（计算机应用技术专业论文）构件技术在嵌入式操作系统开发中的应用和研究.pdf

摘要 随着信息技术的飞速发展和无线通信技术的不断进步，嵌入式系统行业逐渐 发展并成熟起来，特别是目前手机市场如此红火。未来的手机发展趋势将是智能 化的，它的功能将会越来越复杂，也就是晚手机操作系统将会在智能手机里扮演 重要的角色。智能手机操作系统不仅需要实现和管理基本的通话功能，而且更重 要的是拥有掌上电脑的特性，提供各种应用服务，包括：文字处理、视频播放、 收发邮件、网上冲浪、程序下载等。特别是对于3 g 无线宽带网的到来，程序点 击下载，自动运行将给手机操作系统的设计提出了新的挑战。 基于软件构件技术的开发是目前软件设计中很流行的技术，而且给开发带来 了效率极大的提高，系统可由构件组装而成，动态扩展。那么，构件技术能否利 用到智能手机操作系统的开发中呢? 答案是肯定的。本文就将围绕一种简单易 学、功能强大的构件技术c a r 构件技术展丌，分析和介绍c a r 构件是如何在 智能手机操作系统e l a m e 丌发中应用的，其中e l a m e 是科泰世纪科技有限公司研 发的e l a s t o s ) a o b i l ee d i t i o n ( 简称e l a m e ) 嵌入式操作系统。 本文首先介绍了构件技术给软件产业带来了一次新的技术革命，构件技术相 比传统的软件技术具有明显的优势，而且构件技术推动了操作系统的变革。接着 介绍了“和欣”嵌入式操作系统，描述了其基本组成框架，指出了它的关键部分 就是将c a r 构件执行引擎融入在操作系统内核中。接着提出了c a r 构件编程模型， 讲解了c a r 构件执行引擎的强大功能，并用一个c a r 构件编程实例来具体说明。 然后重点分析了c a r 构件技术是如何来帮助设计和开发e l a m e 智能手机操作系统 的，首先从构件化的内核对象开始，对进程、线程、地址空间、内存管理等内核 对象进行了构件化的设计；接着介绍了强大的构件化驱动模型，可以方便对各种 外设进行驱动程序的开发，提高了效率；同时，还提到了系统扩展构件库和如何 设计构件化的应用程序。另外，为了提供最大的兼容性，可以利用c a r 构件技术 来移植各种流行的应用平台。最后，叙述了c a r 构件技术使得操作系统向a r ms o c 上的移植变得方便和针对“程序点击下载，自动运行”而设计的c a r 构件安全体 系模型，并将e l o 4 e 和c a r 构件技术与国外的其它产品进行了全面的比较。 通过文章对c a r 构件技术和e l a m e 操作系统全面的介绍，可以领会c a r 构件 技术强大的技术优势，把c a r 构件技术运用在嵌入式操作系统中的确是一种重大 的创新，c a r 构件技术给e l a m e 操作系统带来了高效性、灵活性、安全性等诸多 优点，代表了未来面向3 g 的智能手机操作系统的一个重要发展方向。 关键字：c a r 构件技术，e l a m e 智能手机操作系统，“和欣”构件执行引擎，构件 编程模型，构件应用 h a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y a n dt h ea d v a n c eo fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e ds y s t e mi n d u s t r yh a sb e e np a i da t t e n t i o nt o b yl o t so fp e o p l e n o wt h em o b i l ep h o n em a r k e ti sp r e t t yg o o d ，a n dt h e r ew i l lb e m u c hm o r eo p p o r t u n i t i e si nt h ed o m a i n t h em o b i l ep h o n ew i l lb es m a r ti nt h ef u t u r e a n dt h e r ew i l lm o r ea n dm o r ef e a t u r e sa n df u n c t i o n sw i t h i nt h em o b i l e s i nf a c tt h e m o b i l eo p e r a t i n gs y s t e mw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h es m a r t p h o n e i tn o to n l y i m p l e m e n t st h eb a s i cc o m m u n i c a t i o n s ，b u ta l s oo f f e r sb r e e d so fs e r v i c e s ，s u c ha s w o r dp r o c e s s i n g ，v i d e o ，e m a i l ，p r o g r a md o w n l o a d i n g ，a n d e t c e s p e c i a l l yt h e d o w n l o a d i n ga n da u t o r u n n i n ga r ei m p o r t a n tt ot h ef u t u r em o b i l ei nt h e3 gw i r e l e s s 、v i d eb a n d w i d t hn e t w o r k n o wt h ec o m p o n e n t - b a s e dd e v e l o p m e n t ，w h i c hi n c r e a s e st h ec o d i n ge f f i c i e n c y , p r e v a i l si nt h es o f t w a r ed e s i g n w h e t h e rt h ec o m p o n e n tt e c h n i q u ec a r lb eu t i l i z e di n t h ed e v e l o p m e n to fs m a r t p h o n eo p e r a t i n gs y s t e mo rn o t ? o fc o u r s et h ea n s w e ri sy e s t h i sp a p e rw i l li n t r o d u c et h ep o w e r 如la n de a s yc o m p o n e n tt e c h n i q u e ，n a m e l yc a r j a n da n a l y z eh o wt om a k eu s eo ft h ec a r c o m p o n e n tt e c h n i q u ei nt h ed e v e l o p m e n to f e l a s t o sm o b i l ee d i t i o n a tf i r s t ，t h i sp a p e re m p h a s i z e st h es i g n i f i c a n c eo fc o m p o n e n tt e c h n i q u e ，a n dp r e d i c t s t h a tt h ec o m p o n e n tt e c h n i q u ew i l lb r i n ga n o t h e ri n n o v a t i o no f o p e r a t i n gs y s t e m t h e n i ti n t r o d u c e st h ee l a s t o se m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi nd e t a i l t h i so p e r a t i n gs y s t e m c o n t a i n i n gt h ec a re x e c u t i o ne n g i n ei sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db yt h ek o r e t i d e c o r p o r a t i o n i ta l s og i v e su sap r e s e n t a t i o no fc a rp r o g r a m m i n gm o d e l a n du s e sa l o to fs a m p l e s a n di ta l s od e s c r i b e st h es p e c i f i ca p p l i c a t i o no fc a ri ne i a m e r a n g f i n gf r o mt h ec o m p o n e n tk e r n e lo 巧e c t st ot h ep l a f f o r mp o 币n gw i t l lc a r f i n a l l y , i ti n t r o d u c c st h es e c u r i t ya r c h i t e c t u r em o d e lo ft h ec a rc o m p o n e n ti nt h ee i a m e o p e r a t i n gs y s t e ma n dm a k e sac o n c l u s i o nt h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec a r a n do t h e rt e c h n o l o g i e s t h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no fc a rc o m p o n e n tt e c h n i q u ea n de l a m eo p e r a t i n gs y s t e m ， w ec o u l df i n dm a n ya d v a n t a g e so fc a r i tb r i n g st h ee i a m eo p e r a t i n gs y s t e mm u c h s e c u r ea n da g i l e ，a n dm a k e si tab i ga d v a n c e s ot h ec o m p o n e n t b a s e ds m a r t p h o n e o p e r a t i n gs y s t e ml i k ee i a m ew i l ll e a da ni m p o r t a n tw a y i 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 e ，e i a m es m a r t p h o n eo p e r a t i n gs y s t e m ， e l a s t o se x e c u t i o n e n g i n e ，c o m p o n e n tp r o g r a m m i n gm o d e l ，c o m p o n e n t a p p l i c a t i o n m 主要符号表 a o p ：a s p e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，面向方面编程 a r h a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 腿e l r ：b i n a r yr u n t i m ee n v i r o n m e n tf o rw i r e l e s s ，q u a l c o n 9 4 美国高通的无线设备应用 程序执行环境 b s p ：b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，板级支持包 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 b d ：c o m p o n e n tb a s e dd e v e l o p m e n t 0 0 峨c o m p o n e n to b j e c tm o d e l 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 ra r c h i t e c t u r e e j b ：e n t e r p r i s ej a v ab e a n e l a 姬：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 h a l ：h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r ，硬件抽象层 k v m ：k i l ob y t e sv i r t u a lm a c h i n e ，嵌入式j a v a 虚拟机 硼a p ：o p e nm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o np l a t f o r m ，t i 德州仪器的无线开发板级平台 p b o ：p o r tb a s e do b j e c t s p e c t ：p r e d i c t i o n e n a b l e dc o m p o n e n tt e c h n o l o g y s o a ：s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e s o c ：s y s t e m o n c h i p 。片上系统 m 儿：u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e v i 武汉理l 人学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 构件技术的发展概述 在信息时代里，新的科学技术革命正在改变我们日常生活的面貌，我们所 使用的桌面电脑、数字电视、智能手机和车载g p s 都是这场技术革命所带来的 新兴事物，它们都给人们的工作和娱乐带来了方便。在面对大量高精度芯片和 集成电路制造技术的日益提高，计算机制造业的突飞猛进，x 8 6 处理器继续延 续着“摩尔”定理的今天，其实软件产品的不断进步和丰富是带来这场科技风 暴的源动力。 如今，网络计算带领软件产业进入了一个新的时代，它将大到企业计算、 小到个人数字助理的各种应用服务联结起来，使得“网络就是计算机”成为了 现实。面对这种更为复杂的分布环境和更加灵活的应用模式，软件设计思想已 经发生了翻天覆地的变化。传统的软件开发方法已不能满足现实的需要因此 一种所谓的软件拼装模式在目前成为了软件设计的主流技术，即构件技术。这 种新的软件开发模式支持了分布式计算、浏览器服务器结构、模块化和构件化 集成，使得软件类似于硬件一样，可用不同的标准构件拼装而成。 回顾经典的工业化革命，我们不然发现这样一个有益的启示，即功能复杂 的产品都是由大量标准的零件组成，零件在生产线上装配成一个成品，所有零 件在成品中共同发挥作用；分工越细致、专业生产的程度越高，总体的生产效 率就越高。类似地，软件的构件技术也扮演着相同的角色，它把零件、生产线 和装配运行的概念运用到了软件工业中，并取得了切实的成效。所以可以预见， 构件技术将是软件产业化革命的必然发展趋势。 1 ，2 嵌入式操作系统的涌现 随着后p c 时代的到来，嵌入式系统技术已经成为了一个万众瞩目的焦点。 从m p 3 、p d a 、手机等各种各样的数字化消费电子产品，到网络家电，智能家电， 车载电子设备及工业和服务领域中的数字机床，智能工具，工业机器人，服务 机器人等，嵌入式系统技术都发挥了至观重要的作用。对于嵌入式系统而言， 针对具体的系统都需要设计和采用专门的嵌入式处理嚣和硬件，而且更重要的 是采用与之相适应的嵌入式操作系统。现在，个人消费电子产品和通信产品已 经成为了嵌入式技术应用的重头戏，很多软件厂商都积极投身到嵌入式系统的 研发中，从而涌现出了大量优秀的嵌入式操作系统。 武汉理工大学硕十学位论文 目前，国外软件公司的嵌入式操作系统，如w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、p s o s 、 q n x 、p a l mo s 、s y m b i a no s 、0 s - 9 、l y n x o s 等，都是业界主流的嵌入式操作系 统平台。它们在通讯、汽车、医疗、安全方面有比较广泛的应用：同时在消费 类的电子产品中，它们也显示了较强的增长力，特别是在移动终端设备p d a 、 手机等方面的发展尤为快速。在目前的消费类电子领域，特别是流行的智能手 机操作系统上，微软、p a l m 、s y m b i a n 和l i n u x 阵营都相应地确立了各自的优 势，几乎瓜分了整个的市场份额。s y m b i a n 的产品处于目前智能手机操作系统 中的第一位，现在几乎所有的n o k i a 手机都会使用s y m b i a no s ，它的性能得到 了业界的公认和支持，其发展势头非常强劲。p a l mo s 可以说是老资格的嵌入 式操作系统，从最早的p d a 开始到现在具有个性化的手机操作系统，其性能也 非常优秀。微软的w i n d o w sc e 是所有系统中图形界面做的最好的产品，因为微 软已在p c 操作系统中一统天下，所以在手机的产品也汲取了p c 上的经验。而 l i n u xo s 最吸引人的地方就是它的低廉的价格和不错的性能，它也占据了智能 手机操作系统市场中的一部分。 根据有关报道，在中国2 0 0 3 年嵌入式操作系统的总体销售额超过了1 8 5 6 7 万元人民币，相对于2 0 0 2 年，整个嵌入式操作系统市场保持了快速的增长。可 见嵌入式系统的发展在中国拥有十分广阔的市场和良好的商机。所以，目前一 些国内的软件公司也积极投身到嵌入式操作系统的研发中，比如：联想设计研 发的l e o s 嵌入式操作系统，它是一种基于l i n u x 的模块化、可裁减的嵌入式操 作系统，并在台式计算机p c 、网络计算机n c 、机顶盒等设备上取得成功应用； 凯思臭鹏设计的h o p e n 智能手机操作系统，是针对2 5 g 3 g 智能手机丽设计的 嵌入式操作系统等等。 本人实习所在的科泰世纪科技有限公司是中国嵌入式操作系统的一支生力 军，它拥有中国自主知识产权的e l a s t o s 嵌入式操作系统，并且已逐步在手机、 机顶盒和车载g p s 上移植并投入使用。总之，消费类电子产品的发展会推动嵌 入式操作系统的快速发展，预计在未来的几年内，消费类电子产品对于嵌入式 操作系统预示着巨大的商机。 1 3g b d 与嵌入式操作系统珠联璧合 在构件技术的发展基础上，人们提出了c b d ( c o m p o n e n tb a s e dd e v e l o p m e n t ) 的概念，它强调如何围绕已有的构件来形成面向具体需求的软件产品。软件构 件技术的出现和发展，给计算机软件开发带来了效率的极大提高，而且在当前 i n t e r n e t 所引领的基于w e bs e r v i e e 的玎发中发挥了重要的作用。构件技术是 2 武汉理丁大学硕士学位论文 “提高软件开发效率”的可行途径，其关键在于提高软件的复用能力和复用程 度。在目前的应用程序开发中，构件技术的运用十分普及和流行，软件开发商 深入地了解主要系统集成商和应用软件开发人员所需要的基本构件，根据所获 取的需求来定义构件的功能、接口和粒度等。据报道称。2 0 0 5 年新开发的应用 程序至少有7 0 是基予构件的组装，因此应用程序软件开发商的市场应变能力 得到了很大的提高。 然而在整个软件业内的其它软件开发是否也可直接从c b d 中获益呢? 从总 体上来讲，软件分为系统软件、中间件、应用软件和智能软件四种。其中系统 软件开发的难度最高，周期最长，比如：嵌入式操作系统的开发。如果能够合 理地把构件技术和c b d 引入到嵌入式操作系统开发中，那么整个开发的难度和 周期都会有所下降。另外通过引入这种机制后，嵌入式操作系统的升级，向不 同设备上的移植将会变得简单，向用户提供不同功能和档次的操作系统将更加 方便。操作系统开发采用“软件组装生产线”的恩想在国外已经有不少的例子， 比如：p e b b l e ，它是一个基于构件拼装的嵌入式操作系统，提供了不少嵌入式 应用服务；2 k 也是一个著名的基于构件的操作系统，在操作系统内直接引入了 构件。甚至目前还有一些更新的面向方面的操作系统，它们也是以构件思想为 基础的。 所以说是否可以将构件技术直接引入操作系统丌发中，并使构件在操作系 统上直接运行? 答案是肯定的。科泰世纪科技有限公司的嵌入式操作系统 e l a s t o s 就是利用c a r 构件技术而形成的一个全面面向构件技术的操作系统的 典型，它本身是由构件组装而成，所以整个体积、功能都伸缩自如。而且c a r 构件可以直接在操作系统上运行，这更加体现了c b d 的价值所在。所以说c b d 有助于代码的复用，提高了嵌入式操作系统开发的效率，这两者的结合，有助 于推动中国自主的嵌入式操作系统的研发。 武汉理= 人学硕士学位论文 2 1 构件的定义 第2 章构件技术 目前基于构件的软件开发在软件业被广泛推广和使用，各种采用c b d 思想 开发而成的软件产品比比皆是，可以说构件技术将软件开发推向了一个新的发 展高潮。那么什么是构件呢? 这个问题看起来很简单，却是c b d 中最难回答的 问题之一，因为构件的内涵十分丰富。 以下是众多专家和组织对构件的定义：著名的b r o w n 和w a l l n a u 描述构件 为“一个非平凡的、几乎独立的、可替换的系统组成部分，它在定义完善的体 系结构环境中实现某一清晰的功能”，同时他们进一步认为软件构件只能是“ 个说明了合同并且明显地与语境无关的组合单元”；c l e m e n s 在构件是什么， 不是什么中认为构件是一个独立部署的单元，是一个第三方合成的单元，掏 件没有一致性的状态；o m g 的定义则更为通俗、详细，构件是一个物理的、可 替换的系统组成部分，它包装了实现体并且提供了对一组接口的实现方法。构 件表示了系统实现体的一个物理片段，包括软件代码( 源代码、二进制代码或 可执行代码) ，或者等同体，例如脚本或命令文件；g a r t n e rg r o u p 定义软件构 件是一个在运行时可动态绑定的、含一个或多个程序的软件包，它作为一个独 立单位，通过运行时可辨别的文档化接口加以管理和存取。 其实，无论如何解释构件，其本质是不变的。软件构件就是可复用的软件 组成成份，可被用来构造其他软件，它可以是被封装的对象类、一些功能模块、 软件框架以及设计模式等等。在当今的因特网时代，一个应用程序可以包括文 字、图表、音频、视频播放等功能，各部分功能的软件模块，即构件能在运行 时动态组织起来，向用户提供一个“天衣无缝”、具有复合功能的应用软件。比 如：微软发布的w i n d o w sx p 和o f f i c ex p 的核心都是基于这种构件化技术，我 们可以看到从视窗桌面到w o r d 和e x c e l 的窗口全部是“浏览器”，这正是构件 所起的重要作用。 2 ，2 构件技术的优势 构件技术的发展经过许多年的实践和运用，已经达到了一个比较成熟的阶 段。构件技术是对早期的0 0 思想的沿袭和扩展，它在二进制级别上实现了代码 的复用，使各个构件相互独立而又能有效交互来实现一个功能系统，这就比 4 武汉理工大学硕士学位论文 o b j e c t - b a s e d ( 基于对象) 技术、o b j e c t o r i e n t e d ( 面向对象) 技术拥有更好 的优越性。基于对象技术意味着软件系统建立在一个由层次对象所组成的集台 上，它向外部提供接口来操作这些对象，使徭很多的类和对象彼此交织连接起 来。而面向对象技术有点不同，它强调抽象的接口，对象都是由实现了一个或 多个抽象接口的具体的类所生成的实例。所以我们可以看出，基于对象技术允 许软件复用最多在代码段的级别，面向对象的方法和语言相比提供了对象组合 和继承的机制，可用来实现行为自适应，但比起构件技术来说，还存在着一定 的局限性。 具体来说，构件技术的优点主要表现在以下五点： a )灵活性：通常运行时构件能够彼此独立的工作，如果恰当设计的话， 它们对环境的依赖将会更加降低。因此，基于构件技术的系统比利用 传统思想设计开发的系统具有更好的适应性和扩展性。在个系统 中，构件的接口往往是不会改变的，而是其实现得以更新。 b )重用性：从理论上来说，我们可以针对一个应用的具体方面开发出许 多“全能型”构件，它们可以在任何地方被使用。在拥有相同应用方 面的另外系统中，我们可以直接使用这些已有的构件，而不必重新编 写成千上万行的代码。如果设计的是业界公认的标准构件，那么其重 用而带来的价值将更加巨大。 c ) 可维护性：在一个基于构件的系统中，一个功能仅仅被一个构件实现 一次。这样就能使系统更容易维护，只需更新一个或几个构件，整个 系统的功能就能得以增强。这样看来，开发一个软件系统就像拼装积 木一样，而不是逐行编写代码。 d )高效性：采用构件化的开发方式，将会大大缩短系统的研发周期，因 为可以直接使用已有的构件，所以开发速度提高很多。特别在基础构 件或构件库比较完备的情况下，整个开发效率将会提升到最高。 e )分布性：构件技术能够为网络分布式计算提供更好的中间件，使各种 构件作为网络资源分布在局域网或因特网中，软件系统在真正需要这 些构件资源时，再到相应的地方找到他们，并加载到软件系统中来， 这样可以帮助解决软件构件资源的共享问题。 2 3 构件技术推动操作系统的变革 随着构件技术的发展，计算机编程将在未来几年经历重大变革，导致这场 变革的三项最根本原因是：移动计算会取代固定计算；网络计算会取代分立计 算；协同计算会取代个体计算。所有软件的编程将会全部基于b 服务，都在 武汉理l 人学硕士学位论文 i n t e r n e t 的基础上来搭建。实际上，w e b 服务就是一个软件模块，就是现代软 件设计体系的建筑零件，即构件、中间件，它提供某种具体的服务，如：m p 3 播放器、m p e g 4 解码器都是w e b 服务，而用户程序则可以在因特网范围里透明 地使用w e b 服务。 毋庸置疑，操作系统的发展格局也会随之发生变化，互联网时代的技术需 求给新一代的操作系统研发提供了一个跃升的机会。回想传统操作系统大多是 静态链接而成，由某一家公司提供，所有功能都集成在同一个软件中，一旦链 接之后就不可能替换其中的软件模块。众所周知，操作系统的唯一目的就是帮 助应用程序方便地运行，然而在这早操作系统始终处于被动地位，被动地为用 户程序提供服务，可以说这种服务是机械式的，是呆板的。现如今应用程序已 经从单块的“庞然大物”演变到因特网上可共享的零件组合，那么我们是否应 该重新设计操作系统呢? 回顾微软的重大事件，十多年前w i n d o w s 取代了d o s ；而现在基本上已经 到了n e t 取代w i n d o w s 的时候了。发明。n e t 的动机就是为了更好地支持w e b 服 务，即构件，而脱机的、面向单机工作的传统操作系统模式只不过是w e b 服务 的一种特殊情况。然而，从硬件管理的观点来看，n e t 并不是操作系统，而是 个面向互联网的软件开发平台。那么是否能够设计这样的操作系统昵? 答案 是可以的。e l a s t o s 就是一个既考虑硬件的要求，也融入了w e b 服务的思想的 嵌入式操作系统。科泰世纪科技有限公司开发的“和欣”操作系统充分体现了 软件工厂的思想和基于构件技术的新型操作系统体系结构。w e b 服务可以在软 件生产中作为零件纳入操作系统的体系中被重用，从而实现了开放的“软件总 线”，使得系统构件及应用构件均可实现动态加载、“即插即用”，并提供规范化、 开放的接口标准。我们知道，i b mp c 有开放的硬件总线标准，各种开发商可以 充分发挥自己的技术优势，开发更好的“声卡”、“显卡”，才成就了p c 的大产 业、大市场。“软件总线”体系结构统一和简化了软件开发方法，提供先进的工 厂化软件生产手段，软件开发商可以独立开发性能更好的网络协议栈、设备驱 动、多媒体等“软件零件”，促进软件产业的繁荣和发展。 所以伴随着构件技术的不断发展，操作系统的体系结构将会发生巨大改变， 这也更加促进了中国自主的操作系统技术不断进步。 6 武汉理j ：人学硕十学位论文 第3 章“和欣”嵌入式操作系统概述 曾经有人说过，“并不是每个国家都需要自己的操作系统技术，中国也并不需要绝对自 主的操作系统技术。但是，如果操作系统技术可以作为一种经济支柱的话，那么有条件的 国家就应该上。”在后p c 时代软件产业已成为了国际竞争、综合国力和军事实力的重要 战略要素，其产业规模和发展水平是一个国家现代化程度的重要标志。而操作系统则是具 有时代标志性产业的根基，是信息产业与传统产业之间重要的结台点。所以说，掌握和拥 有与国际软件主流技术接轨、具有自主知识产权的嵌入式操作系统对中国具有熏要的战 略意义。科泰世纪科技有限公司所开发出来的基于构件的“和欣”嵌入式操作系统，l e 是 顺应时代发展的需要，为中国基础软件的研发打f 了基础。 3 1 “和欣”操作系统简介 e l a s t o s 是科泰世纪拥有完全自主知识产权的基于c a r ( c o m p o n e n t a s s e m b l yr u n t i m e ) 构件中间件技术的面向未来网络服务的下一代网络操作系 统。“和欣”是e l a s t o s 操作系统家族的中文统称。“和欣”操作系统摒弃了跟 踪、仿制的技术路线，把握住未来的发展方向，直接基于s o a ( s e r v i c e 一0 r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ) 技术构造出一个完整的操作系统。 “和欣”操作系统是一个3 2 位嵌入式操作系统，操作系统基于灵活内核， 具有多进程、多线程、抢占式、基于线程的多优先级任务调度等特性。提供f a t 兼容的文件系统，可以从软盘、硬盘、f l a s hr o m 启动，也可以通过网络启动。 其体积小，速度快，适合网络时代的绝大部分嵌入式信息设备。更为显著的就 是，“和欣”是一个完全面向构件技术的操作系统，操作系统提供的功能模块全 部基于c a r 构件技术，因此是可拆卸的构件，应用系统可以按照需要剪裁组装， 或在运行时动态加载必要的构件。“和欣”提供了一个看似“傻瓜”的软件运行 平台，在智能手机、数字电视等数字产品上实现了：各类增值服务类和游戏类 软件在测览器环境下的“点击运行”；让“用户零维护”、使软件“瞬间启动”； 用户无需为各种硬件设备安装驱动程序，实现真正的“即插即用”；不同厂商的 软件以目标代码形式实现“无缝链接”；支持应用软件跨平台运行。可以说在智 能嵌入式设备上实现了随需应变的操作环境，“和欣”的关键技术对实现3 c 融 合具有重大的现实意义。 从传统的操作系统体系结构的角度来看，“和欣”操作系统可以看成是由微 内核、构件支持模块、系统服务器组成的。微内核主要可分为4 大部分；硬件 抽象层( 对硬件的抽象描述。为该层之上的软件模块提供统一的接口) ：内存管 7 武汉理工大学硕士学位论文 理( 规范化的内存管理接口，虚拟内存管理) ；任务管理( 进程管理的基本支持， 支持多进程，多线程) ；进程间通信( 实现进程间通信的机制，是构件技术的基 础设施) 。构件支持模块提供了对c a r 构件的支持，实现了构件运行环境。构件 支持模块并不是独立于微内核单独存在的，微内核中的进程问通讯部分为其提 供了必要的支持功能。在微内核体系结构的操作系统中，文件系统、设备驱动、 网络支持等系统服务都是由系统服务器提供的。在“和欣”操作系统中，系统 服务器都是以动态链接库的形式存在。除此之外，“和欣”操作系统还提供了一 组动态链接构件库，这些构件库是开发嵌入式应用系统时不可缺少的，诸如： 图形系统构件库、设备驱动构件库、文件系统构件库、网络系统构件库。在“和 欣”操作系统中，实现并支持了系统构件及用户构件相互调用的机制，为c a r 构件提供了运行环境。下图表示了“和欣”嵌入式操作系统及其主要构成： 图p 1 。和欣”嵌入式操作系统构成图 3 ，2 “和欣”操作系统的功能和特性 3 2 1c 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 ) 构件技术是面向构件编程的编程模型， 它规定了一组构件间相互调用的标准，使得二进制构件能够自描述，能够在运 行时动态链接，动态组装服务。众所周知，微软的c 伽技术是广为应用的一种 构件技术，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：对c o m 的用户界 面进行了简化包装，易学易用。可以说c a r 是微软c 删的一个子集，在很大程 度上借鉴了c o m 技术。保持了和c o m 的兼容性，同时又对c 0 m 进行了重要的扩 展。 c a r 的目的是要解决构件的相互操作性( 不同丌发者的构件可以确保与其 8 武汉理r 大学硕士学位论文 他构件实现互操作) 、软件升级的独立性( 对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间可以互操 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) 等软件工程问题。c a r 技术能够动态加载构件，最大程度支持了软件的二进制 复用，具有可靠性、容错性、安全性，代表了软件工厂化生产的发展方向。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 的基于中问代码和虚拟机的机制，而是 采用了c c + + 编程，直接生成运行于“和欣”构件运行平台的二进制代码的机 制。 c a r 技术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w e bs e r v i c e ( w e b 服务) 的下一代网络应用软件开发而开发 的。c a r 的编程思想是“和欣”技术的精髓，它贯穿于整个操作系统体系的实 现中。 3 2 2 “和欣”构件执行引擎 “和欣”构件执行引擎( e l a s t o se x e c u t i o ne n g i h e ) 也称为“和欣”构 件运行环境。它提供了一套符合c a r 规范的系统服务构件及支持构件相关编程 的a p i 函数，实现并支持系统构件及用户构件相互调用豹机制，为c a r 构件提 供了编程运行环境。“和欣”构件执行引擎是灵活内核的一部分，在不同操作系 统上有不同的实现，符合c a r 编程规范的应用程序通过该平台实现二进制级跨 操作系统平台兼容。应用程序可以不经修改、不损失太多效率、以相同的可执 行代码形式，运行于“和欣”，以及w i n d o w s 、w i n c e 、l i n u x 等传统操作系统之 上。该平台为c a r 构件提供了对程序员完全透明豹运行环境，构件可以运行在 不同地址空问，不同环境，甚至跨网络。“和欣”构件执行引擎自动为构件运行 提供支持，配髯必要的网络协议、针对不同的输入输出设备的协议。“和欣”构 件执行引擎监控构件的运行状态，提供可干预构件运行状态的机制，如负载均 衡、线程同步、访问顺序控制、安全( 容错) 性控制、软件使用权的控制、构 件的生命周期管理，如进程延续( p e r s i s t e n c e ) 控制、事务元( t r a n s a c t i o n ) 控制等。 因此，程序员不必过多地去关心诸如网络协议转换及构件运行控制等与其 他构件互操作时的协调问题，只需专注于自己需要解决的程序算法的实现，从 而可以从繁杂庞大的应用环境体系中解放出来，大大提高编程的效率。以下是 “和欣”构件执行引擎在操作系统中所处的位置。 9 武汉理工人学硕士学位论文 图3 - 2 “和欣”构件执行引擎示意图 3 2 3 “和欣”灵活内核 “和欣”操作系统的实现全面贯穿了c a r 构件思想，符合c a r 构件编程思 想的构件可以运行于不同地址空间或不同的运行环境。用户可以根据运行时的 需求，自主选择将操作系统的某些系统服务构件、文件系统、图形系统、设备 驱动构件、网络系统构件等运行于内核地址空间或用户地址空间。 当今操作系统体系结构大致分为两种：大内核( m o n o l i t h i ck e r n e l ) 和微 内核( m i c r ok e r n e l ) 。传统的大内核操作系统将图形系统、文件系统、设备驱 动等全部功能集中在操作系统内核中来实现，运行在内核状态，这样减少了进 程间通信和状态切换的系统开销，获得较好的运行效率。然而这样的话，内核 就比较庞大，占用资源多，剪裁不易，并且一旦个别的程序运行出错，就会导 致整个系统陷入瘫痪。与此相反微内核在操作系统内核中仅仅只实现那些必 须由内核来完成的基本功能，而将图形系统、文件系统、设备驱动等功能放在 内核之外，作为系统服务来提供相应的功能这些程序在用户状态下运行。这 样做的优点在于有一个精炼的内核，便于剪裁和移植。由于系统服务程序运行 在用户地址空间，因此个别程序的出错不至于导致整个系统崩溃，但同时这样 增加了运行中用户状态和内核状态要频繁切换，这样会导致系统效率的降低。 与传统的操作系统的“大内核”、“微内核”体系结构相比，“和欣”操作系统内 核罩提供的系统服务，完全可以由用户依据系统自身的需求动态决定。针对不 同的需求和应用环境，既可以使c a r 构件运行在目态，也可以使它运行在管态。 因此我们称“和欣”操作系统内核为“灵活内核”( a g i l ek e r n e l ) 。 武汉理丁大学硕士学位论文 图3 3 “和欣”灵活内核示意图 “和欣”灵活内核的体系结构，利用构件和中间件技术解决了长期以来困 扰操作系统体系结构设计者的大内核和微内核在性能、效率与稳定性、安全性 之间不能两全其美的矛盾。 3 3 “和欣”打造3 g 时代的智能手机操作系统 3 3 1e i a m e 智能手机操作系统概述 e l a m e 全称为e 1 a s t o sf o rm o b i l ee d i t i o n ，目前的版本1 0 。e l a i d e1 0 作为“和欣”家族的新成员是在科泰世纪科技有限公司具有国产自主知识产权 的操作系统e l a s t o s1 1 版本的基础上为智能手机等个人移动消费类电子产品 量身定做的糟略版本。与e l a s t o s1 1 相比，e i a m e1 0 是为了满足智能手机 等个人移动消费类电子产品更高的效率和实时性要求，针对目前智能手机等移 动消费类电子产品的应用特征( 资源有限、低功耗要求) ，在原有e l a s t o s1 1 的系统基础功能( 如调度策略、内存管理等) 、系统服务构件及相关接口定义上 做了一定的精简与重构工作，为智能手机等移动消费类电子产品提供一个具有 特定功能、高安全性、高稳定性的嵌入式“和欣”操作系统。随着3 g 的到来， e i o m e 将成为面向t d - s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等标准的3 g 智能手机嵌入式操 作系统。 图3 - 4e i a m e 操作系统结构示意图 目前完整的e l a d e 操作系统大小仅有2 0 0 k 左右( 包括一个负责调度管理、 中断管理的微内核、m m u 虚拟内存管理、系统消息中心、虚拟文件系统基础服 务、构件支持服务等) 。e i a m e 系统a p i 定义及相关系统服务构件接e l 定义与 e l a s t o s1 1 保持由下往上的兼容，同时保留着e 1 a s t o s1 1 的完整的体系结 构，秉承着e l a s t o s 灵活内核的一贯设计思想，用户能够自主灵活地动态加载 第三方图形系统构件、文件系统构件、电源管理构件、应用服务构件等，实现 了个性化的服务。下图描述了e i a m e 在“和欣”操作系统家族中的地位。 武汉理工人学硕士学位论文 图3 - 5e l a m e l 0 与e t a s t o s l 1 的关系示意图 3 3 2e i a m e 对手机产业的影响 随着3 g 时代的日益临近，电信业务正逐渐由语音业务向数据业务转化，电 信产业链也由原来的简单的基础网络运营商和电信设备提供商向提供电信个性 化服务支持以及终端销售等环节延伸，电信市场将越分越细，随着制造商、运 营商、内容提供商、系统集成商、应用开发商等多个环节的不断加入，新的产 业价值链正在逐步形成。在这整个产业链中，最为关键的核心软件平台就是手 机操作系统。 目前中国己掌握了t d - s c d m a 协议栈等关键软件，现在e l a m e 中国自主的智 能手机操作系统的出现，表明了我国已经拥有从芯片到手机终端解决方案的完 整技术，可以自主打造3 g 手机的完整产业链。在未来的3 g 市场中，“和欣”国 产嵌入