基于和欣嵌入式操作系統(tǒng)的構(gòu)件化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧
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目前有兩個(gè)關(guān)鍵因素影響網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)，一是性能和效率，二是開(kāi)發(fā)調(diào)試方便。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)一般只能顧及其中的一個(gè)方面。例如在Linux、FreeBSD中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧作為系統(tǒng)內(nèi)核的一部分實(shí)現(xiàn)，通常具有較高的通信效率，但是不方便用戶添加實(shí)現(xiàn)新的用戶協(xié)議及根據(jù)特殊需要對(duì)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)調(diào)整，同時(shí)對(duì)協(xié)議代碼的維護(hù)、調(diào)試和開(kāi)發(fā)也不方便。這個(gè)缺點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域表現(xiàn)得尤為突出。
由于嵌入式設(shè)備的多樣性和通信需求的多樣性，嵌入式領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的復(fù)用率非常低。本文將構(gòu)件技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)，并在國(guó)產(chǎn)和欣操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)構(gòu)件化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，很好地解決了開(kāi)發(fā)與效率的問(wèn)題。
1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)和CAR構(gòu)件技術(shù)
1.1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)
和欣操作系統(tǒng)基于微內(nèi)核，服務(wù)動(dòng)態(tài)加載。內(nèi)核包括硬件驅(qū)動(dòng)(串口、USB、以太網(wǎng)卡、無(wú)線通信模塊)、內(nèi)存管理等系統(tǒng)基本服務(wù)，如圖1所示。TCP/IP協(xié)議棧完全由構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，是運(yùn)行在構(gòu)件平臺(tái)之上的一個(gè)服務(wù)構(gòu)件。底層網(wǎng)卡、串口等設(shè)備得到數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)交上層服務(wù)構(gòu)件處理。
和欣嵌入式操作系統(tǒng)是基于構(gòu)件化軟件模型，構(gòu)件化軟件設(shè)計(jì)思想貫穿了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本身就是構(gòu)件模式。除內(nèi)核中最底層控制部分外，所有系統(tǒng)功能都以構(gòu)件接口形式提供。另外，操作系統(tǒng)對(duì)構(gòu)件化軟件模型提供了必要的運(yùn)行環(huán)境，來(lái)源不同的構(gòu)件可以在該環(huán)境上實(shí)現(xiàn)互操作。系統(tǒng)提供了構(gòu)件自動(dòng)尋址/自動(dòng)加載機(jī)制，用戶不必知道調(diào)用的構(gòu)件程序是本地的還是來(lái)自于網(wǎng)上，即構(gòu)件運(yùn)行環(huán)境對(duì)用戶透明。構(gòu)件化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，使得操作系統(tǒng)本身具有高度的靈活性和擴(kuò)展性。和欣采用了CAR構(gòu)件技術(shù)。
1.2 CAR構(gòu)件技術(shù)
CAR構(gòu)件技術(shù)是在總結(jié)面向?qū)ο缶幊?、面向?gòu)件編程技術(shù)的發(fā)展歷史和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為更好地支持面向以Web服務(wù)為代表的下一代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)而發(fā)明的。CAR(Component Assembly Runtime)構(gòu)件技術(shù)定義了一套網(wǎng)絡(luò)編程時(shí)代的構(gòu)件編程模型和編程規(guī)范，它規(guī)定了一組構(gòu)件間相互調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)，使二進(jìn)制構(gòu)件可自描述并能夠在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接。
CAR構(gòu)件技術(shù)通過(guò)二進(jìn)制的封裝及動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)解決軟件的動(dòng)態(tài)升級(jí)和軟件的動(dòng)態(tài)替換問(wèn)題。面向構(gòu)件技術(shù)對(duì)一組類的組合進(jìn)行封裝，并代表完成一個(gè)或多個(gè)功能的特定服務(wù)，同時(shí)為用戶提供多個(gè)接口。整個(gè)構(gòu)件隱藏了具體的實(shí)現(xiàn)，只用接口提供服務(wù)。這樣，在不同層次上，構(gòu)件均可以將底層多個(gè)邏輯組合成高層次上粒度更大的新構(gòu)件。構(gòu)件之間通過(guò)約定的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞，構(gòu)件的位置相互透明，可以在同一個(gè)或不同的用戶進(jìn)程空間、不同的機(jī)器甚至不同的構(gòu)件上用不同的語(yǔ)言編寫，只要其符合事先約定的構(gòu)件規(guī)范。
2 和欣操作系統(tǒng)上的TCP/IP協(xié)議棧的特點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)
2.1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)上TCP/IP協(xié)議棧的特點(diǎn)
由于嵌入式系統(tǒng)在硬件資源的占有量以及處理器的處理能力等方面的限制，使得TCP/IP協(xié)議的嵌入式實(shí)現(xiàn)與其在通用操作系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)有很大不同。首先，由于嵌入式處理器的時(shí)鐘頻率低，地址、數(shù)據(jù)總線窄，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)對(duì)一個(gè)通用IP 包的處理要花費(fèi)更多的處理機(jī)時(shí)間，從而影響其他任務(wù)的執(zhí)行。因此需要對(duì)龐大復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行裁剪，使之具有簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)。同時(shí)在設(shè)計(jì)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧時(shí)要合理控制中斷處理程序的大小，使得中斷處理程序的運(yùn)行時(shí)間盡可能短；同時(shí)把那些無(wú)實(shí)時(shí)性要求和費(fèi)時(shí)的工作移到主程序中執(zhí)行，從而保證協(xié)議的正確執(zhí)行。具體來(lái)說(shuō)，就是把TCP/IP協(xié)議的處理工作放到主程序中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口的控制芯片采用循環(huán)查詢方式，在其他中斷任務(wù)的執(zhí)行間隙處理TCP/IP協(xié)議，以犧牲系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間換取系統(tǒng)的可靠性。再者由于嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間有限，一般情況下只能開(kāi)辟幾KB字節(jié)的緩存區(qū)接收數(shù)據(jù)包，并且其存儲(chǔ)空間固定，不是動(dòng)態(tài)分配的。因此，在遇到大數(shù)據(jù)包時(shí)就會(huì)出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出的錯(cuò)誤。通常，嵌入式系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)包類型僅為系統(tǒng)狀態(tài)配置包、控制動(dòng)作命令包、通信控制包等，這些包容量較小。由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或網(wǎng)頁(yè)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包比較長(zhǎng)，但可以通過(guò)設(shè)計(jì)格式加以控制。
和欣操作系統(tǒng)是基于微內(nèi)核的操作系統(tǒng)，其上的TCP/IP協(xié)議棧既可以運(yùn)行在用戶態(tài)，也可以運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，具有通用接口和方便的框架，方便用戶開(kāi)發(fā)適合自己領(lǐng)域或特殊需要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。因?yàn)楹托啦僮飨到y(tǒng)提供了高效的進(jìn)程上下文切換功能和進(jìn)程間通信，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧作為一個(gè)用戶態(tài)進(jìn)程提供服務(wù)。使用前先創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件實(shí)例，然后向操作系統(tǒng)注冊(cè)服務(wù)。此后用戶就可以使用網(wǎng)絡(luò)編程接口了。如果用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧有更高的效率要求，則可以將該協(xié)議棧加載到內(nèi)核態(tài)。
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