ip网络终端系统策划方案设计

1、39/39IP2000是我们公司依照市场需求将开发的第二代网络终端，要求具有友好的类WINDOWS风格的人机交互界面，在满足传统终端全部功能基础上，实现以太网联机功能（实现TELNET远程登录协议）和支持多任务的一种更新换代产品。功能需求简述如下：提供类WINDOWS风格的用户界面，采纳桌面图标的方式启动任务实现TELNET远程登录协议支持最多达8个任务同时运行支持PS/2鼠标支持网络版本更新支持网关功能支持本地和网络打印机在此需求前提下，我们决定采纳多任务嵌入式操作系统（EOS）+嵌入式GUI+终端仿确实结构来实现需求，系统结构框图描述如下： 一、结构设计在此系统框图的基础上，我们分不对各层

2、次进行结构设计分析：1、EOS设计目前存在的嵌入式系统多不胜数，流行的有WinCE、PalmOS、Vxwork、pSOS、Neculeus等多种系统。从目前嵌入式系统使用最广泛的信息家电行业和通讯行业分析，PalmOS和WinCE、Vxwork是当前应用最广泛的三种：Windows CE：Microsoft Windows CE是一个简洁的，高效率的多平台操作系统。它不是削减的Windows95版本，而是从整体上为有限资源的平台设计的多线程，完整优先权，多任务的操作系统。它的模块化设计同意它关于从掌上电脑到专用的工业操纵器的用户电子设备进行定制，但WinCE是非开放性操作系统，使第三方专门难实

3、现产品的定制，嵌入式操作系统追求高效、节能，而WinCE在这方面是笨拙的，它占用过多的内存，应用程序庞大，而且入门费和许可费较高，使得整个产品的成本急剧上升。因此WinCE多用于从高档的产品。VxWorks：VxWorks所在的公司WindRiver兼并了pSOS的ISI公司，使得该公司现在有两大RTOS系统。VxWorks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛，市场占有率最高的系统。它支持多种处理器，如x86，i960，Sun Sparc，Motorola MC68xxx，MIPS RX000，POWER PC等等。使用的是和UNIX不兼容的环境，大多数的VxWorks API是专有的。采纳GNU

4、的编译和调试器。pSOS：ISI公司差不多被WinRiver公司兼并，现在是属于WindRiver公司的产品。那个系统是一个模块化，高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和搞可靠性。能够让开发者将操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。开发者能够利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。QNX：QNX是一个实时的，可扩充的操作系统，它遵循POSIX.1 (程序接口)和POSIX.2 (Shell和工具)、部分遵循POSIX.1b(实时扩展)。它提供了一个专门小的微内核以及一些可选的配合进程。其

5、内核仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务，都实现为协作的用户进程，因此QNX内核特不小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快。那个灵活的结构能够使用户依照实际的需求将系统配置成微小的嵌入式操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。Palm OS：3Com公司的Palm OS在PDA市场上占有专门大的市场份额，它有开放的操作系统应用程序接口（API），开发商能够依照需要自行开发所需要的应用程序。目前差不多有总共3500多个应用程序能够运行在Palm Pilot上，其中大部分应用程序均为其他厂商和个人所开发，使

6、得Palm Pilot的功能得以不断增多。这些软件包括计算器、各种游戏、电子宠物、地理信息等等。在开发环境方面，能够在Windows 95/98，Windows NT以及Macintosh下安装Palm Pilot Desktop；PlamPilot能够与流行的PC平台上的应用程序如Word，Excel等进行数据交换。OS-9：Microwave的OS-9是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子产品，工业自动化，无线通讯产品，医疗仪器，数字电视/多媒体设备中。它提供了专门好的安全性和容错性。与其他的嵌入式系统相比，它的灵活性和可升级性特不突出。LynxO

7、S：Lynx Real-time Systems的LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c标准。LynxOS支持线程概念，提供256个全局用户线程优先级；提供一些传统的，非实时系统的服务特征；包括基于调用需求的虚拟内存，一个基于Motif的用户图形界面，与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。Linux：Linux在嵌入式领域获得了飞速进展，目前正在开发的嵌入式系统中，49%的项目选择Linux作为嵌入式操作系统。Linux之因此能在嵌入式系统市场上取得如此迅速的进展，与它自身的优良特性有着不可分割的关系：免费、开

8、放源码，丰富的软件资源；功能强大的内核，性能高效、稳定，多任务；支持多种体系结构，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等；完善的网络通信、图形、文件治理机制；支持大量的周边硬件设备，驱动丰富；大小、功能都可定制；良好的开发环境，不断进展的开发工具集；广泛的软件开发者的支持；价格低廉。从我们IP2000网络终端的需求和目前网络终端的市场来分析，目前我们公司已有的产品IP1000采纳Linux+Microwin这种方式已差不多实现网络终端的需求，只是在界面的美观程度和系统速度上比同类型的较为突出的实达netterm 860终端有所不足，但从系统的角度和开发进度以及成本的角度考虑，重新

9、引进一种新的嵌入式操作系统，以上介绍的几种EOS引进的门槛成本太高，且需要较长时刻消化和熟悉，移植到我们的硬件平台也需要长时刻的过程，综合考虑，我们依旧决定在博利思提供的Linux内核的基础上构筑我们的IP2000的OS，并预备对内核作如下改进：优化framebuffer代码，并在原有256色的基础上增加16色支持修改ttyS0/1的设备驱动，解决目前IP1000存在的所有由于串口造成的问题2、GUI设计 通过对目前几种基于Linux的嵌入式GUI的详细分析，较好的嵌入式GUI通常结合面向对象方法采纳多层独立设计，具有以下结构：设备相关层(driver) 在这一层的功能应该是将系统中与设备和操

10、作系统平台的具体细节屏蔽起来。它利用实际的设备驱动程序接口或者OS系统调用来与硬件设备交互，这些硬件设备要紧包括screen、mouse和keyboard等。我们使用设备对象（device object）的概念来描述一类设备，每一个对象描述了一类实际设备的属性和方法。比如，screen设备对象就描述了screen设备的各种属性（屏幕尺寸、分辨率、像素深度、像素格式、逻辑显存首地址等等）和差不多方法（打开和关闭显示器、设置调色板、返回屏幕属性、读写像素点等等）。关于同一类设备在不同驱动或者平台上的具体情况则以设备对象实例来描述，比如screen类型的设备，我们可能让它工作在Linux上，通过fr

11、amebuffer 或者SVGALib驱动来操作它。他们的对象类相同，然而类的属性和方法的实现不一样。中间层看到的只是该类设备的可选的对象实例，不用关怀底层是如何操作的（也确实是对象的方法是如何样实现的）。最底层实际上是以设备对象的方式为中间层提供了一个抽象的设备驱动界面。为了移植更容易，最底层应尽量简洁，只实现最差不多的设备功能函数。能够看到，当系统要移植到另外的平台上时，我们只要按照各类设备对象的定义实现相对较少的函数就能建立新的设备对象实例并让中间层选择他们就能够了。设备无关层(engine)这一层的功能是提供一个能够为各种应用层共享的与设备无关的核心图形引擎，其中的要紧工作确实是实现各

12、种图形函数和输入设备的功能函数。关于中间层，它向下看到的是各类设备对象，向上则是要提供一个抽象的核心图形界面，使得上面的应用层对它所使用的到底是什么设备对象不用去理会。专门显然，这一层依照不同的设备和平台选择相应的设备对象实例来实现核心图形引擎。 由于每类设备的各个实例拥有同样的对象类型定义，因此中间层基于设备对象所实现的功能是可不能因为设备和平台的更改而受阻碍的。同时，中间层把消息驱动机制、窗口治理机制交给应用层去完成，因此，关于各类型的应用层（Win32或者是X-Windows），中间层完成的功能差不多上通用的。应用层(API)这一层的功能是按照顾用的具体要求为应用程序提供适当的应用层用户

13、界面。当应用程序不需要窗口系统的时候，用户自定义图形界面将十分简单，甚至能够什么都不做而直接使用中间层提供的抽象核心界面。假如用户需要完善的多任务窗口系统，比如是类Win32的，能够使用抽象核心界面来实现其应用程序编程接口(API)以及窗口和消息机制等。嵌入式GUI的体系结构的抽象参考模型如下:目前采纳此套结构的比较成熟的嵌入式GUI有Microwindow和MiniGUI两种GUI平台， Microwindow平台提出较早，同时通过多年的实践，差不多比较成熟，目前国内的众多嵌入式系统厂商包括联想、中软、红旗、桑夏科技、华恒等都采纳Micorwindow作为基础开发自己嵌入式GUI，但因为该项

14、目缺少强有力的核心代码维护，代码质量参差不齐，因此在另外一种GUI Qt/Embedded公布以来，它就长时刻停留在了0.89Pre7版本,近几年来进展缓慢； MiniGUI项目起源于清华大学一个采纳嵌入式Linux系统的工业操纵系统项目，开发之初借鉴了Microwindow的一些经验，但后来在进展速度上超过了Microwindow（MiniGUI已是1.2.0版本,但Microwindow至今依旧0.89pre版本），由于两者差不多上自由软件项目，开放源代码和所有文档，可作为我们IP2000网络终端的GUI设计的参考选择，我们能够在其中一种的基础上构筑我们自己的GUI平台。由于IP2000网

15、络终端有多任务功能需求，因此我们的GUI设计必须能够满足适应多任务的需求，通过对已有的两种GUI进行预研，我们发觉，GUI的多任务设计通常有两种方法：采纳C/S结构 C/S结构是天然的多任务，在Sever端专门负责监控外部事件和随之的消息传递和分发，Client完成消息的处理，各个Client之间互不干扰和阻碍。采纳这种方法实现多任务支持的有Microwindows的Nano-x方案和MiniGUI，但两种GUI实现的机制有专门大差不，MicroWindows为了追求和X Window的兼容，采纳了传统的基于Unix套接字通讯方式的C/S系统结构，如此大量的数据在客户/内核/服务器之间传递，增

16、加了系统负荷，占用了更多系统资源，降低了系统的图形效率，并不适应于CPU速度较慢和系统资源有限的一般嵌入式场合。而MiniGUi吸取了Microwindows的经验，采纳了独特的体系结构，它的最初版本采纳线程机制来实现C/S结构，如此所有的应用程序都运行在同一个地址空间，大大提高了程序之间的通信效率，但这种结构也导致了系统整体的脆弱，假如某个线程因为非法的数据访问而终止运行，整个进程都将受到阻碍，只是，这种体系结构对关键的实时操纵系统来讲，依旧特不适合的，后期进展的MiniGUI-Lite版本则作了一些改进，在独立多进程和系统效率之间作了一些综合，采纳套接字和共享内存结合的方式支持多进程，同时

17、提供前后台进程的切换，通过共享内存机制提供全局资源的共享，以便减少实际内存的消耗，但看起来MiniGUI的图形引擎不是直接建立在内核framebuffer驱动上，而要由如Libggi或Svgalib等更高一级的图形库支持，同时由于MiniGUI采纳了独特的接口设计，其应用程序的可移植性专门差，而 MicroWindows的Nano-x方案则采纳 X Window的兼容接口设计，大大方便了许多基于X Window的应用程序的移植和代码复用。采纳GUI上下文共享的方法 通常在单任务GUI基础上开发图形界面应用有如下图左边的系统流程， 应用程序通过调用GUI的API实现相应功能，而这些函数有自己的上

18、下文，同时这些上下文要紧是通过数据空间的形式（data & BSS）来保持的。由于消息系统的同步功能，假如在同一进程中创建并使用多个窗口，也可不能造成GUI的冲突。例如，能够在一个进程中构造记事本和计算器，两个窗口都能够正常地运行，因为任一时刻只有一个窗口同意消息队列的消息分发并处理（使用或改变GUI上下文）这种同步是由消息系统来保证的。假如把GUI使用的上下文和应用其它部分的上下文分开，一个应用完全是能够正常运行的。假如把这种方法应用到多任务的系统，假如各个任务独有自己的GUI上下文，则不能解决一些系统公共的设备例如鼠标、键盘、输入法等事件的检测、转换、分派以及系统庞大等许多问题（在C/S结

19、构中是由Sever来完成那个工作的）。由此只能在各个任务之间共享GUI上下文，同步访问的方法来实现多任务，但在这种方法下，可能出现上图右部的状况，两个应用的GUI API接口函数会不可预知地改写GUI的上下文，会造成严峻冲突，为了幸免这种情况，通过OS的锁机制来实现在不同进程间实现同步地访问GUI上下文，则可实现不同进程有秩序地协同作，达到多任务的目的，通常通过采纳了嵌入式Linux中常用的一些工具，包括ld脚本、ld、nm、objcopy、awk、objdump等把ELF文件各部分抽取出来、并重新定位，用共享内存函数把指定的内存映射到固定的地址的方法，把抽取的GUI上下文装载到固定位置的方法

20、来实现共享。共享GUI上下文的各进程运行时结构如下图所示：其中share data & BSS确实是GUI的上下文。采纳这种方法来设计GUI多任务支持的有博利思公司为我们公司IP1000多任务版网络终端设计GUI，该GUI是在Microwindows的基础上改进后的设计，事实上，这种设计方法也是借鉴了MiniGUI-Lite版本的一些技术，用一个主进程作为虚拟Sever处理所有的外部事件，完成消息转换后完成消息的分发并完成窗口维护和治理，同时负责用户进程的启动（用fork的方式复制子进程，因而主进程和所有用户进程之间皆为父子关系，各用户进程之间则互为兄弟进程），各用户进程则同意并完成消息处理。

21、主进程和用户进程通过共享内存的方式来实现GUI上下文共享和通讯，同时采纳主进程附加调度的方式：在LINUX内核进程调度的基础上再建立应用调度，任意时刻只让其中一个用户进程运行（Running状态），其他用户进程则让其进入Sleep-on状态，主进程并用消息分发的主动权采纳消息驱动的机制完成各用户进程间的调度，并实现前后台时刻片的主动分配，这种方法不仅可实现共享GUI的访问冲突，同时也提高系统的效率决不使空闲的用户进程占用宝贵的CPU时刻片资源，但这种方法的缺点也是显而易见的。关于我们GUI的设计，我们进行了较长时刻的预研，并对Microwindows/Nano-x和MiniGUI的多任务机制进

22、行了较为详细的剖析，觉得两者实现多任务的C/S结构关于我们的arm7500硬件平台并不适合，由于C/S结构系统效率较低，在我们这种硬件平台资源的基础上，性能远远不能达到我们的功能需求，鉴如此，我们决定在IP1000多任务版本GUI的基础上， 开发IP2000的GUI，要紧是完善在IP1000开发过程中已发觉的缺陷，并增加如下功能的支持：对Microwindows桌面和窗口治理进行完善，使整个桌面和窗口治理与windows风格更加类似，从而为IP2000设计出更好的人机界面：多窗口操作，图标的拖动，窗口最大、最小化操作等参照MiniGUI改进Microwindows图形引擎的一些算法，提高GUI

23、的效率增加业务窗口下拉菜单的支持（参考MiniGUI菜单组件设计）增加国际标准化汉字系统：支持16x16（大字符集）、24x24汉字库（GB2312）多种汉字字体字符显示驱动增加16色支持查找替代单消息队列共享的进程间通讯机制，幸免某个用户进程崩溃导致整个系统崩溃。仿真设计设计目标降低模块间的耦合关系减少中间层方便各个平台的移植设计方法将IP1000的仿真程序进行整合，按模块封装成API。针对几个关键点进行技术改进，争取最大程度地发挥系统和硬件平台的优点。在纵向的层次上只有相邻的两层有调用和被调用的关系，相同的层次能够调用和被调用。仿真结构设计仿真层仿真层仿真driver层microwin 全

24、局模块、命令分析模块键盘模块显示模块打印模块外设模块通讯模块自检模块键盘仿真driver显示仿真driver打印仿真driver外设仿真driver通讯仿真driver自检仿真driverNVR操作键盘API显示API打印API串口API网络APINVR API中文输入法模块讲明1)、仿真全局模块，包括：初始化Gblint的数据改变汉字通讯码的显示拼字入口设置输入/输出入口(将终端仿真软件从功能上分为输入、输出两大部分)复位通用命令分析器依照参数初始化串口恢复、保存、缺省NVR参数2）、命令分析 使用有限状态自动机来解析命令序列。3）、键盘模块仿真上层：处理操纵码(ESC、CAN、BS、CR、

25、XON、XOFF)处理ASCII码处理本地功能键处理用户自定义序列键处理缺省功能键汉字译码并发送 仿真driver层：将系统发来的键盘消息WM_KEYDOWN、WM_KEYUP转换成终端所需的键码（高字节扫描码低字节Ascii码）GUI 层：在键盘有数据时，更新键盘状态，分发键盘事件。将原始码转换成终端所需的键码假如是输入法相关键且输入法有效，进输入法处理；否则向上层发WM_KEYDOWN或WM_KEYUP消息。4）、显示模块将显示从操作对象上能够分为5个部分：屏幕、光标、字符显示、滚屏、图形。仿真上层：依照通讯方式的不同，TTY显示一个国标码/ASCII码/ID码/CNC码。能在光标的当前位

26、置以当前属性和字符集显示一个ASCII字符屏幕开关显背景色设置仿真driver层：初始化显示。要紧是创建光标、设置光标的属性、显示光标、设置屏幕行数和列数。光标操纵：设置光标属性、位置显示光标属性、位置移动光标得到光标的位置和光标左右的字符。清除光标支持多个光标GUI层：光标驱动：创建光标、释放（清除）光光标属性（点/线、固定/闪耀/消隐）支持屏幕驱动开/关显、节电模式支持分辨率、背景色设置支持字符显示驱动西文、汉字、汉字左半、汉字右半显示支持自造汉字显示支持字符属性（上/下/左/右划线、高/低亮/正常、倍高/宽、显示/消隐）支持滚屏驱动向上滚屏、向下滚屏支持显存数据操作支持图形驱动点、线、圆

27、等差不多图形操作支持5)、打印模块仿真上层选择打印机打印机字库打印终端字库打印正常打印拷贝屏幕自动打印屏幕上的一行透明打印条码打印一个字符退出打印打印出错时弹出模态窗口，显示提示信息，用键盘或鼠标选择Y/N 来决定接着打印/退出打印。仿真driver层得到当前行列的VRAM地址打印字符属性处理将显示点阵转换成打印点阵打印一个字符（串）到设置的打印端口。最多查询打印端口0 x7ff次，若就绪就送打印，若打印机错退出。打印测试GUI层后台打印字符缓冲区支持并口支持6)、外设、通讯外设模块和通讯模块的程序结构以及两个模块之间的关系如下图所示：仿真上层仿真driver层GUI 层外设 通讯仿真上层仿真

28、driver层GUI 层串口通讯网络通讯串口API网络API外设模块仿真上层：打开/关闭端口打开/关闭密码键盘、读密码键盘的数据向主机发送辅串口、透明打印等命令分析向辅串1n输出数据读辅串口数据向主机发送串口拷屏串口打印一个字符通讯模块仿真上层：通讯初始化通过主通讯口（主串口或网络口）以非堵塞方式从主机读数据。通过主通讯口（主串口或网络口）以堵塞方式从主机读数据。写一个字节数据到主通讯口（串口或网络口）写一串数据到主通讯口（串口或网络口） 外设模块仿真driver层：串口通讯初始化向主串、辅串输出数据从主串、辅串读数据设置串口参数串口复位串口测试网络模块仿真driver层：网络通讯初始化pin

29、g功能支持打开/关闭一个Telnet会话从一个Telnet会话中读数据向一个Telnet会话中写数据外设模块GUI层：打开/关闭串口从串口读数据往串口发送数据设置串口参数读取串口参数网络模块GUI层：打开/关闭一个网络联接从网络读数据通过网络发送数据、输入入法模块输入法放嵌入GUI层，并支持输入法挂接接口设计。切换输入状态切换输入法取得输入键的Ascii码，查表取得相应的汉字内码，把汉字的内码发送给提示行，用数字键选择汉字自造汉字和短语输入支持提供修改默认输入法的API、NVR模块仿真driver层：读取/保存终端参数读取/保存自造短语读取/保存自造汉字GUI层:读NVR到缓冲区保存缓冲区到N

30、VR从缓冲区中读数据NVR校验读NVR校验写读取自造短语、自造汉字9)、自检模块键盘测试串口测试并口测试网络测试循环自检演示测试报告自检结果流程设计在以上设计的基础上，我们采纳SDT方法作如下基于消息驱动机制数据流程的详细流程设计（图见基于消息驱动机制数据流程设计）： 如上图所示我们可取得如下结论：1、流程设计的几个差不多原则：消息循环的速度必须足够快，也确实是讲从事件的检测完成消息的转换进入消息队列从消息队列取出分发相应消息回调函数处理完成事件检测 这整个循环必需在某个限定时刻内完成，才可不能造成事件丢失和消息处理滞后，应用不能有长时刻的某个消息处理流程。由于整个应用系统共享一个消息队列，所

31、有消息处理在不非法操作造成系统崩溃的基础上都必须能够正确返回，否则某次消息的处理会造成消息循环停止，造成系统停止。2、性能分析：我们的传统终端810C/910/920等型号和IP1000/2000差不多上采纳CLPS-7500硬件平台，分析两者的流程，我们可作出如下图所示对比分析，为了支持图形界面、多任务、网络，我们不得不在我们的系统中引入OS、GUI，随之而来的则是许多中间流程的引入，使我们整机效率和处理速度等性能的降低，因此我们IP2000功能指标如刷屏、滚屏、处理速度等所能达到的终极目标确实是采纳同类型CPU的传统终端，一般来讲，达到80左右当属正常。一般来讲，可考虑如下角度优化阻碍性能

32、指标的流程：频繁在内核态和用户态之间切换各层次之间接口混乱、冗余GUI操作效率低下多任务各进程之间数据通讯效率低下BIOS层算法、代码效率低下 3、IP1000目前所存在的几个未解决问题的初步分析系统处理速度较慢 系统处理速度要紧由数据通讯方法、显示、滚屏等因素综合构成，那个指标的瓶颈也就要依照实际情况分析，举个例子：假如我们采纳Nano-x方案实现多任务，则在SERVER和CLIENT之间数据传递的低效的套接字方法就成为了我们速度的瓶颈，我们采纳了较高效率的共享内存方式传递数据，则显示、滚屏BIOS的算法就成为我们速度提高的关键，而且从IP1000串口联机和网络联机处理速度的差异分析，我们也

33、可得出在AP层数据处理的方法和访问上下文的机制也可成为阻碍性能的关键：网络联机一个WM_FDINPUT消息对应处理一个数据包，而串口一个WM_FDINPUT消息则只处理单个数据，造成串口联机处理速度专门慢。滚屏、刷新速度较慢刷新速度要紧是由终端仿确实显示结构和GUI字符显示的方法（算法）决定，滚屏速度则与滚屏所采纳的机制（行滚? 屏滚？）关系最大，因此也与系统数据传递的速度及显示底层的实现有关，我们可从改进这三个方面作为突破口，可望有较大性能提高。此外假如在维持16点阵不变的情况下，采纳16色，各种指标能够有较大幅度的提高。（已初步做过试验）CTRL+D问题从流程图我们可看出，那个问题的出现在于我们在主进程中分配业务进程的socket号，当我们在业务进程中间按下