嵌入式操作系統(tǒng)定制通用性研究

　　在上述前提下，構(gòu)建了如圖2所示的操作系統(tǒng)配置過程模型OSTAILOR。圖中陰影部分實現(xiàn)了配置的操作系統(tǒng)無關(guān)性，可以稱為操作系統(tǒng)抽象層。 圖2 O$1AII一0R過程模型對于具體的操作系統(tǒng)模塊實體，首先經(jīng)過模塊抽象，封裝成對應(yīng)用可見的操作系統(tǒng)抽象模塊。每一個操作系統(tǒng)模塊包含兩個關(guān)鍵屬性：①抽象出來的模塊名。根據(jù)此模塊名，應(yīng)用開發(fā)人員可以知道此操作系統(tǒng)模塊具有的基本功能。②模塊層次，隸屬于不同層次的模塊具有不同的模塊粒度。一般而言，越靠近底層的模塊，粒度越細(xì)。在配置完成以后，根據(jù)用戶輸入選擇需要映射的特定操作系統(tǒng)，根據(jù)此輸入選擇，模塊配置完成以后，才能選擇特定的操作系統(tǒng)映射算法將抽象的模塊映射到具體的操作系統(tǒng)功能上。

　　圖2中抽象模塊配置層完成的功能還包括可根據(jù)用戶選擇，將操作系統(tǒng)抽象模塊配置成更高層次，更大粒度的模塊，供本次操作系統(tǒng)生成或下次定制使用。在這個操作系統(tǒng)定制模型中，抽象模塊配置層以下層次完成的功能是根據(jù)模塊配置層的配置結(jié)果和用戶對操作系統(tǒng)類型的選擇，完成對具體操作系統(tǒng)的映射。這部分因為與具體嵌入式操作系統(tǒng)相關(guān)，因而具有特殊性。為了實現(xiàn)配置的通用性，也就需要考慮如何把特殊性降低到最小。

　　1.2基本工作原理
　　1.2.1配置基本流程

　　定制的基本流程如圖3所示。用戶瀏覽器查詢構(gòu)件庫，并對用戶顯示出可選模塊，然后接收用戶對模塊的選擇，將選擇結(jié)果送至文件解析器。從構(gòu)件庫獲得對應(yīng)模塊的屬性文件。通過解析，將解析結(jié)果生成模塊結(jié)構(gòu)映射關(guān)系圖。模塊結(jié)構(gòu)關(guān)系圖中的模塊均以抽象邏輯形式存在，可以通過查找構(gòu)件庫得到它以文件形式存在物理實體信息。根據(jù)模塊結(jié)構(gòu)映射關(guān)系圖和每一個模塊的物理實體信息。生成對應(yīng)的Makefile或其它一些相關(guān)配置文件，把它提供給對應(yīng)的Make工具(編譯器、鏈接器等)，最后生成系統(tǒng)的可執(zhí)行文件。

　　　1.2.2模塊抽象的層次劃分

　　一般說來，模塊的粒度越大，每一個模塊所包含的功能越多，其可配置性就越低；而模塊粒度越小，配置復(fù)雜度越高〔5〕。為了達(dá)到配置的靈活性和方便性，并將配置中涉及到操作系統(tǒng)特殊性的地方降到最小，我們將模塊抽象出來，并將其劃分為多級結(jié)構(gòu)，不同層次的模塊封裝其下層模塊，形成不同的配置粒度?，F(xiàn)以3層結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，如圖4所示。

　　圖4中最下層是原子級模塊，它抽象了操作系統(tǒng)的基本功能，包括任務(wù)(task)、I／O驅(qū)動(driver)、定時器(timel)、信號量(sernaphore)、消息隊列(quecue)、事件(event group)、郵箱(mailBox)、管道(pipe)等。除此之外，還包括一些基本的應(yīng)用功能。之所以取名為原子級模塊，是為了表明它是不可再分的基本模塊，是配置其它層次模塊的基礎(chǔ)。

　　原子級模塊的粒度存在于目標(biāo)代碼或庫文件級，因為它映射的物理實體以目標(biāo)代碼或庫文件存在。雖然在圖4的層次結(jié)構(gòu)中，它也是作為抽象的邏輯模塊存在，但是它是和物理實體聯(lián)系最緊密的一層，也是模塊粒度最細(xì)的一層。因而在配置過程結(jié)束以后，通過這層映射到不同的文件，產(chǎn)生不同格式的配置文件，達(dá)到配置不同操作系統(tǒng)的目的。原子級模塊完成的只是某一特定功能的一部分，或者只是某一特定功能一個子功能，必須和其它原子級模塊相結(jié)臺才能發(fā)揮應(yīng)有的作用。因而在它的上層提出了功能級模塊的概念。

　　功能級模塊由原子級模塊配置生成。通過把不同的原子級模塊結(jié)合在一起，完成某一特定功能，并加大了模塊粒度。例如，配置無線上網(wǎng)的功能模塊，除了要選擇無線上網(wǎng)本身這個原子級模塊，還需要選擇操作系統(tǒng)中支持上網(wǎng)功能的原子級模塊，比如TCP／IP協(xié)議棧。

　　通過把功能級模塊組裝在一起，完成更強(qiáng)大的功能，就構(gòu)成了應(yīng)用級模塊。每一個應(yīng)用級模塊都是一個功能模塊集，也是粒度最大的一層模塊。對于應(yīng)用程序開發(fā)者，為了開發(fā)特定的應(yīng)用程序，如果不想選擇細(xì)粒度的模塊，可以直接選擇應(yīng)用級模塊來配置操作系統(tǒng)。

　　這種模塊化的分層結(jié)構(gòu)，能為開發(fā)者提供不同的模塊粒度，使用戶可以根據(jù)需要，選擇不同層次的模塊，以便增強(qiáng)定制過程的靈活性；而其最大的優(yōu)點(diǎn)是，對于每一次定制需求的改變，不必由最細(xì)粒度的原子級模塊配置重新做起，而是可以對需求改變進(jìn)行分析，替換掉恰當(dāng)粒度的模塊，保持其它部分不變，簡化了配置過程，減少了配置時間。

　　1.2.3模塊層次的解析

　　模塊解析和模塊配置過程正好相反。模塊配置是從最底層開始，逐層構(gòu)建出高層模塊；而模塊解析則從最上層開始，層層向下，直到尋找到最下層的映射關(guān)系，同時構(gòu)造出對應(yīng)的關(guān)系圖?；趯δK的封裝，每層模塊只關(guān)心和它緊密聯(lián)系的下層模塊的映射關(guān)系，即它是由下層的什么模塊所構(gòu)成的。為此，我們在配置生成每一個模塊時，將它對下層的映射關(guān)系保存在數(shù)據(jù)庫中。

　　逐層解析時，我們把模塊名作為關(guān)系圖的頂層結(jié)點(diǎn)，并在數(shù)據(jù)庫中查找它對下層模塊的映射關(guān)系。根據(jù)映射關(guān)系中涉及的下層模塊，如果關(guān)系圖中不存在它對應(yīng)的結(jié)點(diǎn)，在關(guān)系圖中添加新的結(jié)點(diǎn)，每個新結(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個下層模塊名。根據(jù)映射關(guān)系，添加圖中的拓?fù)潢P(guān)系。再將每個新結(jié)點(diǎn)作為一個新的頂層結(jié)點(diǎn)，重復(fù)剛才的過程，直至最終映射到原子級構(gòu)件，則構(gòu)造出一個完整的關(guān)系圖?？梢哉f，關(guān)系圖生成的過程也就是整個映射的過程。算法描述如圖5所示。

　　1.2.4配置的最終完成

　　到模塊層次解析過程完成為止，所有的操作均屏了操作系統(tǒng)的特殊性；但嵌入式系統(tǒng)是多樣的，不僅體現(xiàn)在操作系統(tǒng)的多樣性上，而且，即使相同的操作系統(tǒng)，對應(yīng)不同的處理器，其組成也是千差萬別的。為了生成用戶定制的具體操作系統(tǒng)，根據(jù)用戶輸入選擇的操作系統(tǒng)類型，在上面解析處理生成的關(guān)系圖中，選擇出度為O的結(jié)點(diǎn)（即為原子級模塊對應(yīng)的結(jié)點(diǎn)）映射到不同的操作系統(tǒng)實體，再根據(jù)不同編譯器、鏈接器能識別的規(guī)則，生成不同的makefile文件、config文件和資源文件?？梢哉f，各種配置文件的生成標(biāo)志著操作系統(tǒng)定制過程的完成。

　　2 基于嵌入式Linux的配置剪裁器的實現(xiàn)

　　使用定制過程的通用模型，我們實現(xiàn)了一個嵌入式Linux的配置剪裁器。該配置剪裁器作為一個工具集成到基于嵌入式Linux的PDA手機(jī)開發(fā)平臺中。配置剪裁器使用構(gòu)件庫管理器作為其可選抽象模塊的容器，而其輸出的配置文件則提供給項目管理器，由后者提交給編譯器和鏈接器進(jìn)行操作系統(tǒng)生成。三者的關(guān)系如圖6所示。

　　下面是三個工具的功能說明。

　　(1)配置剪裁器

　?、亠@示從構(gòu)件庫獲得的已有模塊信息。
　?、诟鶕?jù)用戶選擇，配置新的模塊，并將模塊信息存入構(gòu)件庫，供下次定制時作為已有模塊使用。
　?、鄱ㄖ铺囟☉?yīng)用開發(fā)所需的操作系統(tǒng)：用戶可以選擇構(gòu)件庫中已存在的不同粒度的模塊進(jìn)行配置。在需要編譯連接生成可下載到目標(biāo)機(jī)的目標(biāo)代碼時，生成對應(yīng)的配置文件，傳給項目管理器。

　　(2)構(gòu)件庫管理器

　　保存操作系統(tǒng)抽象模塊信息，供配置剪裁器查詢和使用。查詢內(nèi)容包括：

　?、倏梢耘渲玫哪K名，供配置剪裁器提取出顯示在用戶界面上，供用戶配置選擇；

　?、诿總€模塊對它下一層的映射信息。根據(jù)此映射信息，可以進(jìn)行遞歸往下查找，因而支持配置剪裁器中對每個模塊的層次解析和操作系統(tǒng)映射功能。

　　(3)項目管理器

　　　項目管理器管理應(yīng)用程序的開發(fā)，因而項目管理器向配置剪裁器提供應(yīng)用開發(fā)者編制的應(yīng)用程序的源文件路徑信息。嵌入式軟件的最大特點(diǎn)就是應(yīng)用程序往往不是獨(dú)立存在的，它最終和操作系統(tǒng)一道作為二進(jìn)制目標(biāo)代碼下載到目標(biāo)機(jī)。所以，配置剪裁器需把從項目管理器獲得的源文件路徑信息寫入對應(yīng)的Makefile文件中。

　　以用戶的應(yīng)用程序開發(fā)配置所需的應(yīng)用級模塊為例，將配置剪裁器工作步驟說明如下：

　?、龠x擇構(gòu)件庫中已有的應(yīng)用級模塊，定制操作系統(tǒng)，將配置文件路徑保存在構(gòu)件庫管理器中。

　?、诋?dāng)收到項目管理器獲得具體操作系統(tǒng)配置文件的請求時，查找構(gòu)件庫，得到保存的特定應(yīng)用的配置文件路徑。根據(jù)此路徑和文件名，打開文件進(jìn)行解析，獲得應(yīng)用所包含的應(yīng)用級模塊的個數(shù)和模塊名，生成初始的關(guān)系圖。

　?、鄹鶕?jù)應(yīng)用級模塊的個數(shù)和模塊名，查找構(gòu)件庫，得到每個應(yīng)用級模塊的配置文件名和路徑。解析文件得到對應(yīng)的功能級模塊，將功能級模塊和對應(yīng)拓?fù)潢P(guān)系添加在關(guān)系圖中。

　?、芤源祟愅?，直到找到對應(yīng)的原子級模塊，最終生成一個完整的關(guān)系圖。

　?、莞鶕?jù)關(guān)系圖查找構(gòu)件庫，把原子級模塊映射到定制的操作系統(tǒng)實體上。本系統(tǒng)利用Linux自帶配置系統(tǒng)，通過修改Linux的源碼系統(tǒng)中已有的Makefile和kconfig文件，來編譯內(nèi)核，生成用戶定制的操作系統(tǒng)內(nèi)核。因此原子級模塊對應(yīng)于特定操作系統(tǒng)的實體信息就是kconfig文件中需添加的配置項，如選擇了網(wǎng)絡(luò)模塊對應(yīng)的實體信息，即“CONFIG_NET=y”配置項。

　　結(jié)語

　　通過對操作系統(tǒng)定制技術(shù)進(jìn)行研究，抽象出操作系統(tǒng)定制過程通用模型OSTAILOR，并結(jié)合863項目“面向PDA手機(jī)的嵌入式軟件開發(fā)平臺”實現(xiàn)了一個嵌入式Linux的配置剪裁器。用戶可以使用本工具友好的圖形化界面對Linux內(nèi)核組件及應(yīng)用模塊進(jìn)行操作系統(tǒng)定制，自動生成各種配置中間文件，避免了手工編寫修改這些文件的繁瑣，從而演示了使用此模型來實現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)定制過程的通用化的可行性。但是在本模型中，應(yīng)用開發(fā)者定制了特定的操作系統(tǒng)，就必須使用該操作系統(tǒng)提供的應(yīng)用編程接口(API)。若需修改定制的操作系統(tǒng)，就必須替換應(yīng)用程序中對應(yīng)的API。如何在操作系統(tǒng)定制過程中，滿足應(yīng)用開發(fā)的操作系統(tǒng)無關(guān)性，將是本課題進(jìn)一步研究的方向。