嵌入式中间件技术研究综述.doc

2008 年第 11 期（总第 111 期）大 众 科 技DA ZHONG KE JINo.11，2008(Cumulatively No.111)何剑（扬州职业大学高邮学院，江苏高邮 225600）【摘 要】介绍了嵌入式中间件技术的产生背景，阐释了嵌入式中间件的概念、在嵌入式系统中的位置和作用、特点，在研究分析嵌入式中间件的技术发展和产品实现的基础上，提出了三种分类方案，最后，展望了嵌入式中间件技术的发展趋势。【关键词】嵌入式系统；中间件；嵌入式中间件【中图分类号】TP311【文献标识码】A【文章编号】1008-1151(2008)11-0020-03（一）嵌入式中间件技术的提出随着嵌入式系统（embedded system）的飞速发展，嵌 入式产品已经在个人、家庭和工业领域得到了广泛的应用。一方面，伴随着嵌入式Internet时代的到来，嵌入式设 备与网络结合，实时自动的互换信息已经慢慢的发展起来。如：在工业控制中，通过网络将嵌入式系统与远程控制台联 结起来，把运行期间采集到的数据发送至控制台，这样可以对嵌入式系统实施远程监控和配置。这就对嵌入式系统的分布式计算提出了要求，即嵌入式系统之间的协同工作、嵌入 式系统与普通桌面系统之间的协同工作的需求日益普遍。但 由于各种原因，应用系统之间甚至同一个应用系统之内都存 在着很大的异质性。那么如何在由众多不同的嵌入式系统（不 同的体系结构、不同的微处理器、不同的支撑软件、不同的 接口协议）所构成的分布异构的动态网络环境下，解决基于 多嵌入式系统的跨平台的应用互连和互操作问题呢？亦即如 何构建一个标准的通用性支撑软件平台，可以满足若干个相 互异构的嵌入式系统与嵌入式系统、嵌入式系统与PC 机之间 的互通互连和互操作的特殊要求呢？目前看来，恐怕也只有 将桌面系统的“软总线（Software Bus）”技术中间件（middleware）技术向嵌入式系统作迁移，才能担此重任。 另一方面，随着嵌入式系统在各行业中的深入应用，嵌 入式软件的开发越来越受瞩目。如何高效率地开发嵌入式系统中的应用软件，是一个关键问题。将中间件技术引入到嵌入式应用软件的开发中，能最大限度地支持上层应用软件的开发。因为中间件技术可以屏蔽各类硬件平台和操作系统的 结构差异和技术细节，向应用程序开发人员提供简单统一的 接口，使他们把精力更多地集中在应用系统的设计开发上， 能加快开发进度，降低开发成本，提高产品竞争力。总之，一是嵌入式系统要求互连并接入 Internet，实现分布式的普适计算，二是嵌入式应用软件的开发追求高效率、低成本、高质量、可扩展、可维护，所以嵌入式中间件技术应运而生。（二）嵌入式中间件的概念对照桌面系统上的中间件定义，不难看出，嵌入式中间 件（Embedded Middleware）是位于嵌入式系统软件（嵌入式操作系统、嵌入式数据库等）与应用软件之间的一种软件，使用嵌入式操作系统所提供的基本功能与服务，为上层的应用系统提供运行开发环境。简单而言，嵌入式中间件是使嵌 入式应用独立于具体软硬件平台的核心软件环境。可以从三方面来理解：1.嵌入式中间件是一类软件，运 行在嵌入式操作系统和嵌入式应用软件之间，用于协调两者之间的服务。2.嵌入式中间件运行在嵌入式设备上，为应用程序和数据库之间的信息交互提供服务，包括信息发送、接 受，安全性保证，提高运行效率等。3.嵌入式中间件为嵌入 式应用提供开发和运行平台，通过提供 API 函数，使第三方 能够直接利用中间件平台开发应用程序，且应用软件可直接【收稿日期】2008-08-29【作者简介】何剑（1981），男，江苏高邮人，扬州职业大学高邮学院助教，在读硕士研究生，研究方向为嵌入式系统。（五）嵌入式中间件的分类及产品实现1.嵌入式CORBA（Common Object Request Broker Architecture）。公共对象请求代理体系结构（CORBA）是由 对象管理组织（OMG）发起和制定的一组规范，目的是定义一 套界面协议，符合这些协议的对象可以互相交互,不论它们是 用什么样的语言写成，也不论它们运行于什么样的机器和操在中间件环境下运行。（三）嵌入式中间件在嵌入式系统中的位置、作用 通常认为，嵌入式系统由硬件平台和软件系统组成，可 分为四层，从底向上分别为底层硬件平台、操作系统平台（操作系统内核以及各种硬件驱动程序）、中间件、应用软件。中 间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件分隔开来，使应用不依赖于具体的硬件平台。也有专家认为，操作系统内核及 相关系统组件也属于中间件范畴，只不过是低层次的中间件而已。如图1所示：作系统。针对嵌入式系统的资源（如CPU处理能力、内存容量、功耗等）有限的特点，OMG 对完整的CORBA规范进行了裁减，推出了适用于嵌入式系统的MinimumCORBA、CORBA/e 等规范。在国外，产品性的嵌入式CORBA有：针对电信领域较为有名的Visibroker for Tornado和pSoS；针对控制和军事领域的 ORBExpress和HARDPACK。DeltaCORBA 是国内的一个嵌入式 CORBA产品，支持Windows、Linux、Vxworks、DeltaOS ，可 以为混合这些操作系统的应用系统提供不同节点上应用之间的协同工作。2.嵌入式Java。应用服务器（Application Server）是 在Internet上进行企业规模的Web 应用的一种新技术，它驻 留在中间层，将前端用户接口和后端数据服务分割开来，形成三层或N层分布式环境。目前，Web 应用服务器的业界标准是SUN公司的J2EE模型，它给出了在分布式环境下开发、部署 和集成面向“组件”的运行在服务器上的Java应用程序应当 遵循的一些具体规则。通常，J2EE应用程序由三部分构成： 一是EJB应用服务器，它是服务端的构件模型，形成了J2EE 平台的基础，为开发部署可重用的Java 服务器定义模型并提供 标准的编程接口。上层企业应用通过它所提供的各种分布式图 1 嵌入式中间件层次结构嵌入式中间件是在嵌入式应用程序和操作系统、硬件平 台之间嵌入的一个中间层，通常定义成一组较为完整的、标 准的应用程序接口。它主要为嵌入式应用软件的开发提供跨 硬件平台、跨操作系统，层次化、模块化、可扩展的接口， 同时，根据嵌入式应用的编程特点提供必要的编程工具。借 助嵌入式中间件，应用程序可以独立于操作系统和硬件平台， 使产品的开放性和可移值性更强，也就是说，应用程序不仅 可以运行于不同硬件平台，也可以在不同的操作系统平台上 运行；凭借嵌入式中间件，可以直接在其上进行嵌入式应用 程序的开发，不必关注底层各种嵌入式硬件平台、各类嵌入 式实时操作系统的基础技术细节，容易实现资源动态变化的 分布异构网络环境下的多嵌入式应用系统的跨平台协同工 作，在提高开发效率、减少开发和维护成本的同时能够跟上 基础软硬件平台的扩展升级和底层技术的快速发展，使嵌入 式应用软件的开发和管理变得更加简捷。有理由相信，嵌入式中间件的广泛运用将使嵌入式应用 也能像 JAVA 语言一样，可在各式各样机器、操作平台的环境 中开发应用软件“一次编译，到处运行”。（四）嵌入式中间件的特点1.内核微小。基于嵌入式设备资源有限的实际情况，嵌 入式中间件势必不能很大，如果过大，运行速度和效率将受 到很大的影响。2.支持多种嵌入式操作系统。嵌入式中间件作为一种开发和运行平台，不能仅仅局限于某一种或者几种操作系统上， 为了支持对异构终端的应用，它应该支持多种嵌入式操作系 统，尽可能做到“一次编写，多处运行”。3.支持多种应用的标准和协议。嵌入式中间件作为开发 和运行平台，应该提供标准的协议和接口，例如：SQL 接口、 MPEG 标准等，方便、高效的满足各类嵌入式应用的开发。4.支持多种连接协议。嵌入式设备同网络的连接方式很 多，有串口通信、USB 通信、无线网络、调制解调器、红外通 信、TCP/IP 等很多种方式，因此，嵌入式中间件应该支持多 种连接协议，完成同服务器的信息交互。5.完善的安全保证和数据同步、恢复机制。由于嵌入式 设备具有较高的移动性，发生碰撞、磁场干扰、遗失等特殊 情况的概率较高，因此嵌入式中间件应该提供完善的安全保 证和实时高效的数据同步、恢复机制。中间件服务，如：事务处理服务、安全认证服务、交易服务、消息服务、数据库服务等，实现对底层企业数据的访问。二是Web终端服务组件Servlet和JSP，有了它们，电子商务类的企业应用就能支持任何类型的客户端，如：移动电话，PDA等，通过Internet访问那些分布共享的底层数据。三是底层通信服务及安全组件，支持JMRP、RMI/IIOP、JMS技术，提供可靠 的底层数据通道。把基于J2EE规范的中间件技术思想，移植 到嵌入式系统中来，可以设计和实现基于J2EE规范的嵌入式数据库中间件，典型的实现方案如：Java + JVM + JDBC +Embedded Database 。3.嵌入式DCOM（Distributed Component Object Model）。 DCOM即分布式组件对象模型，是跨LAN、WAN和Internet的二 进制COM对象的基本扩展，提供了一组使COM组件加入网络环 境的透明网络协议。通过DCOM协议，COM对象可以在网络上彼 此交互。VxDCOM是Wind River公司根据微软公司的DCOM标准 实现的，为开发VxWorks操作系统下的嵌入式系统DCOM应用提 供了一个支持标准DCOM/COM接口规范的开发平台，使运行 VxWorks的嵌入式设备能够与其它分布式嵌入式系统或PC 系 统实现无缝连接。4.面向特定应用领域的嵌入式中间件。例如，在智能家 电领域，HAVi 重在解决家庭多媒体设备高速互联，Jini 对 实时性的支持较差，UPnP 直接采用TCP/IP作基础而不必使用 其他软件层过渡，软件模块相对较小，更适合嵌入式系统， 所以，设计智能家电嵌入式开放平台时，中间件这个环节选用UPnP 技术更为合适 。又如，在数字电视（DTV）领域，主8流的数字电视中间件标准有欧洲的DVB-MHP（多媒体家庭平台）标准、美国OCAP标准、日本的ARB标准等，其中得到广泛 应用的是DVB 组织提出的基于Java 虚拟机的MHP 中间件标准。MHP 标准主要定义数字电视中间件的整体结构、传送协议、内容格式、Java 虚拟机和DVB-JAPIs、安全性和各层的 细节。我国的数字电视中间件标准则明确指出中间件系统要 采用Java虚拟机，提供Java应用程序标准接口，使用Java语言编写交互式应用程序。实践中，可以利用数字电视中间件设计和实现有线电视机顶盒（典型的嵌入式应用系统）。 如果从嵌入式中间件实现的抽象功能和作用来看，则可以有以下几类：嵌入式数据中间件（屏蔽底层各类嵌入式数据库的实现细节，为上层应用提供统一的数据访问接口）、嵌 入式实时中间件（越来越多的嵌入式设备通过与网络的结合 彼此进行实时的信息交换，这对嵌入式系统的数据传输速度 提出了要求，即能够在分布嵌入式实时环境下对具有实时服务质量要求的任务请求提供支持。这一类型的中间件通常与 无线、实时控制直接相关。现有的典型的嵌入式实时中间件 有 QoS 体系结构）、嵌入式通信中间件（主要用于基于嵌入式 技术的各通信设备之间进行网络互连，是具体实现基于嵌入 式系统的跨平台互通、互连、互操作的关键中间件）、嵌入式 安全中间件（实现分布异构的各类嵌入式系统之间的跨平台 信息传输的安全认证、远程数据恢复、加密解密等服务）。如果依据图 1 分层次解释嵌入式中间件，那么就有低层 中间件和高层中间件之分。嵌入式低层中间件包括各种设备 驱动程序、嵌入式 RTOS 内核、各类系统组件等。如果按照 OS核心之外的系统组件的功能来进一步划分的话，嵌入式低层中间件中又有：嵌入式图形中间件（这是最典型的一类嵌入 式中间件，是一种“针对嵌入式设备的、跨操作系统的图形 界面支持系统”，具体产品有： MicroWindow、Qt/Embedded、 MiniGUI、uC/GUI、OpenGUI、ZLG/GUI 等）、嵌入式文件系统（如：uC/FS、ZLG/FS 等）、嵌入式网络协议中间件（如： uC/TCP-IP、uC/IP、lwIP、uIP、ZLG/IP、uC/CAN）、嵌入式 设备驱动中间件（如：uC/USB、uC/FlashLoader、ZLG/CF 等）。 而嵌入式高层中间件是在低层中间件的基础上进一步抽象， 进一步屏蔽低层细节的一类软件，为顶层嵌入式应用程序提 供统一的 API，如：uC/BuildingBlocks 。（六）嵌入式中间件技术展望随着嵌入式技术和网络技术的迅猛发展，人们对于移动 计算的要求不断加强。正像 IBM 公司提出的“普适计算”时 代已经来临，嵌入式中间件将更多的应用到嵌入式系统中， 以满足人们对“无论何时何地，都可以进行信息交互”的要 求，现在嵌入式中间件已经越来越受到国际大公司的重视，他们纷纷研制适合于异构终端的，能访问多种数据库的嵌入式应用开发平台，嵌入式中间件将是未来嵌入式发展的一个 热点。换一个角度看，由于嵌入式系统的复杂性程度高，有专 家提出要解决嵌入式软件危机，只有从实时操作系统和嵌入式中间件着手。就软件开发而言，很自然会把分布对象的概 念引伸到这一领域，提出开发嵌入式中间件的需要，将成为软件开发的一个新热点。最为典型的即是分布对象技术标准CORBA 规范针对嵌入式系统应用的改进和引入。 嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会像 PC 一样只有一种平台，但它会吸取 PC 的成功经验，形成不同行业的标准。统一的行业标准具有设计技术共享、构件兼容、维护方便和合作生产等特点，是增强行业性产品竞争能力的有效手段。 走行业开放系统道路、建立行业性的嵌入式软件开发平台是 加快嵌入式软件技术发展的有效途径之一。根据应用的不同要求，今后各行业会定义其嵌入式操作系统、嵌入式中间件、嵌入式支撑软件等行业标准。由此可见，形成行业标准，也是嵌入式中间件的一个重要发展趋势。 未来，对嵌入式中间件技术可研究的内容很多，但主要在以下领域：Java 优化技术、嵌入式 Web 服务器、嵌入式实时 CORBA 技术、嵌入式标准 API、小型 GUI 技术、嵌入式安全 技术、多媒体技术、低功耗技术、宽带和无线通信技术等。 总而言之，嵌入式软件系统因为针对不同的设备所以各 方面功能差异很大，嵌入式硬件系统因为体积受限资源有限所以各种设备之间异构现象严重，而各种嵌入式设备联网又 是大势所趋，显而易见，嵌入式中间件必将飞速发展。【参考文献】1 李男,黄永忠,陈海勇.一种嵌入式系统通信中间件的设计J. 微计算机信息,2006(2):48-50.2 朱红军,刘锦德.嵌入式中间件的研究J.计算机应用研 究,2004(7):61-63.3 刘毅,黄志刚.嵌入式系统中内存管理中间件的研究与实现 J.计算机与数字工程,2006(10):176-179.4 徐会建,杨国纬,沈铮.基于虚拟处理器的嵌入式中间件J.单片机与嵌入式系统应用,2004(3):11-14.5 盛哲,周陬,王宏远.嵌入