自主可控環(huán)境下的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

陳瑋彤，黃天一，丁呂繁，楊 曦

（1.四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610041；2.成都創(chuàng)騰軟件有限公司，成都 610095）

0 引言

自主可控是保障網(wǎng)絡(luò)安全、信息安全的前提，只有提高關(guān)鍵核心技術(shù)的創(chuàng)新能力，關(guān)鍵零部件、各類核心軟件實(shí)現(xiàn)安全可控，我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展才能不受制于人。中興、華為斷供事件作為敲響中國(guó)軟硬件發(fā)展的“警鐘”，使得國(guó)家充分認(rèn)識(shí)到了自主可控的重要性。在各行業(yè)自主研發(fā)的大趨勢(shì)下，國(guó)產(chǎn)CPU、操作系統(tǒng)等技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，國(guó)產(chǎn)CPU 公司包括龍芯、飛騰等，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)如銀河麒麟等，都在不斷發(fā)展以提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，增強(qiáng)自主可控能力。

本論文研究的課題旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)支持國(guó)產(chǎn)嵌入式、桌面、服務(wù)器操作系統(tǒng)的自主可控的軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境平臺(tái)。課題的需求包括滿足在飛騰計(jì)算機(jī)平臺(tái)、銀河麒麟操作系統(tǒng)上的運(yùn)行要求，從而解決國(guó)產(chǎn)處理器生態(tài)不成熟、操作系統(tǒng)對(duì)國(guó)產(chǎn)處理器支持薄弱等問(wèn)題，打破國(guó)外組織、機(jī)構(gòu)對(duì)操作系統(tǒng)配套軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的壟斷。

1 自主可控計(jì)算環(huán)境下的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境統(tǒng)一架構(gòu)技術(shù)

本課題的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境由滿足工業(yè)嵌入式應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)、滿足工業(yè)桌面操作系統(tǒng)應(yīng)用和滿足工業(yè)服務(wù)器操作系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一組功能模塊和第三方軟件組成：

針對(duì)工業(yè)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境集成了多種交叉工具鏈運(yùn)行環(huán)境、多種交叉工具鏈，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的通信代理，向開(kāi)發(fā)人員提供了項(xiàng)目管理、代碼管理、代碼編輯、交叉編譯器參數(shù)設(shè)置、編譯器調(diào)用、交叉調(diào)試參數(shù)設(shè)置、目標(biāo)機(jī)端程序調(diào)試、文件下載、二進(jìn)制固化等圖形化操作界面，以開(kāi)發(fā)面向多硬件平臺(tái)、工業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)的靜態(tài)庫(kù)、動(dòng)態(tài)庫(kù)以及應(yīng)用程序。

針對(duì)工業(yè)桌面操作系統(tǒng)、工業(yè)服務(wù)器操作系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持了多種編程語(yǔ)言，集成了多種第三方軟件開(kāi)發(fā)SDK、多種單元測(cè)試框架、性能分析工具、調(diào)試環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境、部署環(huán)境以及過(guò)程控制平臺(tái)等，以便支持開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行窗體應(yīng)用開(kāi)發(fā)、后臺(tái)應(yīng)用開(kāi)發(fā)、Web 應(yīng)用開(kāi)發(fā)，開(kāi)展項(xiàng)目管理、需求分配、任務(wù)管理等活動(dòng)。

1.1 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境組成

依據(jù)統(tǒng)一、開(kāi)放、靈活的架構(gòu)思路，課題設(shè)計(jì)了集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。如圖1所示，組成集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的軟件模塊和應(yīng)用遵循OSGi 模塊化規(guī)范、以Equinox平臺(tái)為運(yùn)行時(shí)環(huán)境、以Eclipse開(kāi)發(fā)工具為插件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

圖1 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境組成

1.2 Eclipse平臺(tái)簡(jiǎn)介

Eclipse 作為一種通用的工具平臺(tái)，它將各個(gè)功能模塊連接起來(lái)，提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，接收各個(gè)模塊的請(qǐng)求并且控制程序的運(yùn)行。整個(gè)Eclipse 平臺(tái)建立在插件機(jī)制之上，除了一些平臺(tái)運(yùn)行時(shí)的內(nèi)核，Eclipse 平臺(tái)所有的功能都由插件實(shí)現(xiàn)。由于課題實(shí)現(xiàn)的工業(yè)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和工業(yè)服務(wù)器操作系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境都是基于Eclipse 實(shí)現(xiàn)的，因此本小節(jié)主要介紹Eclipse的運(yùn)行機(jī)制和體系結(jié)構(gòu)。

1.2.1 工作機(jī)制

Eclipse 平臺(tái)的主要任務(wù)是為開(kāi)發(fā)者提供各種編程工具集成的機(jī)制和規(guī)則，這些機(jī)制通過(guò)應(yīng)用程序接口（API）、類和方法表現(xiàn)出來(lái)。本質(zhì)上，Eclipse 是一組松散綁定、但互相連接的代碼塊。搞清楚這些代碼塊之間的相互調(diào)用和連接方法，也就理解了Eclipse結(jié)構(gòu)的基本原理。Eclipse 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它的組件包括平臺(tái)運(yùn)行庫(kù)（platform runtime）、工作臺(tái)（workbench）、工作區(qū)（workspace）、團(tuán)隊(duì)組件（team）、調(diào)試（debug）和幫助（help）。

圖2 Eclispe體系結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 Eclipse插件機(jī)制

模塊化的設(shè)計(jì)讓Eclipse 自身被分解為不同的功能塊，這些功能塊能更容易地被重用于創(chuàng)建超出原始開(kāi)發(fā)人員設(shè)想的應(yīng)用程序，就像不同版本的Eclipse 分別為特定的功能而設(shè)計(jì)。Eclipse 附帶了標(biāo)準(zhǔn)的插件集，包括Java 開(kāi)發(fā)工具JDK，還包括插件開(kāi)發(fā)環(huán)境PDE。

希望被其他插件擴(kuò)展的插件都會(huì)聲明一個(gè)擴(kuò)展點(diǎn)，擴(kuò)展點(diǎn)機(jī)制使得Eclipse平臺(tái)架構(gòu)具有更好的靈活性，擴(kuò)展是Eclipse平臺(tái)上提供各種功能的來(lái)源，插件利用擴(kuò)展點(diǎn)向Eclipse新添功能?？捎玫牟寮谑孪却_定后，進(jìn)行插件間信息交換，無(wú)需激活它們，平臺(tái)就可以為每個(gè)插件提供豐富的關(guān)于它運(yùn)行的上下文的相關(guān)信息。

1.3 SWT/JFace與圖形化操作環(huán)境

SWT具有本地JNI調(diào)用機(jī)制，使得程序具有很快的響應(yīng)速度；輕量級(jí)的API 使得開(kāi)發(fā)人員調(diào)用簡(jiǎn)單、易于上手，因此課題選用SWT/JFace圖形化界面開(kāi)發(fā)框架作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的統(tǒng)一界面開(kāi)發(fā)框架。

JFace 用來(lái)在SWT庫(kù)頂部提供常見(jiàn)的應(yīng)用程序用戶界面功能。JFACE 采用MVC 的模式對(duì)SWT 進(jìn)行了封裝，增加了對(duì)復(fù)雜界面組件的支持，并且極大地豐富了SWT 的組件功能。它提供一些類和接口，以處理與使用SWT 來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)用戶界面編程相關(guān)聯(lián)的許多常見(jiàn)任務(wù)。

2 自主可控環(huán)境下的軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境總體架構(gòu)

2.1 嵌入式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

本論文實(shí)現(xiàn)的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境由兩大部分構(gòu)成，分別為主機(jī)端支撐環(huán)境和圖形化操作系統(tǒng)，主要結(jié)構(gòu)如圖3。其中主機(jī)端支撐環(huán)境為交叉工具鏈提供了運(yùn)行環(huán)境、為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了與目標(biāo)機(jī)端的通信代理、為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了交叉調(diào)試工具。圖形化操作環(huán)境則由一組與嵌入式軟件開(kāi)發(fā)密切相關(guān)的軟件模塊組成。

圖3 嵌入式軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

2.1.1 嵌入式應(yīng)用軟件調(diào)試模塊

提供基于匯編的調(diào)試和基于源代碼的調(diào)試；提供任務(wù)棧顯示功能；提供匯編斷點(diǎn)、源代碼斷點(diǎn)管理功能；提供調(diào)試會(huì)話管理功能；提供被調(diào)試的應(yīng)用軟件的內(nèi)存查看、修改功能；提供變量值查看、修改功能；提供表達(dá)式添加、運(yùn)算功能；提供單步、運(yùn)行、掛起功能。

2.1.2 二進(jìn)制文件下載&運(yùn)行模塊

提供將主機(jī)端的二進(jìn)制文件下載到目標(biāo)機(jī)端的內(nèi)存或文件系統(tǒng)中的功能；提供從主機(jī)端執(zhí)行目標(biāo)機(jī)端指定文件的功能；提供運(yùn)行參數(shù)設(shè)置功能。

2.1.3 源代碼編譯模塊

源代碼編譯模塊根據(jù)開(kāi)發(fā)人員在創(chuàng)建項(xiàng)目時(shí)所指定的編譯信息，調(diào)用主機(jī)端中相關(guān)的工具鏈對(duì)項(xiàng)目中的源代碼進(jìn)行預(yù)處理、編譯、匯編、鏈接生成可執(zhí)行文件或庫(kù)文件。在編譯過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)將工具鏈的輸出信息輸出到界面中進(jìn)行顯示，根據(jù)編譯錯(cuò)誤將錯(cuò)誤信息與源代碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)并顯示錯(cuò)誤信息。

2.1.4 目標(biāo)機(jī)通信管理模塊

基于主機(jī)端與目標(biāo)機(jī)端的通信協(xié)議，建立主機(jī)端與目標(biāo)機(jī)端的通信通道，向上提供通信接口。

2.2 桌面和服務(wù)器系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境

銀河麒麟操作系統(tǒng)下桌面應(yīng)用和服務(wù)器應(yīng)用的開(kāi)發(fā)環(huán)境如圖4所示，其中部分軟件模塊的功能描述如下。

圖4 銀河麒麟應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境

2.2.1 項(xiàng)目創(chuàng)建向?qū)?/p>

為開(kāi)發(fā)人員創(chuàng)建窗體應(yīng)用項(xiàng)目、Web 應(yīng)用項(xiàng)目、控制臺(tái)應(yīng)用項(xiàng)目等類型的項(xiàng)目提供引導(dǎo)， 提供項(xiàng)目名稱輸入、項(xiàng)目類型選擇、項(xiàng)目模板選擇等操作界面。

2.2.2 項(xiàng)目管理

提供當(dāng)前工作空間中所有項(xiàng)目信息的展示功能；提供項(xiàng)目導(dǎo)入/導(dǎo)出功能；提供項(xiàng)目重命名功能；提供項(xiàng)目刪除功能；提供項(xiàng)目關(guān)閉/打開(kāi)功能等。

2.2.3 源代碼編譯

根據(jù)項(xiàng)目類型以及開(kāi)發(fā)人員在創(chuàng)建項(xiàng)目時(shí)所設(shè)置的信息，調(diào)用相應(yīng)的編譯器（如：Python編譯器、Java 編譯器、Qt編譯器）對(duì)源代碼進(jìn)行編譯。

2.2.4 目標(biāo)機(jī)管理

管理用于運(yùn)行、調(diào)試、安裝應(yīng)用的目標(biāo)機(jī)，并向外提供通信接口供其它模塊調(diào)用。

3 實(shí)現(xiàn)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 crosstool-NG制作交叉編譯工具鏈

在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一個(gè)十分重要的部分是交叉編譯工具的構(gòu)建，課題基于銀河麒麟操作系統(tǒng)，使用crosstool-NG 工具實(shí)現(xiàn)了針對(duì)mips架構(gòu)嵌入式開(kāi)發(fā)板的交叉編譯工具鏈。

使用crosstool-NG 得到需要的交叉編譯工具鏈有以下幾個(gè)步驟：下載crosstool-NG 源碼、編譯crosstool-NG 源碼并安裝、配置需要的交叉工具鏈參數(shù)、編譯生成需要的交叉工具鏈。

其中，crosstool-NG 工具的源碼下載和安裝過(guò)程，與普通的Linux 環(huán)境下軟件的安裝過(guò)程類似，都需要下載源碼之后在本機(jī)進(jìn)行編譯安裝。

在使用安裝好的crosstool-NG 生成需要的交叉工具鏈之前，需要進(jìn)行的配置包括宿主機(jī)使用的CPU 架構(gòu)類型、目標(biāo)平臺(tái)的操作系統(tǒng)、使用的C 庫(kù)等。使用ct-ng list-samples 命令查看當(dāng)前已經(jīng)包含了哪些默認(rèn)的示例配置，部分結(jié)果如圖5所示。

圖5 使用ct-ng list-samples命令的部分結(jié)果

在所有的配置工作都完成之后，使用ct-ng build命令生成交叉工具鏈。

3.2 Qt桌面軟件開(kāi)發(fā)框架

我們使用流行的Qt 框架實(shí)現(xiàn)桌面軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以較為方便地進(jìn)行銀河麒麟操作系統(tǒng)下桌面軟件的開(kāi)發(fā)，開(kāi)始界面如圖6所示。

圖6 使用Qt框架實(shí)現(xiàn)桌面軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的開(kāi)始界面

Qt 是一個(gè)跨平臺(tái)的C++開(kāi)發(fā)庫(kù)，支持市面上大多數(shù)操作系統(tǒng)，主要用于開(kāi)發(fā)有圖形化界面的程序，同時(shí)也可以用于命令行程序和服務(wù)器端程序的開(kāi)發(fā)。

Qt 開(kāi)發(fā)庫(kù)基于現(xiàn)有的一些工具鏈制作，其使用的編譯器、鏈接器、調(diào)試器都是現(xiàn)成的，使用的工具包括GNU 工具集、MinGW、CMake等，Qt 官方的開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝包里也內(nèi)置了專門(mén)的開(kāi)發(fā)工具。

Qt的類庫(kù)目錄如圖7所示。

圖7 Qt的類庫(kù)目錄

4 結(jié)語(yǔ)

本課題開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于OSGi 規(guī)范開(kāi)發(fā)，運(yùn)行于Equinox 環(huán)境，包括工業(yè)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)、工業(yè)桌面軟件開(kāi)發(fā)、工業(yè)服務(wù)器應(yīng)用開(kāi)發(fā)三個(gè)部分，集軟件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試與集成部署為一體，將開(kāi)發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)有機(jī)地結(jié)合在一起。其中嵌入式軟件開(kāi)發(fā)部分基于插件機(jī)制開(kāi)發(fā)，支持在銀河麒麟操作系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)龍芯、飛騰處理器的應(yīng)用；桌面軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境基于Qt 開(kāi)發(fā)，支持基于C/C++、Python、Java 的控制臺(tái)應(yīng)用開(kāi)發(fā)；服務(wù)器應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境基于插件機(jī)制開(kāi)發(fā)，支持Java、HTML、CSS、JavaScript 等語(yǔ)言的程序開(kāi)發(fā)。通過(guò)使用開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，用戶可以高效地在銀河麒麟操作系統(tǒng)中進(jìn)行嵌入式軟件、桌面軟件、服務(wù)器軟件的開(kāi)發(fā)，課題豐富了銀河麒麟操作系統(tǒng)的軟件生態(tài)。