嵌入式操作系統(tǒng)SHELL定制開發(fā)

陳天毅++周平++李政++張新民

摘 要 介紹了微軟嵌入式WindowsXP操作系統(tǒng)的SHELL定制開發(fā)方法以及開發(fā)中主要考慮的技術(shù)問題，并介紹了SHELL實(shí)現(xiàn)的主要功能。針對(duì)車載嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的XPe通過對(duì)XP的裁減，去掉了不需要的組件和服務(wù)，減小了最終操作系統(tǒng)的體積，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到極大的增強(qiáng)；通過自主開發(fā)定制的SHELL，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，改善系統(tǒng)的可操作性，在實(shí)際的系統(tǒng)調(diào)試及試驗(yàn)操作中取得了良好的效果，證明SHELL的定制開發(fā)是成功的，所采用的技術(shù)適合嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作控制使用。

【關(guān)鍵詞】嵌入式操作系統(tǒng) SHELL 定制 開發(fā)

某車載移動(dòng)式設(shè)備，為完成特定的功能，其控制系統(tǒng)需要完成比較復(fù)雜的時(shí)序控制、壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)、安全連鎖以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集等功能，涉及比較復(fù)雜的控制算法及大量的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸，對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求較高。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，通過分析比較，我們選擇了德國(guó)控創(chuàng)的cPCI系統(tǒng)構(gòu)成測(cè)控系統(tǒng)核心控制器硬件平臺(tái)，選用微軟的WindowsXP Embedded為控制系統(tǒng)軟件的操作系統(tǒng)平臺(tái)，為適應(yīng)車載抗振的需求，用CF卡作為操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件的存貯器，自主開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用軟件。

控制系統(tǒng)正常工作時(shí)為無人操作，也無人機(jī)接口，所有的操作都通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程進(jìn)行，為保證各分系統(tǒng)互操作的可靠性，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了CAN總線網(wǎng)和以太網(wǎng)，CAN主要用于接收系統(tǒng)控制命令與反饋命令操作的結(jié)果，以太網(wǎng)主要用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

由于該系統(tǒng)是一套車載試驗(yàn)設(shè)備，控制系統(tǒng)裝在車上，在空間狹小的控制車上連接顯示器和鼠標(biāo)鍵盤技術(shù)人員修改系統(tǒng)控制程序和配置參數(shù)，非常困難和麻煩。因此，控制系統(tǒng)具有一套遠(yuǎn)程傳輸服務(wù)管理系統(tǒng)，使最終用戶在上位計(jì)算機(jī)上可以通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程啟?？刂栖浖?、遠(yuǎn)程重啟核心控制器、遠(yuǎn)程傳輸修改好的控制程序以及修改的系統(tǒng)各種屬性參數(shù)文件非常重要。

WindowsXP Embedded是微軟針對(duì)X86體系定制的一款組件化的嵌入式操作系統(tǒng)。目前在工業(yè)自動(dòng)化控制和嵌入式設(shè)備中使用相當(dāng)廣泛。與普通桌面XP版本的最大區(qū)別是可以定制，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選取不同的組件組成不同的XPe目標(biāo)平臺(tái)，從而能夠極大地減少對(duì)存儲(chǔ)空間的占用率，提高系統(tǒng)性能；直接開關(guān)系統(tǒng)電源就可以使用，沒有繁瑣的開關(guān)機(jī)過程，方便作為設(shè)備使用。

XPe的組件包括驅(qū)動(dòng)程序、服務(wù)和應(yīng)用程序等，為XP開發(fā)的應(yīng)用程序可以運(yùn)行在XPe平臺(tái)上。除了Win32 API外，XPe還支持.NETFramework。本項(xiàng)目采用的版本是Windows XP Embedded SP2 Feature Pack 2007，具有EWF、FBWF等功能，非常適合嵌入式設(shè)備所用CF卡的特殊要求。

Windows操作系統(tǒng)一般都需要Explorer shell、Command shell或Task Manager shell等三種程序中的一個(gè)作為系統(tǒng)的外殼，其提供的功能供用戶與操作系統(tǒng)交互，XPe也不例外。對(duì)于本系統(tǒng)，由于無人機(jī)界面，因此，我們將自主開發(fā)的遠(yuǎn)程傳輸服務(wù)管理系統(tǒng)作為WindowsXP Embedded操作系統(tǒng)的外殼，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)操作流程，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)對(duì)操作人員技術(shù)水平的要求，為達(dá)到最終系統(tǒng)要求的良好可操作性及可靠性起到了很好的作用。

1 SHELL定制

XPe的開發(fā)環(huán)境主要包括Target Designer，即目標(biāo)設(shè)計(jì)器，用于選擇加入到目標(biāo)平臺(tái)中的組件，進(jìn)行依賴檢查，然后編譯成目標(biāo)平臺(tái)；Target Analyzer，即目標(biāo)分析器，用于分析目標(biāo)設(shè)備，獲取目標(biāo)設(shè)備的信息；Component Designer，即組件設(shè)計(jì)器，用于設(shè)計(jì)自定義組件，可以將應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序等設(shè)計(jì)成XPe可以使用的組件；Component Database Manager，即組件數(shù)據(jù)庫(kù)管理器，用于管理組件對(duì)象庫(kù)中的組件。

要構(gòu)造一個(gè)完整的XPE系統(tǒng)，首先需要在Target Designer中創(chuàng)建一個(gè)配置（Configuration），然后在該配置中添加所有的硬件支持組件、系統(tǒng)內(nèi)核組件和軟件功能組件。添加完成后使用Target Designer自動(dòng)檢測(cè)組件的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并自動(dòng)把缺少的組件添加到配置中。

我們開發(fā)的產(chǎn)品不是普通的軟件，而是專用的操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)與硬件緊密相關(guān)，所以需要針對(duì)某個(gè)特定的硬件平臺(tái)（目標(biāo)機(jī)）來進(jìn)行開發(fā)，只有充分地了解和支持硬件，才能讓操作系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運(yùn)行。由于X86結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的硬件比較復(fù)雜，普通開發(fā)者很難對(duì)它充分地理解熟悉，因此，微軟提供了一個(gè)硬件分析工具來幫助開發(fā)者分析硬件。Windows XP Embedded提供的這個(gè)工具是Target Analyzer，可以自動(dòng)分析所在設(shè)備的硬件信息，分析完成后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)XML格式的輸出文件Devices.pmq，根據(jù)這個(gè)文件生成一個(gè)XPE組件，并保存到組件數(shù)據(jù)庫(kù)中，以后每次開發(fā)系統(tǒng)都可以調(diào)用，為開發(fā)完整的操作系統(tǒng)作準(zhǔn)備。

通常每一個(gè)嵌入式設(shè)備都會(huì)運(yùn)行一個(gè)或多個(gè)用戶自己的應(yīng)用程序，另外如果使用了非通用的硬件設(shè)備，還需要添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，將各個(gè)獨(dú)立的部分做成XPE組件，在開發(fā)階段進(jìn)行集成。

定制SHELL的主要作用是限制用戶對(duì)系統(tǒng)的訪問或者提供采用標(biāo)準(zhǔn)SHELL無法提供的功能。

為了使開發(fā)的遠(yuǎn)程傳輸服務(wù)管理軟件成為XPe的SHELL，必須將其做成XPe的component，為此，在Component Designer中新建component，將其Prototype設(shè)為Shell prototype component，將其Dependencies設(shè)為Shell group，將Categories設(shè)為Software＼System＼User Interface＼Shells，然后在Target Designer中刪除默認(rèn)的Explorer shell、Command shell或Task Manager shell，加入新建的SHELL component，進(jìn)行Dependency Check，選擇Auto-Resolve Dependencies，再Build Target Image即可。endprint

SHELL定制的核心是作為SHELL的組件必須繼承Shell prototype component的屬性。

2 SHELL開發(fā)

SHELL要完成的主要工作為遠(yuǎn)程啟?？刂栖浖?；遠(yuǎn)程重啟核心控制器（WindowsXP Embedded重新啟動(dòng)）；將修改好的控制程序以及修改的系統(tǒng)各種屬性參數(shù)文件傳輸?shù)角度胧娇刂破髦?；遠(yuǎn)程改變XPe的EWF狀態(tài)，以便于將修改后的程序和屬性文件保存在CF卡上，并保護(hù)CF卡；操作安全認(rèn)證，確保只有授權(quán)的用戶才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。FTP（可以完成文件傳輸，但無法對(duì)正在運(yùn)行的控制程序進(jìn)行更新）或遠(yuǎn)程桌面可以實(shí)現(xiàn)類似功能，但存在的重大問題是系統(tǒng)的安全無法保證，無法確保只有授權(quán)用戶才能操作設(shè)備；另一方面的不足是對(duì)操作者的技術(shù)水平要求較高，需對(duì)系統(tǒng)的配置充分了解。

為了實(shí)現(xiàn)以上功能，采用VC++60開發(fā)所需的遠(yuǎn)程傳輸服務(wù)管理軟件。

作為操作系統(tǒng)的SHELL，其重要性不言而喻，必須著重考慮的是其自身的穩(wěn)定性、可靠性、對(duì)系統(tǒng)的安全保護(hù)以及對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障的自適應(yīng)性，最大程度保證系統(tǒng)可用。SHELL除要求自身穩(wěn)定外，還必須在系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，啟動(dòng)控制系統(tǒng)核心控制軟件運(yùn)行，完成系統(tǒng)功能。因此，SHELL的開發(fā)主要從以下幾個(gè)方面考慮：

2.1 網(wǎng)絡(luò)檢查

本系統(tǒng)由于沒有人機(jī)界面，網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)與外部聯(lián)系的唯一通道，為提高可靠性，在系統(tǒng)中配置了兩塊以太網(wǎng)卡，從而構(gòu)成冗余網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通信的實(shí)現(xiàn)采用基于MFC的WINSOCKET完成。由于各分系統(tǒng)的工作情況不同，啟動(dòng)時(shí)間不同，有可能出現(xiàn)要連接的系統(tǒng)沒有響應(yīng)的情況，因此，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連通情況進(jìn)行檢查。為此，將用來LISTEN的SOCKET構(gòu)建在系統(tǒng)堆上，如果網(wǎng)絡(luò)不通，則刪除SOCKET，然后定時(shí)重建。如果試驗(yàn)過程中由于振動(dòng)等原因，造成網(wǎng)線接觸不良導(dǎo)致通信故障時(shí)，由SHELL重建SOCKET，從而確保通信可靠。

2.2 安全認(rèn)證

如果SHELL中用于LISTEN的SOCKET接到連接請(qǐng)求，SHELL在接受連接的同時(shí)，對(duì)連接的請(qǐng)求方要求必須的特定連接串，如果請(qǐng)求方不能提供要求的連接串，或提供的連接串錯(cuò)誤，則切斷請(qǐng)求的連接，確保只有授權(quán)的用戶才能操作系統(tǒng)。

2.3 啟動(dòng)控制軟件

SHELL啟動(dòng)完成后，檢查網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)，如果網(wǎng)絡(luò)良好，則啟動(dòng)核心控制軟件，系統(tǒng)進(jìn)入待命狀態(tài)，然后等待CAN總線的操作命令，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，完成試驗(yàn)任務(wù)。

在Windows系統(tǒng)中，無法對(duì)正在運(yùn)行的程序進(jìn)行更新，為了能夠遠(yuǎn)程更新控制軟件及配置參數(shù)文件，必須實(shí)現(xiàn)SHELL對(duì)控制軟件的啟停的功能，便于控制軟件的更新，為此，在SHELL啟動(dòng)控制軟件后，由SHELL向操作系統(tǒng)廣播自定義的消息，并在消息中攜帶SHELL的窗口ID，在控制軟件中則響應(yīng)SHELL發(fā)出的消息，并將控制軟件的窗口ID返回到SHELL中，從此，SHELL與控制軟件互相知道對(duì)方的窗口ID，相互之間就可以通過自定義的消息進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)由SHELL控制核心控制軟件的啟停的目的。其控制原理見圖2。

2.4 文件傳輸

文件傳輸是一個(gè)較簡(jiǎn)單的功能，采用SOCKET可以較容易地實(shí)現(xiàn)。文件傳輸分為文件的上傳與下載，上傳用于將cPCI中現(xiàn)用的控制軟件及配置參數(shù)傳回到上位機(jī)中進(jìn)行比較，以確認(rèn)cPCI中的控制軟件的版本及系統(tǒng)配置參數(shù)，下載功能用于更新cPCI中的控制軟件及配置參數(shù)文件。

2.5 EWF功能控制

使用CF卡創(chuàng)建基于Compact Flash? （CF卡）引導(dǎo)運(yùn)行的XPE操作系統(tǒng)有很多優(yōu)勢(shì)，最顯著的優(yōu)勢(shì)是創(chuàng)建嵌入式裝置，這些設(shè)備通常較為可靠，因?yàn)樗麄兌紱]有任何活動(dòng)部件，特別適合車載系統(tǒng)的使用條件。但使用CF卡也有缺點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是它有一定的讀寫次數(shù)限制，當(dāng)反復(fù)對(duì)CF進(jìn)行讀寫操作的時(shí)候，隨著時(shí)間的推移，CF上的壞塊就會(huì)越來越多，同時(shí)讀寫速度也會(huì)越來越慢，甚至導(dǎo)致最終的系統(tǒng)崩潰或者文件丟失，這種特性對(duì)于使用CF卡作為存貯器的系統(tǒng)來說是不利的。

XPe系統(tǒng)提供了EWF功能，可以使用EWF過濾所有向Flash存儲(chǔ)介質(zhì)的寫操作，從而保護(hù)CF卡。EWF即增強(qiáng)性過濾寫入功能的縮寫，通過限制直接寫入CF的方式，避免了頻繁的讀寫對(duì)CF卡造成的損壞，從而延長(zhǎng)了CF卡的使用壽命和讀寫次數(shù)。EWF主要的功能是在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中構(gòu)建一個(gè)覆蓋層，這個(gè)覆蓋層理論上置于被保護(hù)卷的上方，所有對(duì)保護(hù)卷的讀寫操作都要先經(jīng)過覆蓋層。開啟EWF過濾功能后，被保護(hù)卷將不能被寫入，所有的針對(duì)保護(hù)卷的寫入操作都將記錄在覆蓋層上，但是可以讀取被保護(hù)卷的信息。如果目標(biāo)信息不在覆蓋層上，那么覆蓋層可以通過讀保護(hù)卷的操作，但是將會(huì)過濾寫入的操作。使用該功能的主要目的是用來保證基于CF卡的Windows系統(tǒng)的引導(dǎo)分區(qū)避免不必要的寫入，增強(qiáng)系統(tǒng)的健壯性，或者保護(hù)引導(dǎo)分區(qū)避免異常斷電帶來的損耗。EWF的作用原理見圖3。

EWF一般情況下是通過命令行操作來實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉的，本系統(tǒng)由于無人機(jī)界面，因此，無法使用這種操作方式。XPe提供了EWF的編程接口，即Enhanced Write Filter API（EWF API），因此，在SHELL的開發(fā)中，通過在VC++60程序中加入EWF API調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)EWF開啟、關(guān)閉及查看EWF狀態(tài)等功能，從而讓總控系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉XPe的EWF功能，既能實(shí)現(xiàn)文件保存在CF卡上，同時(shí)也能在不傳輸文件時(shí)保護(hù)CF卡。

3 應(yīng)用與結(jié)論

本系統(tǒng)開發(fā)完成后，經(jīng)過近一年的系統(tǒng)調(diào)試以及5年正式的試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作方便，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可操作性和安全性。

XPe通過對(duì)XP的裁減，去掉了不需要的組件和服務(wù)，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到極大的增強(qiáng)，通過自主開發(fā)定制XPe的SHELL，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程啟停控制軟件、遠(yuǎn)程重啟核心控制器、遠(yuǎn)程傳輸修改好的控制程序以及修改的系統(tǒng)各種屬性參數(shù)文件等功能，大大改善系統(tǒng)的可操作性，取得了良好的效果，證明定制的SHELL是成功的，所采用的技術(shù)適合嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作控制使用。

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作者簡(jiǎn)介

陳天毅（1966-），男，重慶市開縣人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為四川綿陽(yáng)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心四所高級(jí)工程師，從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。

周平（1963-），男，四川省三臺(tái)縣人。博士學(xué)歷。現(xiàn)為四川綿陽(yáng)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心四所研究員，從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。

李政（1966-），男，湖北省松滋市人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為四川綿陽(yáng)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心四所高級(jí)工程師，從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。

張興民（1972-），男，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為四川綿陽(yáng)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心四所工程師，從事計(jì)算機(jī)控制。

作者單位

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心四所 四川省綿陽(yáng)市 621000endprint