嵌入式操作系統(tǒng)定制的通用性研究

引言
    目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)已經(jīng)成為了計算機工業(yè)最熱門的領域之一，嵌入式系統(tǒng)應用滲透到信息家電、工業(yè)控制、通信與電子設備、人工智能設備等諸多領域。嵌入式操作系統(tǒng)的引入大大提高了嵌入式系統(tǒng)的功能，方便了嵌入式應用軟件的設計，但相應也占用了寶貴的嵌入式系統(tǒng)資源。同時，因為嵌入式應用系統(tǒng)配置差別較大，I／O操作也沒有標準化，這部分驅動軟件常常由應用程序提供，這就要求在開發(fā)環(huán)境中能夠對用戶選定的實時操作系統(tǒng)進行剪裁和擴展，并和應用程序綁定在一起生成一個可運行在目標環(huán)境下的應用系統(tǒng)。所以針對不同應用需求裁減掉不需要的操作系統(tǒng)模塊，配置特定的嵌入式操作系統(tǒng)是降低系統(tǒng)硬件成本， 減少系統(tǒng)資源消耗，提高系統(tǒng)靈活性的關鍵。
    嵌入式操作系統(tǒng)大多采用構件化、模塊化的設計思想，以搭積木的方式通過互連構造軟件因而是可配置的。但是由于操作系統(tǒng)的多樣性，不同操作系統(tǒng)提供的配置方式迥異且繁簡不一。例如：風河公司的VxWoks操作系統(tǒng)，其開發(fā)環(huán)境Tornado提供的配置工具可以對操作系統(tǒng)模塊進行選擇和刪除，但其配置主要還是通過用戶對目標系統(tǒng)目錄樹下相關配置文件進行手工編輯和修改來完成的；科銀京成公司。Delta OS的配套開發(fā)環(huán)境Lambda Tool，可以簡單對內核參數(shù)、文件系統(tǒng)參數(shù)和網(wǎng)絡系統(tǒng)參數(shù)進行設定。由于硬 件平臺的多樣性，即使是相同操作系統(tǒng)，其配置也是有差別的。應用程序開發(fā)者必須熟悉不同的硬件平臺和不同的操作系統(tǒng)才能進行可行的應用的開發(fā)，增加了應用開發(fā)的難度。
    對于嵌入式應用的行業(yè)開發(fā)，往往提供了多種操作系統(tǒng)供應用開發(fā)者選擇。如果能提供一套統(tǒng)一的操作系統(tǒng)配置工具，那么應用開發(fā)者不必因為選擇不同的操作系統(tǒng)而重新學習使用新的配置環(huán)境，必然能提高開發(fā)效率，這在行業(yè)開發(fā)中有著重要意義。
    本文將軟件復用技術用于嵌入式操作系統(tǒng)的定制過程，提出了一個嵌入式操作系統(tǒng)定制過程的通用模型(OSTAILOR)，并在此基礎上研究設計了基于嵌入式Linux的配置剪裁器。

1 嵌入式操作系統(tǒng)配置通用化模型
    以操作系統(tǒng)抽象模塊作為操作系統(tǒng)配置的基本單位，在此基礎上得到了嵌入式操作系統(tǒng)配置通用化模型OSCFG。
1.1 模型概述
    如圖1所示，虛線框表示建立的操作系統(tǒng)配置模型。左邊的兩個實線框表示對于操作系統(tǒng)配置模型的輸入：選擇配置的操作系統(tǒng)類型和選擇配置的操作系統(tǒng)抽象模塊。右邊的實線框表示輸出的配置生成結果：特定的配置文件。

    操作系統(tǒng)配置模型的關鍵在于通用性，即對不同的操作系統(tǒng)，能夠在邏輯上對操作系統(tǒng)所劃分出來的物理模塊保持透明性，因而，建模要點在于以下兩點：
    ①對各式各樣的操作系統(tǒng)模塊進行抽象，使之成為對應于配置模型的抽象模塊。抽象模塊以模塊屬性文件的形式存放在構件庫，供配置選用。
    ②抽象模塊最后能映射為對應于不同操作系統(tǒng)的實體信息。 

    在上述前提下，構建了如圖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)模塊包含兩個關鍵屬性：①抽象出來的模塊名。根據(jù)此模塊名，應用開發(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。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，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，將選擇結果送至文件解析器。從構件庫獲得對應模塊的屬性文件。通過解析，將解析結果生成模塊結構映射關系圖。模塊結構關系圖中的模塊均以抽象邏輯形式存在，可以通過查找構件庫得到它以文件形式存在物理實體信息。根據(jù)模塊結構映射關系圖和每一個模塊的物理實體信息。生成對應的Makefile或其它一些相關配置文件，把它提供給對應的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，配置復雜度越高〔5〕。為了達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構，不同層次的模塊封裝其下層模塊，形成不同的配置粒度。現(xiàn)以3層結構進行描述，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(task)、I／O驅動(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。
    原子級模塊的粒度存在于目標代碼或庫文件級，因為它映射的物理實體以目標代碼或庫文件存在。雖然在圖4的層次結構中，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，也是模塊粒度最細的一層。因而在配置過程結束以后，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臺才能發(fā)揮應有的作用。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，完成更強大的功能，就構成了應用級模塊。每一個應用級模塊都是一個功能模塊集，也是粒度最大的一層模塊。對于應用程序開發(fā)者，為了開發(fā)特定的應用程序，如果不想選擇細粒度的模塊，可以直接選擇應用級模塊來配置操作系統(tǒng)。
    這種模塊化的分層結構，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，以便增強定制過程的靈活性；而其最大的優(yōu)點是，對于每一次定制需求的改變，不必由最細粒度的原子級模塊配置重新做起，而是可以對需求改變進行分析，替換掉恰當粒度的模塊，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系，同時構造出對應的關系圖。
    基于對模塊的封裝，每層模塊只關心和它緊密聯(lián)系的下層模塊的映射關系，即它是由下層的什么模塊所構成的。為此，我們在配置生成每一個模塊時，將它對下層的映射關系保存在數(shù)據(jù)庫中。
    逐層解析時，我們把模塊名作為關系圖的頂層結點，并在數(shù)據(jù)庫中查找它對下層模塊的映射關系。根據(jù)映射關系中涉及的下層模塊，如果關系圖中不存在它對應的結點，在關系圖中添加新的結點，每個新結點對應一個下層模塊名。根據(jù)映射關系，添加圖中的拓撲關系。再將每個新結點作為一個新的頂層結點，重復剛才的過程，直至最終映射到原子級構件，則構造出一個完整的關系圖?？梢哉f，關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系圖中，選擇出度為O的結點（即為原子級模塊對應的結點）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手機開發(fā)平臺中。配置剪裁器使用構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行操作系統(tǒng)生成。三者的關系如圖6所示。

    下面是三個工具的功能說明。

(1)配置剪裁器
    ①顯示從構件庫獲得的已有模塊信息。
    ②根據(jù)用戶選擇，配置新的模塊，并將模塊信息存入構件庫，供下次定制時作為已有模塊使用。
    ③定制特定應用開發(fā)所需的操作系統(tǒng)：用戶可以選擇構件庫中已存在的不同粒度的模塊進行配置。在需要編譯連接生成可下載到目標機的目標代碼時，生成對應的配置文件，傳給項目管理器。

(2)構件庫管理器
    保存操作系統(tǒng)抽象模塊信息，供配置剪裁器查詢和使用。查詢內容包括：①可以配置的模塊名，供配置剪裁器提取出顯示在用戶界面上，供用戶配置選擇；②每個模塊對它下一層的映射信息。根據(jù)此映射信息，可以進行遞歸往下查找，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
    項目管理器管理應用程序的開發(fā)，因而項目管理器向配置剪裁器提供應用開發(fā)者編制的應用程序的源文件路徑信息。嵌入式軟件的最大特點就是應用程序往往不是獨立存在的，它最終和操作系統(tǒng)一道作為二進制目標代碼下載到目標機。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的Makefile文件中。
    以用戶的應用程序開發(fā)配置所需的應用級模塊為例，將配置剪裁器工作步驟說明如下：
    ①選擇構件庫中已有的應用級模塊，定制操作系統(tǒng)，將配置文件路徑保存在構件庫管理器中。
    ②當收到項目管理器獲得具體操作系統(tǒng)配置文件的請求時，查找構件庫，得到保存的特定應用的配置文件路徑。根據(jù)此路徑和文件名，打開文件進行解析，獲得應用所包含的應用級模塊的個數(shù)和模塊名，生成初始的關系圖。
    ③根據(jù)應用級模塊的個數(shù)和模塊名，查找構件庫，得到每個應用級模塊的配置文件名和路徑。解析文件得到對應的功能級模塊，將功能級模塊和對應拓撲關系添加在關系圖中。
    ④以此類推，直到找到對應的原子級模塊，最終生成一個完整的關系圖。
    ⑤根據(jù)關系圖查找構件庫，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，來編譯內核，生成用戶定制的操作系統(tǒng)內核。因此原子級模塊對應于特定操作系統(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)絡模塊對應的實體信息，即“CONFIG_NET=y”配置項。

結語
    通過對操作系統(tǒng)定制技術進行研究，抽象出操作系統(tǒng)定制過程通用模型OSTAILOR，并結合863項目“面向PDA手機的嵌入式軟件開發(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內核組件及應用模塊進行操作系統(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)提供的應用編程接口(API)。若需修改定制的操作系統(tǒng)，就必須替換應用程序中對應的API。如何在操作系統(tǒng)定制過程中，滿足應用開發(fā)的操作系統(tǒng)無關性，將是本課題進一步研究的方向。