基于嵌入式系統軟件中間件的開發與研究

馬偉順 魏燕 李合菊 孫鋒申

摘 要 隨著計算機網絡通信技術的快速發展，其技術應用的領域也在逐漸加大，導致嵌入式編程軟件的發展也更加迅猛。然而與硬件方面相比，嵌入式軟件的發展相對滯后，正因為此對開發嵌入式軟件也有了更高的要求。為了使得移植不同嵌入式系統及在嵌入式系統中進行互操作的問題能夠解決，筆者對嵌入式系統軟件中間件的開發與研究進行了探討。

【關鍵詞】嵌入式系統 中間件 軟件開發

本文針對嵌入式編程軟件中間件技術進行了概述，再與國外此項技術的研究進行對比，分析了探討該項技術的發展。

1 嵌入式編程軟件中間件的概述

嵌入式中間件即為在嵌入式程序和嵌入式系統間使用中間件。此中間件在編程接口方面有著統一化的規范，提供給應用程序操作系統的功能。應用編程接口的統一化封裝了整個嵌入式系統，使其形成虛擬化操作系統。此虛擬操作系統是對嵌入式系統的繼續加工，其使得嵌入式程序有更強的可維護性、可移植性和代碼繼承性，也使得嵌入式軟件完成開發的周期逐年縮短。

一般情況下，嵌入式操作系統可以為用戶提供調度控制、消息隊列、時鐘管理、內存管理、I/O驅動等接口，實現這些接口功能可采取如下方式：先完成最小操作系統原語閉集的實現，接著通過實際應用再完成擴充。

2 國外中間件研究的現狀及中間件設計的相關理論

2.1 國外中間件研究的現狀

國外對編程接口統一問題的研究起步較早，80年代初期相關研究工作就已經開始逐漸展開。

80年代末期ISO組織與IEEE聯合制定了POSIX標準，此項標準依照UNIX系統的接口調用標準完成。其實現了操作系統接口調用的統一化，只有與PIOSIX標準相符的系統才可以實現UNIX程序的運行。

歐洲汽車電子相關行業提出了OSEK_VDX接口標準，此項標準專門為實時、分布式系統結構定制，其主要目標為在汽車工業中進行嵌入式應用。OSEK_VDX對網絡管理、通信及操作系統的問題較為關注，在其應用程序、操作系統、網絡管理及實例化語言等幾大模塊內用戶可以按照需要完成配置。

2.2 嵌入式中間件設計的相關理論

2.2.1 面向對象的設計模式研究

封裝接口有三種方法、抽象類中、函數回調、條件編譯。現階段很多操作系統采用前兩種方法，然而隨著開發規模的逐漸擴大，此類方法很多缺點也日益明顯：一致性差、容易出錯、有強制性等。將C++、OO的模板、重載及抽象等特性合理利用，能較好地完成接口的封裝與增強，為嵌入式平臺提供編程界面及比較靈活的定制能力。

縮減軟件開發周期、提高軟件質量、減小開發成本是開發軟件面臨的重要要求，而要想達到這樣的要求務必要確保軟件產品有較好的可復用性。而面向對象的設計思想與方法可以確保軟件可復用性的提升，其編程語言、構架與組件認可度高，其技術使軟件質量得到提升并減少軟件開發的成本。

運用面向對象的模式進行設計有著如下優點：

（1）有效減小通信類軟件開發的耗資；

（2）降低軟件開發時的錯誤率；

（3）改善軟件可擴展性與模塊性，提升軟件整體質量；

（4）增強軟件可復用性；

（5）提升嵌入式軟件研發平臺的性能。

2.2.2 開放實現的中間件設計初探

為滿足不同客戶的需求，筆者選取了開放實現的嵌入式中間件完成設計。開放實現旨在讓編程人員在缺省的實現與需要相滿足時，通過常規方式使得模塊基本功能得以使用，如果有需要能夠用相應的策略控制模塊的實現。除此之外，開放實現力求確定實現策略、獨立完成功能問題的處理。采用這樣的模塊，需要提供元界面、基界面兩類功能界面。

2.2.3 可移植的中間件設計研究

現階段在完成嵌入式中間件的設計時，往往針對某一操作系統進行，對系統進行更換時就要依照新系統完成中間件的重新設計。這會導致更換系統時付出大量工作。

通過分析虛擬文件系統，筆者認為設計中間件時可以依照虛擬文件系統的整體結構來進行。操作系統和應用軟件不進行直接的交互，而是運用中間件完成交互，擴展操作系統的功能，并對操作系統進行隔離。

3 嵌入式軟件系統的功能擴展庫

3.1 擴展庫結構體系概述

操作系統擴展簡稱OSE，其是運行在嵌入式OS與UNIX之上的擴展軟件包。此中間件擴展、增強了系統的調用。筆者對OSE的體系展開簡要概述，其總體結構分為嵌入式應用系統、OSE操作系統基本接口、OSE操作系統擴展接口及嵌入式操作系統幾部分。

此擴展庫提供十五個模塊，典型如文件存取模塊、信號量模塊、通信模塊、內存管理模塊、參數控制模塊、時間同步管理模塊、RDS管理模塊等，不同模塊作用不同。OSE本身的屏蔽功能確保了不同操作系統間能實現互操作及通信。

3.2 以系統關機模塊為例探討其設計和實現

系統關機即是OSE提供給用戶關閉系統的接口，因為網絡系統內有其他終端設備，功能的區別導致了關機過程的差異性。關機的結構描述如下：

系統關機模塊提供初始化關機、激活關機及登錄用戶關機三個接口。其中，激活關機有如圖1所示的流程圖。

4 結語

如今嵌入式系統的應用范圍越來越廣泛，嵌入式技術也呈現了迅猛的發展趨勢。發展嵌入式中間件技術，讓開發簡便易行、降低開發成本、減小開發周期，已經是軟件商業開發未來發展的趨勢。筆者對此項技術進行了簡要概述，希望為相關從業人員提供參考。

參考文獻

[1]揭育柱.面向移動計算的RFID中間件的設計與應用[D].華南理工大學，2010.

[2]王震.基于中間件的嵌入式GUI標準化研究與實現[D].華南理工大學，2013.

作者簡介

馬偉順（1970-），男，山東省萊蕪市人。碩士研究生學歷。現為萊蕪職業技術學院副教授。研究方向為智能控制技術，節水灌溉控制技術等。

作者單位

萊蕪職業技術學院 山東省萊蕪市 271100