中間件思想在嵌入式GIS設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：中間件 嵌入式地理信息系統(tǒng) 適配層
引言
隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，應(yīng)用程序的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。應(yīng)用范圍也更加廣闊。這不僅存在著多種硬件平臺(tái)（例如臺(tái)式機(jī)、嵌入式系統(tǒng)），而且在這些硬件平臺(tái)上，通常又存在著多種的通信介質(zhì)（例如串口、USB口等）、通信協(xié)議（例如TCP/IP等）及操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)（例如Windows、Linux、Nucleus等）。我們的軟件開(kāi)發(fā)往往要求能夠在這些異構(gòu)的硬/軟件平臺(tái)上運(yùn)行。
為此，我們引入了“中間件（Middleware）”的概念。本文在介紹中間件基本概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究項(xiàng)目“嵌入式地址信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)”來(lái)說(shuō)明如何以中間件的形式設(shè)計(jì)該系統(tǒng)。
1 中間件的基本概念
1.1 中間件定義及作用
中間件是位于平臺(tái)（硬件和操作系統(tǒng)）和應(yīng)用之間的通用服務(wù)，這些服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議。針對(duì)不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)，它們可以有符合接口和協(xié)議規(guī)范的多種實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，中間件是位于底層硬件/操作系統(tǒng)平臺(tái)之上，應(yīng)用層之下的中間適配層。該層向下屏蔽掉硬件平臺(tái)或操作系統(tǒng)平臺(tái)的差異，向上為應(yīng)用層操作一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)基于該接口進(jìn)行。在以下定義下，中間件具有如下特點(diǎn)：
*滿足大量應(yīng)用的需要；
*運(yùn)行于多種硬件和OS平臺(tái)；
*支持分布計(jì)算，提供跨網(wǎng)絡(luò)、硬件和OS平臺(tái)的透明性應(yīng)用或服務(wù)的交互；
*支持標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議；
*支持標(biāo)準(zhǔn)的接口。
在中間件設(shè)計(jì)思想下，軟件的開(kāi)發(fā)變得更加簡(jiǎn)單。首先，當(dāng)系統(tǒng)硬件/操作系統(tǒng)平臺(tái)改變時(shí)，只需改變中間適配層的幾個(gè)參數(shù)，只要保持中間件層對(duì)應(yīng)用層的接口定義不變，就可以直接將應(yīng)用程序移植過(guò)去運(yùn)行。所有的代碼只需編寫一次就可在任何系統(tǒng)上運(yùn)行，大大縮短了系統(tǒng)研制的周期，提高了開(kāi)發(fā)效率，同時(shí)還保證了系統(tǒng)的高伸縮性、易升級(jí)性穩(wěn)定性。
其次，由于中間件屏蔽了底層平臺(tái)差異，提供了標(biāo)準(zhǔn)的封裝接口，使應(yīng)用層以組件的形式實(shí)現(xiàn)為可能。用戶可以根據(jù)自己的需要將各個(gè)組件有選擇地進(jìn)行組合，像搭積木一樣，構(gòu)成自己的應(yīng)用系統(tǒng)。
世界著名的咨詢機(jī)構(gòu)Standish Group在一份研究報(bào)告中歸納了中間件的十大優(yōu)越性：
*縮短應(yīng)用的開(kāi)發(fā)周期；
*節(jié)約應(yīng)用的開(kāi)發(fā)成本；
*減少系統(tǒng)初期的建設(shè)成本；
*降低應(yīng)用開(kāi)發(fā)的失敗率；
*保護(hù)已有的投資；
*簡(jiǎn)化應(yīng)用集成；
*減少維護(hù)費(fèi)用；
*提高應(yīng)用的開(kāi)發(fā)質(zhì)量；
*保證技術(shù)進(jìn)步的連續(xù)性；
*增強(qiáng)應(yīng)用的生命力。
1.2 中間件應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
中間件的應(yīng)用范圍十分廣泛，發(fā)展前景非常美好。據(jù)有關(guān)機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明，近5年來(lái)，全球中間件的銷售額平均年增長(zhǎng)率為34%，到2004年總銷售額將達(dá)到97億美元。中間件已經(jīng)成為國(guó)際IT巨頭競(jìng)逐的目標(biāo)，各大軟硬件廠商都在積極參與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和產(chǎn)品的研發(fā)工作，像IBM、甲骨文、BEA、微軟等都制定了相應(yīng)的戰(zhàn)略。據(jù)估計(jì)，未來(lái)基于Internet的電子商務(wù)業(yè)務(wù)將有79%建筑在中間件的基礎(chǔ)之上。
中間件種類繁多，從不同的應(yīng)用方面及發(fā)展程序上有不同的分類方法。在同上，從中間件所起的作用上來(lái)說(shuō)，中間件可以分為以下三類。
①數(shù)據(jù)類（data integration）：用于數(shù)據(jù)的存取、利用和增值，此類中間用于構(gòu)建以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用。
②處理類（process integration）：把分布在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)上的各個(gè)應(yīng)用或處理連接在一起，形成一個(gè)統(tǒng)一的、協(xié)同工作的分布式應(yīng)用。
③分布式構(gòu)件類（distributed components）：支持構(gòu)件式應(yīng)用，是未來(lái)應(yīng)用的發(fā)展方向。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，近五年增長(zhǎng)率最高的中間件集中在消息中間件、交易中間件、對(duì)象中間件和應(yīng)用服務(wù)器中間件、數(shù)據(jù)訪問(wèn)中間件5種（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所列）。另外，隨著網(wǎng)上信息安全問(wèn)題的出現(xiàn)，安全中間悠揚(yáng)也應(yīng)運(yùn)而生。
表1 IDC的市場(chǎng)調(diào)查分析
| 中間件類型 | 1997年銷售額/億美元 | 2002年銷售額/億美元 | 年平均增長(zhǎng)率/% | 亞太市場(chǎng)銷售額/億美元 |
| 消息中間件 | 3.6 | 24.5 | 46 | 3.6 |
| 交易中間件 | 3.5 | 16.5 | 36 | 2.6 |
| 對(duì)象中斷件 | 1.4 | 7 | 34 | 0.56 |
| 數(shù)據(jù)訪問(wèn)中斷件 | 6.1 | 16.5 | 23 | - |
| 應(yīng)用服務(wù)器 | - | 40 | - | - |
| 安全中間件 | 1.227 | 3 | - | - |
消息中間件是目前中間件的發(fā)燕尾服熱點(diǎn)。它適用于任何需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的系統(tǒng)，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)通信的通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)或文件發(fā)送。消息中間悠揚(yáng)可以跨平臺(tái)操作，為不同操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件集成提供方便，從而滿足企業(yè)內(nèi)部對(duì)系統(tǒng)伸縮性和可擴(kuò)展性的要求。
數(shù)據(jù)訪問(wèn)中間件能屏蔽不同廠家、不同類型數(shù)據(jù)庫(kù)之間的差異，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的共享，從而使得企業(yè)不同時(shí)代、不同地域的寶貴數(shù)據(jù)能夠充分利用。
對(duì)象中間件技術(shù)目前發(fā)展迅速，各大硬軟件廠商都在積極參與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作。面向?qū)ο蟮闹虚g件提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件框架，能使不同廠家的軟件交互訪問(wèn)，為軟件用戶及開(kāi)發(fā)者提供一種即插即用的互操作性。
安全中間提供完備的信息安全基顧構(gòu)架，屏蔽安全技術(shù)的復(fù)雜性，使設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員無(wú)須具備專業(yè)的安全知識(shí)背景就能構(gòu)構(gòu)造高安全性的應(yīng)用。
2 中間件思想在嵌入式GIS設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
我們研制的嵌入式GIS是一個(gè)地理信息的綜合系統(tǒng)。在功能上，該系統(tǒng)包括地圖瀏覽、地理位置報(bào)告、目標(biāo)標(biāo)繪、地形分析等功能模塊；在硬件平能臺(tái)上，系統(tǒng)要求能夠運(yùn)行于PC臺(tái)式機(jī)和基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)上；在操作系統(tǒng)平臺(tái)上，系統(tǒng)要求能夠運(yùn)行在Winodws 98/2000、Linux等通用操作系統(tǒng)和VxWorks、Nucleus、WinCE等嵌入式操作系統(tǒng)上；在網(wǎng)絡(luò)通信上，要求系統(tǒng)除了能夠支持各種接口及各種通信協(xié)議，還能夠支持自己開(kāi)發(fā)的通信協(xié)議。在這些設(shè)計(jì)要求下，我倦嵌入式地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，采用中間件的設(shè)計(jì)思想，保證程序的可移植性，節(jié)省人力物力，使研究成果盡快轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中，底層硬件平臺(tái)采用我們研制的基于ARM微處理器的嵌入式地理信息系統(tǒng)硬件平臺(tái)，包括GPS接口、各種存儲(chǔ)介質(zhì)（例如CF卡、Flash等）、各種接口（例如USB、RS-232串行口、以太網(wǎng)接口）、人機(jī)交互接口等。
軟件平臺(tái)可以選用Windows、Linux、WinCE、Nucleus等操作系統(tǒng)，利用該平臺(tái)可以屏掉底層硬件平臺(tái)的差異。
操作系統(tǒng)適配層（即中間件）定義和設(shè)計(jì)適合各種操作系統(tǒng)的適配層。該層具備操作系統(tǒng)的主要特征（例如多任務(wù)多線程的封裝、調(diào)度），向下與相應(yīng)的各種操作系統(tǒng)相適配，向上提供與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的統(tǒng)一接口。該層包括任務(wù)管理、消息管理、通信等模塊。為了屏蔽掉底層操作系統(tǒng)的差異，該層的設(shè)計(jì)要求與操作系統(tǒng)接口的函數(shù)要盡可能少，與硬件系統(tǒng)有關(guān)的代碼也要盡可能的少。
終端軟件框架的設(shè)計(jì)思想是在操作系統(tǒng)適配層之上，根據(jù)地理信息系統(tǒng)這一特殊應(yīng)用，開(kāi)發(fā)自己GUI、文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理、軍標(biāo)符號(hào)庫(kù)、基于消息驅(qū)動(dòng)的多窗口控制。人機(jī)交互接口、專用的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、統(tǒng)一接口的適合GIS的通信接口、任務(wù)管理等。
應(yīng)用層在終端軟件框架的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)地圖的瀏覽、編譯、查詢、標(biāo)繪，組合導(dǎo)航，地形分析，圖層管理，位置報(bào)告等功能，并帶有三維顯示引擎。
這種層文件、模塊化的設(shè)計(jì)可以保證系統(tǒng)很容易地進(jìn)行擴(kuò)展，使系統(tǒng)不僅能應(yīng)用于嵌入地管理信息系統(tǒng)，還可以作為一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)應(yīng)用于其它應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)只需對(duì)相應(yīng)的層進(jìn)行修改即可，而不用重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。
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