基于嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)的操作系統(tǒng)的實現(xiàn)方法淺析

1 引言

操作系統(tǒng)技術(shù)包含服務(wù)器和客戶機(jī)操作系統(tǒng)兩套技術(shù)，目前支持瘦客戶機(jī)計算的服務(wù)器技術(shù)主要是VNC、Citrix Metaframe、 Services、 X 和Tarantella，服務(wù)器操作系統(tǒng)要解決多用戶、會話控制、狀態(tài)表示等一系列技術(shù)難點。網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)設(shè)計中的一個主要工作就是瘦客戶機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計，在此我們把瘦客戶端操作系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)操作系統(tǒng)。本文從Linux 體系結(jié)構(gòu)的角度給出網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)的Linux 體系結(jié)構(gòu)，這樣更能方便表達(dá)設(shè)計和實現(xiàn)嵌入式Linux 網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)操作系統(tǒng)的步驟。

2 操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖 1 所示：

根據(jù)上面網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)的嵌入式 Linux 體系結(jié)構(gòu)，下面給出了要設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)操作系統(tǒng)各部分的主要硬件和軟件的選擇。硬件系統(tǒng)：CPU（VTA C3 733MHzpro） 、內(nèi)存（64MB-512MB ）、顯卡（ 圖形內(nèi)核、32 兆DDR 幀緩存）、聲卡（2 聲道）、網(wǎng)卡（10/100 兆網(wǎng)卡、支持PXE 啟動）、顯示器（CRT 彩顯）、PS/2 接口的和鍵盤。硬件抽象層（HAL）：顯卡驅(qū)動、聲卡驅(qū)動、存儲設(shè)備驅(qū)動、網(wǎng)卡驅(qū)動等。Linux 內(nèi)核：.4.18。應(yīng)用程序接口（API）：Glibc2.4 等。圖形用戶界面層：Xwindows4.2 IceWM。應(yīng)用軟件：媒體播放器Mp1aper、瀏覽器mozila、終端RDP/ICA/PXE 等。

3 各部分具體實現(xiàn)策略

3.1 硬件層的實現(xiàn)

該層主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化部分和網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)硬件系統(tǒng)的驅(qū)動部分。首先，在386 的實模式下對已經(jīng)調(diào)入內(nèi)存的操作系統(tǒng)代碼進(jìn)行檢查，通過 中斷獲取內(nèi)存容量信息，設(shè)置鍵盤反應(yīng)速度，設(shè)置顯示器的基本模式，獲取硬撇信息，檢測是否有PS/2 等操作。然后，就準(zhǔn)備讓CPU 進(jìn)入保護(hù)模式了。要先屏蔽中斷信號，再次設(shè)置32位啟動代碼的位置，調(diào)用操作系統(tǒng)指令1idt 和1gdt 被調(diào)用了，設(shè)置中斷向量表（idt）和全局描述符表（gdt）。最后們對8259 中斷控制器進(jìn)行編程，對防處理器進(jìn)行復(fù)位。.S 設(shè)置保護(hù)模式的標(biāo)志位，重新取指令以后，再用一條跳轉(zhuǎn)指令，進(jìn)入保護(hù)模式下的啟動階段，同時把控制權(quán)交給。 S 這段純32 位匯編代碼。。 S 先做一些屏蔽中斷的準(zhǔn)備工作，然后，用一個默認(rèn)的表項把所有的256 個中斷向量填滿。這個默認(rèn)表項指向一個特殊的Linux 中斷服務(wù)程。因為Linux 系統(tǒng)初始化完成后，就不使用 的中斷服務(wù)程序。Linux 有很完善的設(shè)備驅(qū)動程序使用機(jī)制，該機(jī)制使特定硬件設(shè)備的中斷服務(wù)程序很容易被系統(tǒng)本身或用戶直接調(diào)用，而且，調(diào)用時所需的參數(shù)通常都要比 調(diào)用來得簡單且高效。所以，BIOS的中斷向量在這里就被覆蓋了。.S 此后會檢查CPU 的類型，對協(xié)處理器進(jìn)行檢查，然后調(diào)用了_paging 這個子函數(shù)進(jìn)行頁初始化。到此，保護(hù)機(jī)制下內(nèi)存管理，中斷管理的框架已經(jīng)建好了。最后，Head.S 調(diào)用//main.c 中的start_kernel 函數(shù)，把控制權(quán)交內(nèi)核。

Linux 核心和設(shè)備驅(qū)動程序之間必須有一個以標(biāo)準(zhǔn)方式進(jìn)行相互操作的接口。每一類設(shè)備驅(qū)動：字符設(shè)備、塊設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都提供通用接口，以便在需要時為核心提供服務(wù)。Linux動態(tài)性很強。每次Linux 核心啟動時如果遇到不同的物理設(shè)備，需要不同的物理設(shè)備驅(qū)動程序。Linux 允許通過配置腳本，在核心重建時將設(shè)備驅(qū)動包含在內(nèi)。設(shè)備驅(qū)動可在必要時作為核心模塊動態(tài)加載。

3.2 內(nèi)核的實現(xiàn)

在系統(tǒng)需求確定的前提下，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的首要步驟是嵌入式Linux 內(nèi)核的設(shè)計。內(nèi)核的選擇主要是根據(jù)硬件系統(tǒng)處理器體系結(jié)構(gòu)的不同，選擇適當(dāng)?shù)腖inux 內(nèi)核實現(xiàn)。構(gòu)建Linux 內(nèi)核之前先要根據(jù)目標(biāo)硬件平臺的配置來修改內(nèi)核選項。通常要進(jìn)行的修改是選擇合適的硬件支持，這些硬件主要是處理器、芯片組、網(wǎng)卡、聲卡、顯卡等設(shè)備;另外還需要設(shè)置的是文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口等系統(tǒng)軟件選項的選擇，去除不需要的功能模塊。內(nèi)核編譯過程包括確定內(nèi)核依賴關(guān)系、生成內(nèi)核鏡像、生成內(nèi)核模塊幾個步驟。

內(nèi)核是應(yīng)用程序和硬件之間橋梁，在瘦客戶機(jī)中，存儲設(shè)備和內(nèi)存是非常緊缺的資源，保持一個小的內(nèi)核既可以增強整個系統(tǒng)的性能，又能夠節(jié)省寶貴的存儲空間。因此需要一個精簡的內(nèi)核支持瘦客戶機(jī)，使得內(nèi)核能夠完備的支持瘦客戶機(jī)的硬件設(shè)備，又沒有冗余。在完成了硬件 HAL 層的工作，將各種驅(qū)動源代碼都獲得并放到內(nèi)核的指定位置后，就可以開始編譯出自己想要的嵌入式Linux 內(nèi)核了。編譯結(jié)束后得到內(nèi)核文件大小為1M 字節(jié)左右，這個大小對于網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)來說是可以接受的。

3.3 根文件系統(tǒng)的實現(xiàn)

設(shè)計好 Linux 內(nèi)核后的工作是設(shè)計嵌入式Linux 的根文件系統(tǒng)，Linux 內(nèi)核引導(dǎo)過程的最后一步工作就是掛接這個根文件系統(tǒng)。Linux 根文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)沿襲 系統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在設(shè)計嵌入式Linux 的根文件系統(tǒng)的時候，我們要做的工作依次是組織目錄結(jié)構(gòu)、開發(fā)應(yīng)用程序、選擇共享函數(shù)庫、存儲內(nèi)核鏡像和模塊、選擇設(shè)備文件、配置系統(tǒng)初始化過程和安裝根文件系統(tǒng)。

瘦客戶機(jī)通常使用 作為存儲設(shè)備。引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)都保存在 中。因此需要文件系統(tǒng)和 驅(qū)動程序來統(tǒng)一完成對Flash 設(shè)備的讀寫。由于Flash的容量小、成本高、以及使用壽命短的特點。

3.4 應(yīng)用程序?qū)樱ˋPI）層實現(xiàn)

應(yīng)用程序?qū)又饕性S多 c 函數(shù)庫構(gòu)成。在Linux 中有很多函數(shù)庫，滿足各種各樣的函數(shù)調(diào)用。我們用1dd 命令檢測出需要的函數(shù)庫，然后根據(jù)系統(tǒng)存儲空間（因為網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)要求最后編譯出來的內(nèi)核大小不能太大）和網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)需要滿足的應(yīng)用需求，將用到的函數(shù)庫放到API 層，或用靜態(tài)編譯的方法將涉及該函數(shù)庫的代碼直接編譯到應(yīng)用中，從而使其不依賴該函數(shù)庫。圖3 給出了我們用到的部分函數(shù)庫。

4 基于Linux 的RDP 客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)

NC 系統(tǒng)的一大應(yīng)用是連接Windows2000 或Windows2003 終端系統(tǒng)，使用Windows 的資源，讓用戶感覺就像直接在使用windows2003 一樣。由于Windows 終端協(xié)議經(jīng)過了多次升級，到目前為止最新的是Rpd5.1 協(xié)議，該協(xié)議提供了很多RDP5.1 之前不具備的特性，如真彩色、本地打印、本地視頻等。為了給用戶提供一個真實的Windows 環(huán)境，使之具有多媒體等功能，需要研究RDP5.1，開發(fā)RDP5.1 的客戶端。

4.1 RDP 程序模塊

RDP 客戶端的設(shè)計主要分為兩大模塊，分別是RDP 程序模塊，客戶端底層設(shè)計模塊。RDP 程序模塊主要實現(xiàn)RDP 協(xié)議;客戶端底層設(shè)計模塊通過定制和剪裁Linux 系統(tǒng)，讓RDP程序與網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)硬件平臺整合到一起，使RDP 程序在網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)設(shè)備上可以運行。RDP 程序主要有RDP 協(xié)議模塊與GUI 模塊組成，它們之間保留了接口。RDP 協(xié)議模塊主要解析RDP 防議，與平臺無關(guān);GUI 模塊主要負(fù)責(zé)圖形顯示和消息上傳，與所選平臺也沒有關(guān)系。圖4 是RDP 程序結(jié)構(gòu)圖。

RDP 程序執(zhí)行后，首先從配置文件中讀取服務(wù)器IP 地址，本機(jī)IP 地址等參數(shù)，然后連接服務(wù)器，服務(wù)器連接成功后，建立窗口，下載登陸界面，隨后進(jìn)入窗口消息循環(huán)，程序只處理鼠標(biāo)、鍵盤消息，出理上傳的RDP 數(shù)據(jù)。根據(jù)RDP 協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)將整個模塊分為TCP 層、ISO 層、MCS 層、SEC 層、RDP 層。分別有文件tcp.c、iso.c、mcs.c、sec.c、rdp.c來實現(xiàn)。按功能劃分，可以劃分為RDP 回話連接、數(shù)據(jù)傳輸與解析、RDP 數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)的上傳和本地打印。

4.2 客戶端底層設(shè)計模塊

RDP 客戶端模塊由兩個獨立程序組成，Rdp1og 負(fù)責(zé)用戶界面和處理用戶配置，mw 為RdP 客戶端程序。在腳本rdp 中循環(huán)調(diào)用這兩個獨立程序，使用戶所見到的總是RDP 客戶端界面，可以從界面點擊圖標(biāo)啟動客戶端程序。在啟動腳本/etc/rc.d/rc.sys 中直接啟動rdp腳本。啟動流程如下圖5 所示。

本文作者創(chuàng)新點：本文從Linux 體系結(jié)構(gòu)的角度提出了網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)操作系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。根據(jù)提出的嵌入式Linux 網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)操作系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，研究了基于嵌入式Linux 網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)的操作系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。