IP2000網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)方案概要設(shè)計(doc)
IP2000是我們公司根據(jù)市場需求將開發(fā)的第二代網(wǎng)絡(luò)終端，要求具有友好的類WINDOWS風(fēng) 格的人機交互界面，在滿足傳統(tǒng)終端全部功能基礎(chǔ)上，實現(xiàn)以太網(wǎng)聯(lián)機功能（實現(xiàn)TELN ET遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）和支持多任務(wù)的一種更新?lián)Q代產(chǎn)品。功能需求簡述如下： o 提供類WINDOWS風(fēng)格的用戶界面，采用桌面圖標(biāo)的方式啟動任務(wù) o 實現(xiàn)TELNET遠(yuǎn)程登錄協(xié)議 o 支持最多達8個任務(wù)同時運行 o 支持PS/2鼠標(biāo) o 支持網(wǎng)絡(luò)版本更新 o 支持網(wǎng)關(guān)功能 o 支持本地和網(wǎng)絡(luò)打印機 在此需求前提下，我們決定采用多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)（EOS）+嵌入式GUI+終端仿真 的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)需求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖描述如下： [pic] 一、結(jié)構(gòu)設(shè)計 在此系統(tǒng)框圖的基礎(chǔ)上，我們分別對各層次進行結(jié)構(gòu)設(shè)計分析： 1、EOS設(shè)計 目前存在的嵌入式系統(tǒng)多不勝數(shù)，流行的有WinCE、PalmOS、Vxwork、pSOS、Neculeu s等多種系統(tǒng)。從目前嵌入式系統(tǒng)使用最廣泛的信息家電行業(yè)和通訊行業(yè)分析，PalmOS和 WinCE、Vxwork是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的三種： o Windows CE： Microsoft Windows CE是一個簡潔的，高效率的多平臺操作系統(tǒng)。它不是削減的Windows95版本，而是從 整體上為有限資源的平臺設(shè)計的多線程，完整優(yōu)先權(quán)，多任務(wù)的操作系統(tǒng)。它的模塊 化設(shè)計允許它對于從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進行定制，但Win CE是非開放性操作系統(tǒng)，使第三方很難實現(xiàn)產(chǎn)品的定制，嵌入式操作系統(tǒng)追求高效、 節(jié)能，而WinCE在這方面是笨拙的，它占用過多的內(nèi)存，應(yīng)用程序龐大，而且入門費 和許可費較高，使得整個產(chǎn)品的成本急劇上升。所以WinCE多用于從高檔的產(chǎn)品。 o VxWorks： VxWorks所在的公司W(wǎng)indRiver兼并了pSOS的ISI公司，使得該公司現(xiàn)在有兩大RTO S系統(tǒng)。VxWorks是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛，市場占有率最高的系統(tǒng)。它支 持多種處理器，如x86，i960，Sun Sparc，Motorola MC68xxx，MIPS RX000，POWER PC等等。使用的是和UNIX不兼容的環(huán)境，大多數(shù)的VxWorks API是專有的。采用GNU的編譯和調(diào)試器。 o pSOS： ISI公司已經(jīng)被WinRiver公司兼并，現(xiàn)在是屬于WindRiver公司的產(chǎn)品。這個系統(tǒng) 是一個模塊化，高性能的實時操作系統(tǒng)，專為嵌入式微處理器設(shè)計，提供一個完全多 任務(wù)環(huán)境，在定制的或是商業(yè)化的硬件上提供高性能和搞可靠性。可以讓開發(fā)者將操 作系統(tǒng)的功能和內(nèi)存需求定制成每一個應(yīng)用所需的系統(tǒng)。開發(fā)者可以利用它來實現(xiàn)從 簡單的單個獨立設(shè)備到復(fù)雜的、網(wǎng)絡(luò)化的多處理器系統(tǒng)。 o QNX： QNX是一個實時的，可擴充的操作系統(tǒng)，它遵循POSIX.1 (程序接口)和POSIX.2 (Shell和工具)、部分遵循POSIX.1b(實時擴展)。它提供了一個很小的微內(nèi)核以及一 些可選的配合進程。其內(nèi)核僅提供4種服務(wù)：進程調(diào)度、進程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信 和中斷處理，其進程在獨立的地址空間運行。所有其它OS服務(wù)，都實現(xiàn)為協(xié)作的用戶 進程，因此QNX內(nèi)核非常小巧(QNX4.x大約為12Kb)而且運行速度極快。這個靈活的結(jié) 構(gòu)可以使用戶根據(jù)實際的需求將系統(tǒng)配置成微小的嵌入式操作系統(tǒng)或是包括幾百個處 理器的超級虛擬機操作系統(tǒng)。 o Palm OS： 3Com公司的Palm OS在PDA市場上占有很大的市場份額，它有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口（API），開 發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需要的應(yīng)用程序。目前已經(jīng)有總共3500多個應(yīng)用程序可 以運行在Palm Pilot上，其中大部分應(yīng)用程序均為其他廠商和個人所開發(fā)，使得Palm Pilot的功能得以不斷增多。這些軟件包括計算器、各種游戲、電子寵物、地理信息 等等。在開發(fā)環(huán)境方面，可以在Windows 95/98，Windows NT以及Macintosh下安裝Palm Pilot Desktop；PlamPilot可以與流行的PC平臺上的應(yīng)用程序如Word，Excel等進行數(shù)據(jù)交 換。 o OS-9： Microwave的OS- 9是為微處理器的關(guān)鍵實時任務(wù)而設(shè)計的操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于高科技產(chǎn)品中，包括 消費電子產(chǎn)品，工業(yè)自動化，無線通訊產(chǎn)品，醫(yī)療儀器，數(shù)字電視/多媒體設(shè)備中。 它提供了很好的安全性和容錯性。與其他的嵌入式系統(tǒng)相比，它的靈活性和可升級性 非常突出。 o LynxOS： Lynx Real-time Systems的LynxOS是一個分布式、嵌入式、可規(guī)模擴展的實時操作系統(tǒng)，它遵循POSI X.1a、POSIX.1b和POSIX.1c標(biāo)準(zhǔn)。LynxOS支持線程概念，提供256個全局用戶線程優(yōu) 先級；提供一些傳統(tǒng)的，非實時系統(tǒng)的服務(wù)特征；包括基于調(diào)用需求的虛擬內(nèi)存，一 個基于Motif的用戶圖形界面，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及應(yīng)用開發(fā)工具。 o Linux： Linux在嵌入式領(lǐng)域獲得了飛速發(fā)展，目前正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，49%的項目 選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。Linux之所以能在嵌入式系統(tǒng)市場上取得如此迅速的 發(fā)展，與它自身的優(yōu)良特性有著不可分割的關(guān)系： 免費、開放源碼，豐富的軟件資源； 功能強大的內(nèi)核，性能高效、穩(wěn)定，多任務(wù)； 支持多種體系結(jié)構(gòu)，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等； 完善的網(wǎng)絡(luò)通信、圖形、文件管理機制； 支持大量的周邊硬件設(shè)備，驅(qū)動豐富； 大小、功能都可定制； 良好的開發(fā)環(huán)境，不斷發(fā)展的開發(fā)工具集； 廣泛的軟件開發(fā)者的支持； 價格低廉。 從我們IP2000網(wǎng)絡(luò)終端的需求和目前網(wǎng)絡(luò)終端的市場來分析，目前我們公司已有的產(chǎn)品 IP1000采用Linux+Microwin這種方式已基本實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)終端的需求，只是在界面的美觀程 度和系統(tǒng)速度上比同類型的較為突出的實達netterm 860終端有所不足，但從系統(tǒng)的角度和開發(fā)進度以及成本的角度考慮，重新引進一種新的 嵌入式操作系統(tǒng)，以上介紹的幾種EOS引進的門檻成本太高，且需要較長時間消化和熟悉 ，移植到我們的硬件平臺也需要長時間的過程，綜合考慮，我們還是決定在博利思提供 的Linux內(nèi)核的基礎(chǔ)上構(gòu)筑我們的IP2000的OS，并準(zhǔn)備對內(nèi)核作如下改進： o 優(yōu)化framebuffer代碼，并在原有256色的基礎(chǔ)上增加16色支持 o 修改ttyS0/1的設(shè)備驅(qū)動，解決目前IP1000存在的所有由于串口造成的問題 2、GUI設(shè)計 通過對目前幾種基于Linux的嵌入式GUI的詳細(xì)分析，較好的嵌入式GUI通常結(jié)合面 向?qū)ο蠓椒ú捎枚鄬营毩⒃O(shè)計，具有以下結(jié)構(gòu)： o 設(shè)備相關(guān)層(driver) 在這一層的功能應(yīng)該是將系統(tǒng)中與設(shè)備和操作系統(tǒng)平臺的具體細(xì)節(jié)屏蔽起來。它利 用實際的設(shè)備驅(qū)動程序接口或者OS系統(tǒng)調(diào)用來與硬件設(shè)備交互，這些硬件設(shè)備主要 包括screen、mouse和keyboard等。我們使用設(shè)備對象（device object）的概念來描述一類設(shè)備，每一個對象描述了一類實際設(shè)備的屬性和方法。 比如，screen設(shè)備對象就描述了screen設(shè)備的各種屬性（屏幕尺寸、分辨率、像素 深度、像素格式、邏輯顯存首地址等等）和基本方法（打開和關(guān)閉顯示器、設(shè)置調(diào) 色板、返回屏幕屬性、讀寫像素點等等）。對于同一類設(shè)備在不同驅(qū)動或者平臺上 的具體情況則以設(shè)備對象實例來描述，比如screen類型的設(shè)備，我們可能讓它工作 在Linux上，通過framebuffer 或者SVGALib驅(qū)動來操作它。他們的對象類相同，但是類的屬性和方法的實現(xiàn)不一 樣。中間層看到的只是該類設(shè)備的可選的對象實例，不用關(guān)心底層是如何操作的（ 也就是對象的方法是怎樣實現(xiàn)的）。最底層實際上是以設(shè)備對象的方式為中間層提 供了一個抽象的設(shè)備驅(qū)動界面。為了移植更容易，最底層應(yīng)盡量簡潔，只實現(xiàn)最基 本的設(shè)備功能函數(shù)?？梢钥吹剑?dāng)系統(tǒng)要移植到另外的平臺上時，我們只要按照各 類設(shè)備對象的定義實現(xiàn)相對較少的函數(shù)就能建立新的設(shè)備對象實例并讓中間層選擇 他們就可以了。 o 設(shè)備無關(guān)層(engine) 這一層的功能是提供一個可以為各種應(yīng)用層共享的與設(shè)備無關(guān)的核心圖形引擎 ，其中的主要工作就是實現(xiàn)各種圖形函數(shù)和輸入設(shè)備的功能函數(shù)。對于中間層，它 向下看到的是各類設(shè)備對象，向上則是要提供一個抽象的核心圖形界面，使得上面 的應(yīng)用層對它所使用的到底是什么設(shè)備對象不用去理會。很顯然，這一層根據(jù)不同 的設(shè)備和平臺選擇相應(yīng)的設(shè)備對象實例來實現(xiàn)核心圖形引擎。 由于每類設(shè)備的各個實例擁有同樣的對象類型定義，所以中間層基于設(shè)備對象所實 現(xiàn)的功能是不會因為設(shè)備和平臺的更改而受影響的。同時，中間層把消息驅(qū)動機制 、窗口管理機制交給應(yīng)用層去完成，因此，對于各類型的應(yīng)用層（Win32或者是X- Windows），中間層完成的功能都是通用的。 o 應(yīng)用層(API) 這一層的功能是按照應(yīng)用的具體要求為應(yīng)用程序提供適當(dāng)?shù)膽?yīng)用層用戶界面。 當(dāng)應(yīng)用程序不需要窗口系統(tǒng)的時候，用戶自定義圖形界面將十分簡單，甚至可以 什么都不做而直接使用中間層提供的抽象核心界面。如果用戶需要完善的多任務(wù) 窗口系統(tǒng)，比如是類Win32的，可以使用抽象核心界面來實現(xiàn)其應(yīng)用程序編程接口 (API)以及窗口和消息機制等。 嵌入式GUI的體系結(jié)構(gòu)的抽象參考模型如下: [pic] 目前采用此套結(jié)構(gòu)的比較成熟的嵌入式GUI有Microwindow和MiniGUI兩種GUI平臺， Microwindow平臺提出較早，并且經(jīng)過多年的實踐，已經(jīng)比較成熟，目前國內(nèi)的眾多嵌入 式系統(tǒng)廠商包括聯(lián)想、中軟、紅旗、桑夏科技、華恒等都采用Micorwindow作為基礎(chǔ)開發(fā) 自己嵌入式GUI，但因為該項目缺少強有力的核心代碼維護，代碼質(zhì)量參差不齊，因此在 另外一種GUI Qt/Embedded發(fā)布以來，它就長時間停留在了0.89Pre7版本,近幾年來發(fā)展緩慢； MiniGUI項目起源于清華大學(xué)一個采用嵌入式Linux系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)項目，開發(fā)之初 借鑒了Microwindow的一些經(jīng)驗，但后來在發(fā)展速度上超過了Microwindow（MiniGUI已是 1.2.0版本,但Microwindow至今還是0.89pre版本），由于兩者都是自由軟件項目，開放 源代碼和所有文檔，可作為我們IP2000網(wǎng)絡(luò)終端的GUI設(shè)計的參考選擇，我們可以在其中 一種的基礎(chǔ)上構(gòu)筑我們自己的GUI平臺。由于IP2000網(wǎng)絡(luò)終端有多任務(wù)功能需求，因此我 們的GUI設(shè)計必須能夠滿足適應(yīng)多任務(wù)的需求，通過對已有的兩種GUI進行預(yù)研，我們發(fā) 現(xiàn)，GUI的多任務(wù)設(shè)計通常有兩種方法： o 采用C/S結(jié)構(gòu) C/S結(jié)構(gòu)是天然的多任務(wù)，在Sever端專門負(fù)責(zé)監(jiān)控外部事件和隨之的消息傳遞和分 發(fā)，Client完成消息的處理，各個Client之間互不干擾和影響。采用這種方法實現(xiàn) 多任務(wù)支持的有Microwindows的Nano- x方案和MiniGUI，但兩種GUI實現(xiàn)的機制有很大差別，MicroWindows為了追求和X Window的兼容，采用了傳統(tǒng)的基于Unix套接字通訊方式的C/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這樣大量的 數(shù)據(jù)在客戶/內(nèi)核/服務(wù)器之間傳遞，增加了系統(tǒng)負(fù)荷，占用了更多系統(tǒng)資源，降低 了系統(tǒng)的圖形效率，并不適應(yīng)于CPU速度較慢和系統(tǒng)資源有限的一般嵌入式場合。而 MiniGUi吸取了Microwindows的經(jīng)驗，采用了獨特的體系結(jié)構(gòu)，它的最初版本采用線 程機制來實現(xiàn)C/S結(jié)構(gòu)，這樣所有的應(yīng)用程序都運行在同一個地址空間，大大提高了 程序之間的通信效率，但這種結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了系統(tǒng)整體的脆弱，如果某個線程因為非 法的數(shù)據(jù)訪問而終止運行，整個進程都將受到影響，不過，這種體系結(jié)構(gòu)對關(guān)鍵的 實時控制系統(tǒng)來說，還是非常適合的，后期發(fā)展的MiniGUI- Lite版本則作了一些改進，在獨立多進程和系統(tǒng)效率之間作了一些綜合，采用套接 字和共享內(nèi)存結(jié)合的方式支持多進程，并且提供前后臺進程的切換，通過共享內(nèi)存 機制提供全局資源的共享，以便減少實際內(nèi)存的消耗，但好像MiniGUI的圖形引擎不 是直接建立在內(nèi)核framebuffer驅(qū)動上，而要由如Libggi或Svgalib等更高一級的圖 形庫支持，并且由于MiniGUI采用了獨特的接口設(shè)計，其應(yīng)用程序的可移植性很差， 而 MicroWindows的Nano-x方案則采用 X Window的兼容接口設(shè)計，大大方便了許多基于X Window的應(yīng)用程序的移植和代碼復(fù)用。 o 采用GUI上下文共享的方法 通常在單任務(wù)GUI基礎(chǔ)上開發(fā)圖形界面應(yīng)用有如下圖左邊的系統(tǒng)流程， [pic] 應(yīng)用程序通過調(diào)用GUI的API實現(xiàn)相應(yīng)功能，而這些函數(shù)有自己的上下文，并且這些上下 文主要是通過數(shù)據(jù)空間的形式（data & BSS）來保持的。由于消息系統(tǒng)的同步功能，如果在同一進程中創(chuàng)建并使用多個窗口，也 不會造成GUI的沖突。例如，可以在一個進程中構(gòu)造記事本和計算器，兩個窗口都可以正 常地運行，因為任一時刻只有一個窗口接受消息隊列的消息分發(fā)并處理（使用或改變GU I上下文）——這種同步是由消息系統(tǒng)來保證的。假如把GUI使用的上下文和應(yīng)用其它部分 的上下文分開，一個應(yīng)用完全是可以正常運行的。如果把這種方法應(yīng)用到多任務(wù)的系統(tǒng) ，如果各個任務(wù)獨有自己的GUI上下文，則不能解決一些系統(tǒng)公共的設(shè)備例如鼠標(biāo)、鍵盤 、輸入法等事件的檢測、轉(zhuǎn)換、分派以及系統(tǒng)龐大等許多問...
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