基于嵌入式Linux的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)設計

　　摘要：本文對嵌入式網(wǎng)絡計算機的主要結構進行了分析,并給出了實現(xiàn)方法。主要設計和實現(xiàn)了網(wǎng)絡計算機客戶端操作系統(tǒng)和基于的RDP客戶端。在網(wǎng)絡計算機客戶端操作系統(tǒng)設計中,主要從嵌入式分層的角度設計了網(wǎng)絡計算機的操作系統(tǒng),這種結構層次清晰,功能劃分明確,而且容易實現(xiàn);在基于Linux的RDP客戶端研究中,主要分析了RDP協(xié)議,實現(xiàn)了RDP客戶端的功能。

　　1 引言

　　操作系統(tǒng)技術包含服務器和客戶機操作系統(tǒng)兩套技術，目前支持瘦客戶機計算的服務器技術主要是VNC、Citrix Metaframe、 Services、 X 和Tarantella，服務器操作系統(tǒng)要解決多用戶、會話控制、狀態(tài)表示等一系列技術難點。網(wǎng)絡計算機設計中的一個主要工作就是瘦客戶機操作系統(tǒng)的設計，在此我們把瘦客戶端操作系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡計算機操作系統(tǒng)。本文從Linux 體系結構的角度給出網(wǎng)絡計算機的Linux 體系結構，這樣更能方便表達設計和實現(xiàn)嵌入式Linux 網(wǎng)絡計算機操作系統(tǒng)的步驟。

　　2 操作系統(tǒng)體系結構

　　本操作系統(tǒng)體系結構如圖 1 所示:

　　根據(jù)上面網(wǎng)絡計算機的嵌入式 Linux 體系結構，下面給出了要設計的網(wǎng)絡計算機操作系統(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、存儲設備驅(qū)動、網(wǎng)卡驅(qū)動等。Linux 內(nèi)核:.4.18。應用程序接口(API)：Glibc2.4 等。圖形用戶界面層：Xwindows4.2 IceWM。應用軟件：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)絡計算機硬件系統(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)代碼進行檢查，通過 中斷獲取內(nèi)存容量信息，設置鍵盤反應速度，設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，就準備讓CPU 進入保護模式了。要先屏蔽中斷信號，再次設置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 中斷控制器進行編程，對防處理器進行復位。.S 設置保護模式的標志位，重新取指令以后，再用一條跳轉指令，進入保護模式下的啟動階段，同時把控制權交給. S 這段純32 位匯編代碼。. S 先做一些屏蔽中斷的準備工作，然后，用一個默認的表項把所有的256 個中斷向量填滿。這個默認表項指向一個特殊的Linux 中斷服務程。因為Linux 系統(tǒng)初始化完成后，就不使用 的中斷服務程序。Linux 有很完善的設備驅(qū)動程序使用機制，該機制使特定硬件設備的中斷服務程序很容易被系統(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)處理器進行檢查，然后調(diào)用了_paging 這個子函數(shù)進行頁初始化。到此，保護機制下內(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)，把控制權交內(nèi)核。

圖2 是NC( )系統(tǒng)的整個引導過程。

　　Linux 核心和設備驅(qū)動程序之間必須有一個以標準方式進行相互操作的接口。每一類設備驅(qū)動:字符設備、塊設備及網(wǎng)絡設備都提供通用接口，以便在需要時為核心提供服務。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備，需要不同的物理設備驅(qū)動程序。Linux 允許通過配置腳本，在核心重建時將設備驅(qū)動包含在內(nèi)。設備驅(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，設計網(wǎng)絡計算機嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的首要步驟是嵌入式Linux 內(nèi)核的設計。內(nèi)核的選擇主要是根據(jù)硬件系統(tǒng)處理器體系結構的不同，選擇適當?shù)腖inux 內(nèi)核實現(xiàn)。構建Linux 內(nèi)核之前先要根據(jù)目標硬件平臺的配置來修改內(nèi)核選項。通常要進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、顯卡等設備;另外還需要設置的是文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡接口等系統(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)核依賴關系、生成內(nèi)核鏡像、生成內(nèi)核模塊幾個步驟。

　　內(nèi)核是應用程序和硬件之間橋梁，在瘦客戶機中，存儲設備和內(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，使得內(nèi)核能夠完備的支持瘦客戶機的硬件設備，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)絡計算機來說是可以接受的。

　　3.3 根文件系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　設計好 Linux 內(nèi)核后的工作是設計嵌入式Linux 的根文件系統(tǒng)，Linux 內(nèi)核引導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)的組織結構沿襲 系統(tǒng)的傳統(tǒng)結構。在設計嵌入式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構、開發(fā)應用程序、選擇共享函數(shù)庫、存儲內(nèi)核鏡像和模塊、選擇設備文件、配置系統(tǒng)初始化過程和安裝根文件系統(tǒng)。

　　瘦客戶機通常使用 作為存儲設備。引導程序、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 應用程序?qū)?API)層實現(xiàn)

　　應用程序?qū)又饕性S多 c 函數(shù)庫構成。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)絡計算機嵌入式操作系統(tǒng)要求最后編譯出來的內(nèi)核大小不能太大)和網(wǎng)絡計算機需要滿足的應用需求，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 客戶端的設計與實現(xiàn)

　　NC 系統(tǒng)的一大應用是連接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 客戶端的設計主要分為兩大模塊，分別是RDP 程序模塊，客戶端底層設計模塊。RDP 程序模塊主要實現(xiàn)RDP 協(xié)議;客戶端底層設計模塊通過定制和剪裁Linux 系統(tǒng)，讓RDP程序與網(wǎng)絡計算機硬件平臺整合到一起，使RDP 程序在網(wǎng)絡計算機設備上可以運行。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;GUI 模塊主要負責圖形顯示和消息上傳，與所選平臺也沒有關系。圖4 是RDP 程序結構圖。

　　RDP 程序執(zhí)行后，首先從配置文件中讀取服務器IP 地址，本機IP 地址等參數(shù)，然后連接服務器，服務器連接成功后，建立窗口，下載登陸界面，隨后進入窗口消息循環(huán)，程序只處理鼠標、鍵盤消息，出理上傳的RDP 數(shù)據(jù)。根據(jù)RDP 協(xié)議的層次結構將整個模塊分為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 客戶端底層設計模塊

　　RDP 客戶端模塊由兩個獨立程序組成，Rdp1og 負責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 體系結構的角度提出了網(wǎng)絡計算機操作系統(tǒng)層次結構。根據(jù)提出的嵌入式Linux 網(wǎng)絡計算機操作系統(tǒng)層次結構，研究了基于嵌入式Linux 網(wǎng)絡計算機的操作系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。