просто управление ими организуется через панель команд. 

Элемент управления "панель команд" и ее более сложные "сестры" - "командные полосы" - обеспечивают доступ к меню и инструментальным панелям, кроме того, предусматривают место для размещения кнопок вызова справочной системы программ Windows CE и их закрытия. Благодаря своей конструкции эти элементы управления предельно просты в программировании. На деле незамысловатая панель команд, которая обеспечивает доступ к меню и кнопкам закрытия программы, может быть представлена всего тремя строчками в тексте программы. В элементе управления "командная полоса" получила дальнейшее развитие концепция панели команд, компоненты которой, т. е. меню, кнопки и другие элементы, группируются в отдельные полосы, размещаемые на экране пользователем. Основой данного элемента служит элемент управления rebar (повторно используемая панель), разработанный для Internet Explorer 3. 

Еще одно отличие Windows CE-программ состоит в том, что в масштабах отдельной программы пиктограммы назначаются классам, а не экземплярам окна. Следовательно, два окна одного и того же оконного класса будут иметь одну и ту же пиктограмму. Это не играет особой роли, поскольку пиктограмма окна отображается только на соответствующей кнопке панели задач. 

Большинство остальных отличий, не считая уже перечисленных, касается соглашений по программированию, а не ограничений для программ или различий в реализации. Например, окна верхнего уровня в Windows CE могут содержать строки заголовка, в то время как по имеющимся соглашениям это недопустимо. Подобный запрет вызван необходимостью экономии места на крохотных экранах устройств Windows CE. В версиях Windows для настольных систем строка заголовка применяется для перемещения окна по экрану. Такой функции в Windows CE-системах чаще всего нет, так как по умолчанию окна верхнего уровня в Windows CE занимают весь экран. 

Здесь уместно упомянуть одну из новинок Windows CE. Начиная с версии Windows CE 2.1 диспетчер окон обзавелся средствами для работы со стандартными окнами переменного размера. Операционная система всегда обеспечивала возможность формирования окон любого фиксированного размера, однако теперь диспетчер окон позволяет окаймлять перекрывающиеся окна рамками, в результате пользователь может менять их размеры. Тем не менее даже на новых профессиональных РПК такое увидишь не часто, поскольку по умолчанию окна верхнего уровня занимают всю площадь экрана, несмотря на его относительно немалые размеры. 

//============================================================

// TinyCE - Небольшая программа для Windows CE

//

#include <windows.h>

#include <commctrl.h> // подключение линейки команд

LRESULT CALLBACK MainWndProc(HWND, UINT, WPARAM,LPARAM);

TCHAR szAppName[] = TEXT ("TinyCE");

HINSTANCE hInst;

//-----------------------------------

// Точка входа в программу

//

int WINAPI WinMain (HINSTANCE hInstance,

HINSTANCE hPrevInstance, LPWSTR lpCmdLine,

int nCmdShow) {

WNDCLASS wc;

HWND hWnd;

MSG msg;

hInst = hInstance;

// Регистрируется класс App Main Window

memset (&wc, 0, sizeof (wc));

wc.lpfnWndProc = MainWndProc; // Внешний вызов

wc.hInstance = hInstance; // Дескриптор владельца

wc.hbrBackground = (HBRUSH) GetStockObject(WHITE_BRUSH);

wc.lpszClassName = szAppName; // Имя класса окна

if (RegisterClass(&wc) == 0) return -1;

// Построение главного окна

hWnd = CreateWindow (szAppName, // Класс окна

szAppName, // Заголовок окна

WS_VISIBLE, // Флаги стилей

CW_USEDEFAULT, // Позиция по X

CW_USEDEFAULT, // Позиция по Y

CW_USEDEFAULT, // Исходная ширина

CW_USEDEFAULT, // Исходная высота

NULL, // Предок

NULL, // Меню, должен иметь

// значение NULL

hInstance, // Экземпляр программы

NULL); // Указатель для

// создания параметров

// В качестве return-значения передается код ошибки,

// если окно не построено

if (!IsWindow (hWnd)) return -2;

// Стандартные вызовы отображения и обновления

ShowWindow (hWnd, nCmdShow);

UpdateWindow (hWnd);

// Цикл обработки сообщений в программе

while (GetMessage (&msg, NULL, 0, 0)) {

TranslateMessage(&msg);

DispatchMessage(&msg);

}

return 0;

}

//-----------------------------------

// Основная оконная процедура

//

LRESULT CALLBACK MainWndProc(HWND hWnd, UINT wMsg,

WPARAM wParam, LPARAM lParam) {

HWND hwndCB;

PAINTSTRUCT ps;

RECT rect;

HDC hdc;

switch (wMsg) {

case WM_CREATE:

// Создание минимальной панели команд, содержащей только

// кнопку Exit.

hwndCB = CommandBar_Create (hInst, hWnd, 0x10);

CommandBar_AddAdornments (hwndCB, 0, 0);

break;

case WM_PAINT:

// Настройка размера прямоугольника клиентского окна

// с учетом высоты панели команд.

GetClientRect (hWnd, &rect);

rect.top += CommandBar_Height (GetDlgItem (hWnd, 0x10));

hdc = BeginPaint (hWnd, &ps);

DrawText (hdc, TEXT ("Hello Windows CE!"), -1, &rect,

DT_CENTER | DT_VCENTER | DT_SINGLELINE);

EndPaint (hWnd, &ps);

break;

case WM_DESTROY:

break;

}

return DefWindowProc(hWnd, wMsg, wParam, lParam);

}

Достаточно взглянуть на этот текст, чтобы увидеть, как похожи приложения Windows CE на обычные Windows-программы. 

А теперь, не упуская из виду все перечисленные соображения, рассмотрим элементарную программу для Windows CE. На рис. 1 показан исходный текст простой программы TinyCE, которая лишь выводит на экран строку текста в главном окне. При беглом взгляде программисты, сроднившиеся с функциями Win32, вряд ли обнаружат едва уловимые различия между этой программой и ее "кузинам" для Windows 98 или NT. Она так же регистрирует класс окна, конструирует окно, выполняет цикл обработки сообщений и работает с окнами, как и любая другая Windows-программа. В отличиях, наблюдающихся в данном примере, повинны уже упоминавшиеся расхождения в интерфейсах API. Например, для размещения кнопки закрытия программы используется панель команд. После набора текста программы для ее компиляции и запуска применяются точно такие же методы, как и для приложений на настольных ПК. Процедура компиляции предусматривает дополнительную операцию автоматической загрузки полученного EXE- или DLL-модуля в подключенное к настольному ПК Windows CE-устройство. Для запуска программы на выполнение в среде Windows CE выбирается тот же пункт меню Program | Run (Программа | Запуск либо [Ctrl] + [F5]), что и при запуске программы, подготовленной для Windows NT. 

И конечно, с помощью интегрированного отладчика можно выполнять программу в пошаговом режиме. Основное различие между отладкой программ для Windows CE и Windows NT вызвано влиянием скорости последовательного соединения между ПК разработчика и удаленной Windows CE-системой. Из-за низкой скорости такого соединения пошаговая отладка превращается в раздражающе медленный процесс. Что касается меня, я обычно применяю отладчик только для поиска самых трудноуловимых ошибок. 

Вместо дистанционного отладчика можно применять другой вариант. Все SDK для платформ РПК, КПК и автомобильных ПК (Auto PC) оснащены программными эмуляторами, которые пытаются имитировать удаленное Windows CE-устройство в среде Windows NT. Такой эмулятор запускает скомпилированную специальным образом версию подготовленной программы. Он эмулирует интерфейс API Windows CE, в том числе такие его расширения, как API СУБД. Но и здесь не обходится без проблем: модель среды Windows CE, обеспечиваемая эмулятором, далека от идеала. Иногда после целого дня работы вдруг понимаешь, что проблема, над решением которой бьешся, - проблема эмулятора, а не ошибка в программе. 

Но выход из создавшейся ситуации все же есть: программы для Windows CE следует составлять таким образом, чтобы они компилировались как для Windows CE, так и для Windows NT. В результате общие для обеих систем фрагменты приложения можно отлаживать локально в среде Windows NT, а затем, выбрав иную целевую среду, провести компиляцию для Windows CE. Нужно только помнить, что многократные компиляции на любой из платформ чреваты сложностями. После бесконечных повторов компиляции для Windows NT придется потратить массу времени, чтобы путем внесения изменений добиться надлежащего функционирования программы в среде Windows CE. 

Разработать программу, которая будет компилироваться и для Windows NT, и для Windows CE, не так уж и трудно. Чтобы выделить фрагменты программы, характерные для конкретной операционной системы, следует применять выражения define компилятора, и тогда они будут выбираться при компиляции для заданной ОС. В приведенном ниже фрагменте программы функции формирования панели команд размещены в предложениях условной компиляции (#), поэтому будут охвачены процедурой компиляции только для Windows CE. 

#ifdef _WIN32_WCE // Если выполняется

// компиляция для CE

HWND hwndCB;

// Формирование панели команд.

hwndCB = CommandBar_Create (hInst, hWnd,

IDC_CMDBAR);

// Добавление кнопки закрытия программы

// в панель команд.

CommandBar_AddAdornments (hwndCB, 0, 0);

#endif // _WIN32_WCE

Конечно, подготовка текста программы составляет только часть процесса разработки. Жизненно необходим набор инструментов для отладки и тестирования программы. В ходе установки Visual C++ для Windows CE инсталлируется комплект инструментов для работы в дистанционном режиме, который поможет при отладке Windows CE-программ. В комплект входят большей частью инструменты, аналогичные своим собратьям, ориентированным на отладку Windows-программ для настольных ПК. Среди них имеются Windows CE-версии программы Regedit для редактирования системного реестра на Windows CE-устройствах; Spy для отслеживания сообщений, поступающих для окон Windows CE, и ZoomIn для проверки прорисовки изображений при их увеличении. Кроме того, комплект содержит модуль мониторинга, который позволяет отслеживать состояние процессов, исполняющихся на устройстве. Программа обеспечивает информацию о текущих потоках каждого процесса, а также о том, какие DLL загружены в ходе выполнения этого процесса. И последний инструмент - программа просмотра памяти, с помощью которой можно проверять содержимое динамических областей памяти программы (хипов). Все эти инструменты запускаются на настольном ПК и взаимодействуют с ПО удаленного клиента подключенного к нему Windows CE-устройства. 

Platform Builder

Подготовка программ для Windows CE - только одна сторона работы с этой операционной системой. Известно, что версии Windows для настольных машин можно переносить на другие совместимые ПК, однако права на поставку комплектов инструментов, необходимых для этих целей, принадлежат компании Microsoft и ее уполномоченным OEM-партнерам. Напротив, аналогичный набор Platform Builder для Windows CE, несмотря на его дороговизну, распространяется через розничные каналы. Таким образом, разработчики программ для Windows CE могут не только составлять программы, но и подготавливать различные версии самой операционной системы. 

В состав Platform Builder входят тексты образцов программ для слоя абстракции OEM (OEM abstraction layer, OAL), который представляет собой слой программ, разработанных производителем оборудования для адаптации Windows CE к конкретной аппаратуре. OAL содержит ПО слоя аппаратной абстракции (Hardware Abstraction Layer, HAL), предназначенное для обслуживания ядра Windows CE, а также драйверы для встроенных аппаратных компонентов, например клавиатуры, сенсорного экрана и дисплея. Кроме того, имеются тексты программ для образцов драйверов аудиоустройств и последовательного порта, а также драйвера контроллера PCMCIA. 

Комплект Platform Builder предусматривает и средства низкоуровневой отладки. Эти инструменты предназначены прежде всего для содействия в переносе Windows CE на новые аппаратные платформы, но они вполне пригодны и для диагностирования трудноустранимых проблем прикладного ПО. В новейших версиях Windows CE есть специальные программные процедуры для работы со встроенным профилировщиком Монте-Карло - весьма удобным средством оптимизации производительности программ. Наконец, Platform Builder сопровождает обширная, с точки зрения производителя оборудования, документация по эксплуатации Windows CE. 

Программирование в среде Windows CE - занятие довольно интересное. Интерфейс API Win32 придает этому процессу сходство с программированием для Windows 98 или NT, однако при разработке программ приходится учитывать аппаратные ограничения. Менее быстродействующие ЦП и ограниченный объем памяти большинства Windows CE-устройств заставляют тщательно продумывать подходы к программированию, чтобы повысить эффективность своих творений. На самом деле довольно забавно в наше время, т. е. в эпоху многомегабайтных программ для ПК, увидеть программистов, всерьез озабоченных быстродействием ЦП и объемами программ.