（计算机应用技术专业论文）基于构件技术的智能手机操作系统的研究与开发.pdf

摘要 随着信息技术的飞速发展，手机的功能也越来越复杂，从普通手机逐 渐过度到多功能手机，现在又出现了结合掌上电脑功能和手机功能的智能 手机。手机里面的软件也随之更新，传统手机里的简单控制程序已经不能 满足需要，尤其有必要针对智能手机研究出新的操作系统。另一个方两， 随着现代软件复杂度的与日俱增，传统的对整个软件的源代码进行静态编 译的方式已经不能适应时代发展的需要了。对此提出了构件化的编程模型， 让软件在运行的时候能够动态加载模块，且能适应软件工厂的要求。现在 已经有多种构件化的编程技术。 本文就是结合一种简单易学、功能强大的构件技术c a r 构件技术， 分析了如何设计一个完全基于构件的智能手机操作系统。在分析的过程中， 主要结合科泰世纪公司研发的e l a s t o sm o b i l ee d i t i o n ( 简称e i a m e ) ，以 c a r 构件技术为核心，从多个方面讲解了系统的设计要点。 本文首先基于实际的智能手机系统的组成，描述了基于c a r 构件的智 能手机操作系统的基本组成框架，指出了它的核心部分是融在内核中的c a r 构件运行平台。接着通过对e i a m e 的灵活内核的分析，讲解了c a r 构件运 行平台的强大功能，且具体介绍了c a r 构件运行平台如何做到构件透明调 用的机制。然后重点分析了e i a m e 中的系统级构件的设计概要。先从内核 里的构件化对象入手，对进程、线程、地址空间等传统的内核对象进行了 构件化设计，从而带来了诸如安全性等好处。由于文件系统是作为操作系 统的重要组成部分，所以也重点讲解了文件系统构件带来的优势以及具体 设计过程。另外，针对驱动程序的编写，分析了构件化的驱动模型。从应 用层面上，本文还对构件化的应用程序做了简要的描述，分析了应用构件 的一些特征和典型例子，结合具体的环境给出了应用构件的编写方法。 通过对如何把构件技术应用到智能手机操作系统中的各种描述，可以 看出构件技术的种种优势，把它运用在智能手机当中，既能满足智能手机 的功能需求，又能给手机带来高效率、灵活性、安全性等诸多优点。可以 晚，基于c a r 构件技术的智能手机操作系统，从技术上来说，是智能手机 操作系统的一个重大突破，代表了未来智能手机的一个重要的发展方向。 关键字：c a r 构件技术，智能手机，灵活内核，进程问通信 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y 、t h 0f u n c t i o n so fm o b i l e p h o n e sb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e x f e a t u r ep h o n e sh a v er e p l a c e dt h e c o m m o nm o b i l ep h o n e sr e c e n t l y ，a n dn o w s m a r t p h o n e sa p p e a r , w h i c hc o m b i n e t h ef u n c t i o n so fp d aa n dm o b i l ep h o n e s s o f t w a r ei nm o b i l ep h o n e su p d a t e s a c c o r d i n g l y ，a n d i t s n e c e s s a r yt o r e s e a r c hb r a n dn e wo p e r a t i n gs y s t e m si n s m a r t p h o n e s a s t h ec o m p l e x i t yo fs o f t w a r ei n c r e a s e s ，t h em e t h o dt h a tc o m p i l e s a l ls o u r c ec o d eo ft h es o f t w a r ei so u to fd a t es os o m e o n e b r i n g sf o r w a r dt h e s o f t w a r ec o m p o n e n tm o d e l ，w h i c hc a nm a k es o f t w a r el o a d sm o d u l e sw h e ni ti s f r a m i n g ，b e s ts u i tf o rt h en e e do f s o f t w a r ef a c t o r i e s t h e r ea r eal o to fs o f t w a r e c o m p o n e n tt e c h n o l o g i e sn o w t h i sp a p e ri n t r o d u c e sh o wt od e s i g nas m a r t p h o n eo p e r a t i n gs y s t e mb a s e d o nc o m p o n e n tt e c h n o l o g y , u s i n gc a r c o m p o n e n tt e c h n i q u e ，w h i c hi se a s yt o l e a r na n di sa l s o p o w e r f u l i t u s e se l a s t o sm o b i l e r d i t i o n ( e l a m e ) ，t h e o p e r a t i n gs y s t e md e v e l o p e db yk o r e t i d ec o r p ，i n w h i c hc a rc o m p o n e n t t e c h n i q u ei s u s e d e v e r y w h e r e ，t oi n t r o d u c et h ek e yp o i n t so fd e s i g n i n gt h e s y s t e m t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e st h ef r a m e w o r ko fs m a r t p h o n ep l a t f o r mb a s e do n c a r c o m p o n e n tt e c h n i q u e ，i nw h i c h c a r c o m p o n e n t r u n t i m ep l a t f o r mr u n si n t h eo sk e r n e l i ti n t r o d u c e st h ea g i l ek e r n e lo f e l a m e ，a n d g i v e st h em e c h a n i s m o fc a r c o m p o n e f l tr u n - t i m ep l a t f o r m t h e ni ta n a l y s e st h es y s t e mc o m p o n e n t s i ti n t r o d u c e st h eo b j e c t si nk e r n e l ，s u c ha sp r o c e s s ，t h r e a d ，a d d r e s ss p a c e ，a n d m a k et h e mb ec o m p o n e n t s ，w h i c hg i v e st h eu s e ra d v a n t a g e ss u c ha ss o f t w a r e s a f e t y b e c a u s ef i l e s y s t e mi s a ni m p o r t a n tp a r to fo s ，t h ep a p e rp a y sm o r e a t t e n t i o nt ot h ef i l es y s t e mc o m p o n e n t i ta d v o c a t e sf o rt h ea d v a n t a g e so ff i l e s y s t e mc o m p o n e n t ，a n d a l s od e s c r i b e sh o wt o d e s i 蛐i t a n d t h e p a p e r r e c o m m e n d st h ed r i v e r c o m p o n e n tm o d e l ，t o o t h ep a p e r i n t r o d u c e st h e a p p l i c a t i o nc o m p o n e n t s ，t o o i t t e l l st h ec h a r a c t e r i s t i co f a p p l i c a t i o nc o m p o n e n t s ， a n da l s og i v e sa ne s p e c i a l l ye x a m p l eu s i n g w i d e l yi ns m a r t p h o n e s i ti n t r o d u c e s h o wt ow r i t eac o m p o n e n t u s i n g t h ec o r r e s p o n d i n ge n v i r o n m e n t i t s e a s yt o s e em a n ya d v a n t a g e so fc o m p o n e n tt e c h n o l o g y i f i ti su s e di n s m a r t p h o n eo s ，i tc a l lf u l f i lt h en e e d so f v a r i o u sf u n c t i o n so f s m a r t p h o n e s ，a n d a l s ob ee x c e l l e n ti ne f f i c i e n c y ，a g i l i t y , s a f e t y , e t c t h es m a r t p h o n eo sb a s e do i l c a r c o m p o n e n tt e c h n i q u e ，i sa l lg r e a tb r e a k t h r o u g hf o rs m a r t p h o n eo s s ，a n d r e p r e s e n t sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no fs m a r t p h o n e si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c a rc o m p o n e n tt e c h n i q u es m a r t p h + n e a g i l e k e r n e l i p c 武汉理工大学硕士学位论文 主要符号表 a o p ：a s p e c t o r i e m e dp r o g r a m m i n g ，面向方面编程 c a r ：c o m p o n e n ta s s e m b l yr u n t i m e ，也称为c a r e f r e ea p p l i c a t i o nr u n t i m e c o r b a ：c o n l n l o n 0 b j e c tr e q u e s tb r o k e r a r c h i t e c t u r e c o m ：c o m p o n e n t 0 b i e c tm o d e l 一 e l a m e ：e l a s t o sm o b i l ee d i t i o n e l a s t o s ：“和欣”操作系统 m a r s h a l i n g ：列集 i p c ：i n t e r p r o c e s sc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m s ，进程间通信 u n m a r s h a l i n g ：散集，列集的反过程 u r l ：u n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r u u n m ：u n i v e r s a l u n i q u e n a l t l e u u i d ：m a i v e r s a l l yu n i q u e i d e n t i f i e r 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 智能手机的概念 随着信息技术的进步，手机已经成为日常生活中广为使用的一个通讯 设备。手机的内部结构从简单逐渐变得复杂，功能也越来越强大。如今， 具有彩色液晶显示屏、和弦铃声、摄像头的手机也比比皆是。按照手机的 发展过程以及它自身所具有的功能，可以把手机划分成吼下三类( 均指数 字手机，不包含模拟手机) ： 普通手机：较早出现的手机，前几年市场上的主流机型，现在市场上 还有部分低端手机也属于此类。一般来说，此类手机只具备基本的通信功 能，比如打电话，发短信等。它内部的处理器比较简单，液晶显示屏一般 为单色的。利用有限的计算功能，它还可以处理一些简单的附加任务，比 如可以玩固定的一些小游戏等等。一般来说，软件不可以扩充。 多功能手机( f e a t u r ep h o n e ) ：如今市场上的主流机型。此类手机的 功能相对来说比较强大，除了基本的通信功能之外，还拥有比较强大的附 加功能，比如上w a p 网，j a v a 游戏，多媒体短信( 删s ) 。它们的屏幕一般 都是彩色，铃声等方面也采用了和弦铃声。一般来说，软件的扩充性比较 小a 智能手机，( s m a r t p h o n e ) ：如今市场上的高端机型，未来手机发展的 方向。从硬件上来讲，在嵌入式设备中已经十分强大，主c p u 的速度可以 达到i o o m h z 以上，还拥有多媒体加速等功能。这类手机都有专门的操作 系统来支撑各种应用，除了具有多功能手机的各种功能之外，还可以通过 加载不同的应用程序来实现更加复杂的功能。所以，在软件方面，它是可 以灵活扩充的。可以把它看成是电话和掌上电脑的结合体。 上面这三种手机之间并没有非常明确的界线。手机的功能必须要对应 的软件来进行支持，普通手机只有简单的控制程序，还没有操作系统的概 念；多功能手机一般也认为采用的是控制程序只是更加复杂而己，但由 于它的功能已经比较强大了，所以在部分机型中已经采用了操作系统：但 在智能手机中，操作系统的功能才更为强大，作用也更加明显。 亟堡堡! 二叁堂堡主兰垡堡茎 。 1 。2 智能手机操作系统概述 1 2 1 智能手机操作系统的基本功能 智能手机可以看成是具有完整通信功能的手持式电脑，所以它的操作 系统的基本功能和普通电脑的操作系统的功能是一致的，概括来说就是管 理硬件和软件只是这里硬件不是普通电脑，而是手机。智能手机可以 看成一个嵌入式设备，所以智能手机操作系统也属于嵌入式操作系统。同 时，由于智能手机是一个移动通信设备，在硬件上拥有自己的特点，所以 它与一般的嵌入式操作系统在具体细节上有比较大的区别。 一般来说，智能手机操作系统除了具备普通操作系统的基本功能之 外，还应当具备以下的基本功能： 紧凑高效：智能手机毕竟是嵌入式系统，在硬件设备上比桌面p c 机 还是有比较大的差距，所以在里面运行的操作系统必须更加小巧和高效。 针对移动通信优化：智能手机里的很多应用都是和无线通讯相关的，针对 它们进行优化能够提高系统的整体运行效率。 省电设计：对于手持式设备，电池的续航能力是一个受用户广为关注 的热点。电池到底能够用多久，既与电池的容量有关，也与c p u 对整个智 能手机系统的用电量的控制有密切关系。 1 2 2 市场上现有的智能手机操作系统 随着智能手机逐渐涌入市场，现在市面上已经有不少智能手机操作系 统，比如微软的w i n d o w sm o b i l e 系列，s y m b i a n 的s y m b i a no s ，p a l mi n c 的p a l mo s 以及专门面对手机市场的嵌入式l i n u x 版本。下面简要介绍以 下这几个智能手机操作系统： 微软在操作系统开发方面经验丰富，它的w i n d o w sm o b i l e 系统来源 于它的。款嵌入式系统w i n d o w sc g ，功能很强大，在界面和多媒体处理 能力上比较优秀。 s y m b i a no s 受到以诺基亚为首的业界许多大公司的支持，表现也很 出色，有极强的竞争力。它是现今市场占有率最高的智能手机操作系统， 运行稳定，且应用软件丰富。 p a l ml n c ，从做p d a 起家，可以说是p d a 市场的老大。由于智能手机 和p d a 的联系密切，所以为了适应时代需要，自然而然把p d a 上的操作系 统移植到手机当中。 武汉理工大学硕 ：学位论文 g i n u x 由于在全球受到了大量爱好者的支持，且丌放源代码，这是它 的一个很大的优势。摩托罗拉的多款手机就采用了l i n u x 。 如今，国内的许多软件厂商也开始进入智能手机操作系统这个领域。 比如，国产操作系统h o p e n 已经应用在联想的多款手机上面。本人实习所 在的科泰世纪公司，也是中国智能手机操作系统的一支生力军，本文所研 究的内容就是基于科泰世纪的智能手机操作系统e l a s t o s 开展的。 1 3 基于构件技术的智能手机操作系统 传统的操作系统多多少少存在着一些缺点，比如应用程序的扩展性、 运行效率、编程模型等等，它们在许多方面都有提高的必要。如今，已经 有一些新的软件模型提出来了，可以针对具体的运用范围，对操作系统的 功能和性能进行改进。 近年来软件构件技术得到了飞速的发展，已经逐渐成为软件开发中的 一种主流技术，且应用在许多操作系统中了。所以也相应地提出了在智能 手机操作系统应用构件技术的方法，它能够有效地解决其他操作系统带来 的一些问题，特别适合于在网络环境中手机应用软件的运行。 科泰世纪公司研发的嵌入式操作系统e l a s t o s ( 中文名为“和欣”) 是一款新型的面向网络应用的操作系统，具有灵活内核，多进程，多线程， 体积小，速度快等特征。它的最大特色就是采用了自主开发的新型构件技 术c a r 构件技术( 在下一章有详细讲解) ，最大程度地支持模块化的 软件应用，符合软件工业发展的需要。 e l a s o t s 可以运行在多种嵌入式设备上面，其中它的智能手机版本叫 做e l a s t o sm o b i l ee d i t i o n ，简称e i a m e ，针对手机的应用做了许多相应 的优化，且拥有多种先进功能，已经成为智能手机操作系统市场的一个强 有力的竞争者。本文主要针对e i a m e 的一些特点，基于c a r 构件技术，说 明了智能手机操作系统的研究与开发要点，以及如何打造一个能够充分发 挥构件技术的智能手机解决方案。 武汉理1 ：大学硕士学位沦文 第2 章c a r 构件技术 2 1 构件技术 随着软件复杂度的与日俱增，传统的把整个软件的源程序拿来静态编 译的方法显然不适合了。在这个前提下，产生了软件拼装模式，把软件分 成一个个相对独立的目标代码模块，称之为构件。软件丌发人员只需要做 和自己相关的构件，编译通过，就能够拿来和其他模块组装在一起使用了。 通过装卸实现某个功能的构件，就可以实现对系统的灵活升级。 如今，已经成熟且广为使用的构件技术有微软的c o m ( c o m p o n e n t o b j e e tm o d e l ) ，o m g 组织的c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e r a r c h i t e c t u r e ) 。等等，用它们生成的构件都是基于二进制目标代码的。现 在大行其道的j a v a 和n e t ，虽然生成的程序都是基于中间代码的，但也 处处体现着构件技术的思想。在本文中，所提及的构件都是指的二进制构 件。 面向对象技术实现了软件源代码层次的复用，提高了软件开发人员的 生产率。构件技术是对面向对象技术的深化，实现了二进制层次上软件的 复用，进一步提升了软件开发的效率。根据构件技术，软件系统可以拆分 成相对独立的构件，构件之间通过约定的接口进行数据交换和信息传递。 构件可以用不同的语言编写，只要符合一组二进制规范即可，这样大大提 高了开发的灵活度。 2 2o a r 构件技术 c a r ( c o m p o n e n ta s s e m b l yr u n t i m e ，也称为c a r e f r e ea p p l i c a t i o i l r u n t i m e ) 构件技术是面向构件编程的编程模型，它规定了一组构件削相 互调用的标准，使得二进制构件能够白描述，能够在运行时动态链接。微 软的c o m 技术是广为应用的一种构件技术，c a r 兼容微软的c o m 。但是和 微软c o m 相比，c a r 删除了c o m 中过时的约定，禁止用户定义c o m 的非自 描述接口；完备了构件及其接口的自描述功能，实现对c o m 的扩展；对 c o m 的用户界面进行了简化包装，易学易用。 c a r 技术能够动态加载构件，最大程度支持软件的二进制复用，进行 系统升级的时候也只需要升级相关的构件即可，具有可靠性、容错性、安 全性，代表了软件工厂化生产的方向。 武汉理： 大学硕寸一学位论文 c a r 技术采用c c + + 语言来编写构件，所以生成的构件直接是以目标平台 的二进制代码运行，相比j a v a 、n e t 技术的中间代码和虚拟机机制，在 速度上占有明显的优势，更适合系统级构件的编写以及嵌入式系统中的应 用。 2 3c a r 构件的组成 从文件类型上来看，c a r 构件均为可执行文件格式，即d l l 文件格式 或者e x e 文件格式。在w i n d o w s 中，d 1 1 文件是动态链接库的形式，般 不独立运行，需要被其他模块所调用；e x e 文件是可以独立运行的可执行 程序。在e l a m e 中，通过系统层次的支持，也能够直接运行d l l 文件。下 面我们所讲的c a r 构件均指d l l 格式的构件。 每个c a r 构件是通过接口和外面进行联系的。每个接口都有自己的方 法( 以前也称作函数) ，构件调用者就是通过这些接1 3 方法来取得构件的 功能的。构件的接口一般是比较固定的，这样即使构件内部发生了变化， 比如更新了某个具体的算法，构件调用程序也不需要改变，仍然可以实现 自己的功能。从c + + 的角度，可以把构件的接口理解为纯虚类，它有各个 方法的声明，就是没有具体的实现。从本文中，接口的定义都用字母i 开头，比如i t 。u c h 、i p h o n e 等等。 在构件内部，对接口进行了实现。从c + + 的角度来理解，就是有具体 的类从表示接口的纯虚类派生，给出了每个方法的具体定义。但是构件的 接口实现都是在构件内部进行的，不会影响构件与外部的联系。所以，如 果要对构件进行升级，也仅仅需要修改构件的内部实现即可。在本文中， 接口的实现类的定义一般以字母c 开头，比如c t o u c h 、c a d d r e s s s p a c e 等等。 每个c a r 构件还包括了足够的自描述信息，称为元i 数据( m e t a d a t a ) 。 元数据包含了构件的一些基本信息，包括构件的标识以及构件的接口方法 等内容。正是有了这些元数据，所以c a r 构件可以动态地被加载运行，可 以被其他进程取得接口信息来进行调用。 图2l 描述了一个简单的c a r 构件的结构。它提供了3 个功能接口 i i n t e r f a c e a 、i i n t e r f a c e b 、i i n t e r f a c e c ，每个接口都有自己对应的方 法( 这里省略了) 。在内部分别用类c i n t e r f a c e a 、c i n t e r f a c e b 、 c i n t e r f a c e c 对这三个接口进行了实现。当然，内部还可以由其他类，这 从文件的格，ll 来讲d i i 和e x e 基本相同，只是e x e 的加载位簧是1 古l 定的d 1 i 一；固定。 6 武汉理 一大学硕十学位论文 些不是构件使用者所关心的了。接口i u n k o w n 是所有的构件都具有的个 基本接口，其他的接口都从它派生。它提供了3 个基本的方法： q u e r y i n t e r f a c e0 、a d d r e f0 、r e e a s e02 。这几个方法是每个接口都必 须实现的。 圈2 1 一个c a r 构件的结构简图 2 4c a r 构件技术的由来 8 0 年代以来，目标指向型软件编程技术有了很大的发展，为大规模 的软件协同开发以及软件标准化、软件共享、软件运行安全机制等提供了 理论基础。其发展可以大致分为以下几个阶段。 a ) 面向对象编程 通过对软件模块的封装，使其相对独立，从而使复杂的问题简单化。 面向对象编程强调的是对象的封装，但模块( 对象) 之间的关系在编译的 时候被固定，模块之 目的关系是静态的，在程序运行时不可改变模块之间 的关系，就是说在运行时不能换用零件。其代表是c + + 语言所代表的面向 对象编程。 图22 面向对象编程的运行模型( 模块之间的关系固定) j ! q u e 。y e r f a c e ( ) 用来沓| 旬接口指针，a d d r e h ) 用来添加接口的引用计数tr e l e a s e ( ) 用来减少接l i 的引用计数。 7 厂 武汉理工大学硕七学位呛文 b ) 面向构件编程 为了解决不同软件开发商提供的构件模块( 软件对象) 可以相互操作 使用，构件之间的连接和调用要通过标准的协议来完成。构件化编程模型 强调协议标准，需要提供各厂商都能遵守的协议体系。就像公制螺丝的标 准咩 ，所有彳哿合标准的螺丝和螺母都可以相互装配。构件化编程模型建 立在面向对象技术的基础之上，是完全面向对象的，提供了动态构造部件 模块( 运行中可以构造部件) 的机制。构件在运行时动态装入，是可换的。 其代表是c o m 技术。 、 ( 用户程序) 、 恻23 构件化程序的运行模型( 运行时零件可以替换) c ) 面向中间件编程 由于因特网的普及，构件可来自于网络，系统要解决自动下载，安全 等问题。因此，系统中需要根据构件的自描述信息自动生成构件的运行环 境，生成代理构件即中间件，通过系统自动生成的中问件对构件的运行状 态进行干预或控制，或自动提供针对不同网络协议、输入输出设备的服务 ( 即运行环境) 。中间件编程更加强调构件的自描述和构件运彳亍环境的透 明性，是网络时代编程的重要技术。其代表是c a r 、j a y # 和n e t ( c # 语言) 。 爹鬣 图2 4 中间件运行，环境的模型( 动态生成代理构件) 在这样的发展过程中，人们逐步深化了对大规模软件开发所需的科学 模型、网络环境下软件运行必要机制的理解，使软件技术达到了更高的境 界，实现了： 构件的相互操作性。不同软件开发商开发的具有独特功能的构件，可 武汉理工人学硕士学位论文 以确保与其他人开发的构件实现互操作。 软件升级的独立性。实现在对某一个构件进行升级时不会影响到系统 中的其他构件。 编程语言的独立性。不同的编程语言实现的构件之f b 可以实现互操 作。 构件运行环境的透明性。提供一个简单、统一的编程模型，使得构件 可以在进程内、跨进程甚至于跨网络运行。同时提供系统运行的安全、保 护机制。 c a r 技术就是在总结面向对象编程、面向构件编程技术的发展历史和 经验，为更好地支持面向以w e bs e r v i c e ( w e b 服务) 为代表的下一代网 络应用软件开发而发明的。c a r 很大程度地借鉴了c o m 技术，保持了和c o i 的兼容性，同时对c o n 进行了重要的扩展。 为了在资源有限的嵌入式系统中实现面向中间件编程技术，同时又能 得到c c + + 的运行效率，c a r 没有使用j a v a 和n e t 的基于中间代码一虚拟 机的机制，而是采用了用c + + 编程。用c 什编程实现构件技术，使得更多 的程序员能够充分运用自己熟悉的编程语言知识和开发经验，很容易掌握 面向构件、中间件编程的技术。在不同操作系统上实现的c a r 构件运行平 台，可以使c a r 构件的二进制代码可以实现跨操作系统平台兼容。 为了避免使用”中间件”这个有不同语义解释的词汇造成概念上的混 淆，我们简单地将c a r 技术统称为c a r 构件技术。 2 5 o a r 构件技术的作用 对软件开发者来说，c a r 构件技术具有如下的特征： a ) 易学易用 基于c o m 的构件化编程技术是大型软件工程化开发的重要手段。微软 v i n d o w s2 0 0 0 的软件全部是用c o m 实现的。但是微软c o m 的繁琐的构件 描述体系令人望而生畏。c a r 的开发环境提供了结构简洁的构件描述语言 和自动生成辅助工具等，使彳导c + + 程序员可以很快地掌握c a r 编程技术。 b ) 可以动态加载构件 在网络时代，软件构件就相当于零件，零件可以随时装配。c a r 技术 实现了构件动态加载，使用户可以随时从网络得到最新功能的构件。 c ) 采用第三方软件丰富系统功能 c a r 技术的软件互操作性，保证了系统开发人员可以利用第三方开发 武汉理_ j 一人学硕士学位论文 的，符合c a r 规范的构件，共享软件资源，缩短产品丌发周期。同时用户 也可以通过动态加载第三方软件扩展系统的功能。 d ) 软件复用 软件复用是软件工程长期追求的目标，c a r 技术提供了构件的标准， 二进制构件可以被不同的应用程序使用，使软件构件真正能够成为”工业 零件”。充分利用”久经考验”的软件零件，避免重复性丌发，是提高软件 生产效率和软件产品质量的关键。 e ) 系统升级 传统软件的系统升级是一个令软件系统管理员头痛的工程问题，一个 大型软件系统常常是”牵一发而动全身”，单个功能的升级可能会导致整个 系统需要重新调试。c a r 技术的软件升级独立性，可以圆满地解决系统升 级问题，个别构件的更新不会影响整个系统。 f ) 实现软件工厂化生产 上述几个特点，都是软件零件工厂化生产的必要条件。构件化软件设 计思想规范了工程化、工厂化的软件设计方法，提供了胡晰可靠的软件接 口标准，使软件构件可以像工业零件一样生产制造，零件可用于各种不同 的设备上。 g ) 提高系统的可靠性、容错性 由于构件运行环境可控制，可以避免因个别构件的崩溃而波及到整个 系统，提高系统的可靠性。同时，系统可以自动重新启动运行中意外停止 的构件，实现系统的容错。 h ) 有效地实现系统安全性 系统可根据构件的自描述信息自动生成代理构件，通过代理构件进行 安全控制，可以有效地实现对不同来源的构件实行访问权限控制、监听、 备份容错、通信加密、自动更换通信协议等等安全保护措施。 2 6c a r 构件技术对智能手机的意义 用户往往要求智能手机在保持便携性的同时能够带来更多的功能。所 以，针对智能手机提出了下面的要求： 可以动态加载应用程序。动态加载应用程序是在因特网时代的需要， 因为智能手机的功能越来越多，不能像以前那样由厂家把所有的功能都做 好固定在里面，所以必须要求用户能够自己根据自己的兴趣，有选择地从 网上下载应用程序。 武汉理。r 大学预士学位论文 随时和动态地实现软件升级。智能手机的功能也是在不断增强的，” 发商不必为了添加部分功能而重新发布整套软件，只需要升级部分的功能 即可。 灵活的模块结构，便于移植和裁减。因为不同型号的智能手机的配置 可能差异非常之大，所以需要增对不同的硬件配置紧凑高效的系统，目添 加和删除功能模块也要相当容易。 如果在操作系统中采用构件技术，能够很好地解决上述问题。特别地， 利用c a r 构件技术，把应用程序按模块划分做成一个个构件，能够方便地 实现网上下载，动态加载，自动升级，且具有结构灵活等特点。c a r 构件 的设计初衷，就是面向消费类电子市场，且实现用户零维护的功能，这点 从它的名字就可以看出来。 武汉理t 入学硕士学位论文 第3 章系统的整体结构 本文所研究的，就是采用c a r 构件技术，在智能手机平台上面实现一 个完全面向构件的高性能的操作系统。本章首先分析了智能手机特有的硬 件体系，然后根据这个体系提出来了系统的整体架构。 3 1 智能手机的硬件体系 一般来说，智能手机需要处理的数据有两大类：通讯数据以及应用程 序的数据。通讯数据指的需要通过电信运营商的网络所传递的原始数据， 在手机中有专门的通讯协议栈软件负责打包解包。应用程序数据指手机上 的各种应用软件运行的时候所震要的数据。针对处理数据的不同，所以很 多智能手机都采取了双c p u 的解决方案，即一个c p u 用来专门处理通讯协 议栈，另一个c p u 用来负责运行应用程序。按照这个解决方案，可以把智 能手机划分成通讯模块和应用处理模块。 ，、- 、 通讯横块应用处理模块 通讯控制协议 回 回 ，l 、 叵 、r i 圃 固 图3 1双c p u 的智能手机的构成原理图 通讯模块所运行的程序一般比较固定，且运算量相对较小。一般来晚， 很多厂商把通讯模块的软件固化在它所附带的r o m 中了。应用程序要求的 运算量相对较大，所以它对应的c p u 也更强大一些，且软件可能需要经常 更换。所以，在智能手机操作系统的设计方案中，一般只考虑应用处理模 块，我们所说的智能手机操作系统和应用程序都运行在应用处理模块的 c p u 上面。如果要控制通讯模块，则通过专门的一组通讯控制协议进行。 注意，通讯模块本身也可能用到一个操作系统，但不是我们所说的智能手 机操作系统，它只是用来运行通讯协议处理程序而己。拐外，为了降低硬 件成本，一些厂商也在设计单c p u 手机，即把通讯模块和应用处理模块的 c p u 合并。这样的话，智能手机操作系统就要直接控制通讯协议的处理。 武汉理工人学硕十学位论文 3 2 a r m 处理器 操作系统理论上应该是跨平台的，所以我们设计出来的智能手机操作 系统，也应该跨硬件平台，能适应采用不同的c p u 的手机。实际上，现在 的智能手机基本上基本都采用了a r m 系列的c p u ，所以，这个系统的实际 运行平台也就只考虑a r m 处理器，因此必须针对a r m 处理器进行优化。这 并不妨碍该操作系统运行在其他平台上的可能性，在通用的柏6 系列c p u 上它也可以运行，在开发人员调试与平台无关的应用程序的时候可以事先 在x 8 6 上开发，等初期开发完毕之后再转移到a r m 平台中。 英国a r m 公司设计了3 2 位的r i s c 的a r m 核心，然后世界各大芯片设 计生产厂商得到a r m 核心的授权，在此基础上生产出来了自己的c p u ，比 如现在采用得比较广泛的i n t e l 的x s c a l e 系列c p u 。基于a r m 的c p u 不 仅具有a r m 核心，一般都集成了其他的一些辅助功能，比如内存控制器， d m a 控制器等，。这样有效地减少了系统中的芯片数量，特别适用于嵌入式 系统等小体积的设备中。a r m 在智能手机中广为应用的一个最大的理由就 是省电设计智能手机都由电池供电，所以p c 机中那些功率奇大的c p u 当然不适合了。当然，a r m 的频率相对较低，但现在生产的a r m 处理器的 频率都已经在l o o m h z 之上，已经能够满足手机的应用的需要。 下面简要地介绍一下a r m 处理器的特点。 a r m 是采用精简指令集的3 2 位r i s e 处理器，功率一般在m w 级别， 特别适合手持设备。 a r m 的地址空间采用统一编制方案，即内存和外设的访问地址进行统 一编制，操作外设采用访问内存的指令即可。 c p u 的运行模式：按c p u 运行例外如中断、指令错误等分成6 种运行 态。 采用二级纯分页机制，没有x 8 6 中段的概念，实现比较简单。 指令可以条件执行，减少了代码所占的空间。 不仅支持3 2 位的a r m 指令集，而且也支持1 6 位的t h u m b 指令集，可 以有效地压缩代码体积。 3 3 基于构件技术的智能手机解决方案 本文通过在智能手机操作系统内部建立对构件技术的支持，采用了完 全构件化的技术来搭建整个系统应用框架，从操作系统底层就开始支持构 件机制，对智能手机来说，形成了一个灵活而高效的解决方案。对c a r 1 3 武汉理l 人学硕士学位论文 构件技术的支持是通过紧密搭在内核之上的c a r 构件运行平台这层软件 来实现的。 图32 一个g p r s 手机的软件体系结构图 图3 2 描述的是一个采用g p r s 功能的智能手机的软件构成图。其中 智能手机操作系统直接控制的是图中右边的应用模块。从图中可以看出， c a r 构件平台运行在操作系统内核之上，一方面，它与j 内核联系紧密，替 内核接管了负责整个系统中应用程序运行的任务；另一方面，它又是一个 相对独立的模块，这样能够方便地进行移植，让更多的系统都能运行c a r 构件，保持着c a r 构件的软件平台无关性。c a r 构件运行平台支持系统级 和应用级两个层次的构件的运行。同时，该系统也提供了一些函数库，比 如c 的库函数，在一定程度上兼容以前编写的一些应用软件。另外，如今 的智能手机都支持丰富的j a v a 应用程序，所以该系统也提供了专门的构 件来对运行k - , l a v a 程序。 图3 2 左边的通讯模块是相对独立的一部分，虽然不由操作系统直接 控制，但是通过它提供的一组通讯协议，可以对它进行全方位的操作。打 电话、发短信、收发电子邮件，都是由相应的应用构件通过控制通讯模块 来完成的。从功能上来说，可以把g p r s 通讯模块看成一个无线网卡，各 个应用构件，就是通过这个无线网卡，来实现网络应用的。 3 4c a r 构件运行平台 在整个系统中，通过c a r 构件运行平台来提供对构件运行的支持的。 它让系统中的各种构件天衣无缝地搭配在一起，实现自己的功能，同时又 武汉理工人学硕士学位论文 针对智能手机的硬件特点进行了优化，且提供给构件的是完全的二进制运 行环境，所以能够保证系统的高效运行。 每个构件只关心自己的功能实现，构件之间的相互联系由约定的接口 来实现。对于同一个进程内的构件，由于共享同一个地址空间，其方法可 以直接调用。但是，对于不同进程的构件，则必须通过代理构件来实现。 代理构件由c a r 构件运行平台动态地生成，它可以看成是中间件的一个特 例，既解决了跨进程，甚至跨机器的构件通信和方法调用，而且还提供了 许多有用的特性。代理构件能对构件的运行状态进行干预和控制，给系统 提供了强大的安全保护机制，能对软件的访问权限进行有效的控制，对于 加密、解密、防黑客、防病毒的设计提供了必要的条件，为信息系统的安 全一眭提供了坚实的基础。 3 5 各种c a r 构件库 智能手机的所要完成的各种功能就是由各种各样的构件所负责的。有 了c a r 构件运行平台之后，必须有充足的外围c a r 构伴，整个系统的功能 力。能充分发挥出来。可以把不同功能的构件归结到不同的构件库中。一般 来说，可以划分为系统构件库和应用构件库两大类。系统构件库与操作系 统内核联系紧密，提供一些通用的功能供应用程序调用，是应用程序的必 要支持。应用构件库呈的构件与用户直接进行交互，用来实现智能手机罩 的丰富的应用功能。 系统构件库是操作系统运行的必要支撑环境，可以总结出以下几类： 图形系统构件库：提供图形用户操作界面，因为用于掌上设备，所以 是一套小巧、紧凑的图形系统。 设备驱动构件库：用于各种输入输出设备的驱动，主要包括l c d 显示 屏驱动、触摸屏驱动、声卡驱动、摄像头驱动等等，系统的省电设计也需 要体现在设备驱动之中。 文件系统构件库：提供对各种文件系统的支持，尤其是对采用最为广 泛的f a t 文件系统的支持。还提供了对f l a s h 存储器等掌上设备最常用的 外存储器的支持。 网络系统构件库：用于对t c p i p 协议的网络支持，针对无线网络的 特性，对协议进行了优化。同时提供了常用的网络应用工具。 应用构件库就更加丰富多彩，实现了游戏、浏览器、电子邮件、阅读 工具、媒体播放器等多种功能，而且可以由第三方的开发者不断扩充。 本文主要是讲解操作系统的设计，所以重点讨论的是系统构件库的设 计。 武汉理工夫学硕+ 学位论文 第4 章灵活内核以及c a r 构件运行平台 设计一个操作系统，最核心的当然就是操作系统的内核了。针对c a r 构件技术的特点以及构件运行的需要，本章首先探讨了灵活内核的设计力 案，它有别于传统的微内核以及大内核设计，结合了两者的优点。灵活内 核的实现主要依赖于c a r 构件运行平台，所以本章主要讲解了c a r 构件运 行平台如何设计。 4 1 灵活内核的设计 整个系统从内核到应用处处体现了构件的思想，且为了适应需要，c a r 构件既可以运行在内核态，也可以运行在用户态，所以在内核的设计中采 用了灵活内核( a g i l ek e r n e l ) 的设计思想。 迄今为止，操作系统体系结构大致分为两种：大内核 b i n d ( p f i