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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(jì)算的服務(wù)器技術(shù)主要是VNC、Citrix Metaframe、Terminal Services、Rapid X 和Tarantella，服務(wù)器操作系統(tǒng)要解決多用戶、會(huì)話控制、狀態(tài)表示等一系列技術(shù)難點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要工作就是瘦客戶機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在此我們把瘦客戶端操作系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)計(jì)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(jì)算機(jī)的Linux 體系結(jié)構(gòu)，這樣更能方便表達(dá)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)嵌入式Linux 網(wǎng)絡(luò)計(jì)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(jì)算機(jī)的嵌入式 Linux 體系結(jié)構(gòu)，下面給出了要設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)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 SDRAM)、顯卡(sis300 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(dòng))、顯示器(CRT 彩顯)、PS/2 接口的鼠標(biāo)和鍵盤。硬件抽象層(HAL):顯卡驅(qū)動(dòng)、聲卡驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)設(shè)備驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)等。Linux 內(nèi)核  inux2.4.18。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(shí)現(xiàn)策略 3.1 硬件層的實(shí)現(xiàn) 該層主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化部分和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分。首先，在386 的實(shí)模式下對(duì)已經(jīng)調(diào)入內(nèi)存的操作系統(tǒng)代碼進(jìn)行檢查，通過(guò)BIOS 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(cè)是否有PS/2 鼠標(biāo)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(hào)，再次設(shè)置32位啟動(dòng)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(duì)8259 中斷控制器進(jìn)行編程，對(duì)防處理器進(jìn)行復(fù)位。Setup.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(dòng)階段，同時(shí)把控制權(quán)交給Head. S 這段純32 位匯編代碼。Head. S 先做一些屏蔽中斷的準(zhǔn)備工作，然后，用一個(gè)默認(rèn)的表項(xiàng)把所有的256 個(gè)中斷向量填滿。這個(gè)默認(rèn)表項(xiàng)指向一個(gè)特殊的Linux 中斷服務(wù)程。因?yàn)長(zhǎng)inux 系統(tǒng)初始化完成后，就不使用BIOS 的中斷服務(wù)程序。Linux 有很完善的設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shí)所需的參數(shù)通常都要比BIOS 調(diào)用來(lái)得簡(jiǎn)單且高效。所以，BIOS的中斷向量在這里就被覆蓋了。Head.S 此后會(huì)檢查CPU 的類型，對(duì)協(xié)處理器進(jìn)行檢查，然后調(diào)用了Setup_paging 這個(gè)子函數(shù)進(jìn)行頁(yè)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/init/main.c 中的start_kernel 函數(shù)，把控制權(quán)交內(nèi)核。 圖2 是NC(Network Computer)系統(tǒng)的整個(gè)引導(dǎo)過(guò)程。 Linux 核心和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間必須有一個(gè)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(dòng):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(shí)為核心提供服務(wù)。Linux動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)。每次Linux 核心啟動(dòng)時(shí)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(dòng)程序。Linux 允許通過(guò)配置腳本，在核心重建時(shí)將設(shè)備驅(qū)動(dòng)包含在內(nèi)。其他設(shè)備驅(qū)動(dòng)可在必要時(shí)作為核心模塊動(dòng)態(tài)加載。 3.2 內(nèi)核的實(shí)現(xiàn) 在系統(tǒng)需求確定的前提下，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)計(jì)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(jì)。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(shí)現(xiàn)。構(gòu)建Linux 內(nèi)核之前先要根據(jù)目標(biāo)硬件平臺(tái)的配置來(lái)修改內(nèi)核選項(xiàng)。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(xiàng)的選擇，去除不需要的功能模塊。內(nèi)核編譯過(guò)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(gè)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(chǔ)設(shè)備和內(nèi)存是非常緊缺的資源，保持一個(gè)小的內(nèi)核既可以增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的性能，又能夠節(jié)省寶貴的存儲(chǔ)空間。因此需要一個(gè)精簡(jiǎn)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(dòng)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(gè)大小對(duì)于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是可以接受的。 3.3 根文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)好 Linux 內(nèi)核后的工作是設(shè)計(jì)嵌入式Linux 的根文件系統(tǒng)，Linux 內(nèi)核引導(dǎo)過(guò)程的最后一步工作就是掛接這個(gè)根文件系統(tǒng)。Linux 根文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)沿襲Unix 系統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)嵌入式Linux 的根文件系統(tǒng)的時(shí)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(kù)、存儲(chǔ)內(nèi)核鏡像和模塊、選擇設(shè)備文件、配置系統(tǒng)初始化過(guò)程和安裝根文件系統(tǒng)。 瘦客戶機(jī)通常使用 Flash 作為存儲(chǔ)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Flash 中。因此需要文件系統(tǒng)和Flash 驅(qū)動(dòng)程序來(lái)統(tǒng)一完成對(duì)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(diǎn)。 3.4 應(yīng)用程序?qū)?API)層實(shí)現(xiàn) 應(yīng)用程序?qū)又饕性S多 c 函數(shù)庫(kù)構(gòu)成。在Linux 中有很多函數(shù)庫(kù)，滿足各種各樣的函數(shù)調(diào)用。我們用1dd 命令檢測(cè)出需要的函數(shù)庫(kù)，然后根據(jù)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間(因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)要求最后編譯出來(lái)的內(nèi)核大小不能太大)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)需要滿足的應(yīng)用需求，將用到的函數(shù)庫(kù)放到API 層，或用靜態(tài)編譯的方法將涉及該函數(shù)庫(kù)的代碼直接編譯到應(yīng)用中，從而使其不依賴該函數(shù)庫(kù)。圖3 給出了我們用到的部分函數(shù)庫(kù)。 4 基于Linux 的RDP 客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)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(guò)了多次升級(jí)，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(gè)真實(shí)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(jì)主要分為兩大模塊，分別是RDP 程序模塊，客戶端底層設(shè)計(jì)模塊。RDP 程序模塊主要實(shí)現(xiàn)RDP 協(xié)議;客戶端底層設(shè)計(jì)模塊通過(guò)定制和剪裁Linux 系統(tǒng)，讓RDP程序與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)整合到一起，使RDP 程序在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)設(shè)備上可以運(yùn)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(tái)無(wú)關(guān);GUI 模塊主要負(fù)責(zé)圖形顯示和鼠標(biāo)消息上傳，與所選平臺(tái)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(gè)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(lái)實(shí)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(jì)模塊 RDP 客戶端模塊由兩個(gè)獨(dú)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(gè)獨(dú)立程序，使用戶所見到的總是RDP 客戶端界面，可以從界面點(diǎn)擊圖標(biāo)啟動(dòng)客戶端程序。在啟動(dòng)腳本/etc/rc.d/rc.sysinit 中直接啟動(dòng)rdp腳本。啟動(dòng)流程如下圖5 所示。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn):本文從Linux 體系結(jié)構(gòu)的角度提出了網(wǎng)絡(luò)計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。 |
