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网络计算机与嵌入式Linux应用支撑环境研究综述
曾立
(中国农业大学信电学院，北京 100083)
Survey of Network-Computer and Application Support
Environment Based on Embedded-Linux
ZENG Li1
1(Department of Computer
Science & Technology,China Agricultural University,
Beijing 100083)
Abstract: Network Computers (NC) are a new type of affordable computing device which cost much less than traditional PCs to buy and maintain in the Post-PC Era. We discuss here a new embedded support platform of application which is based on NC and Linux. The platform shows a chain aggregate of NC industry, with customization of Linux kernel, GUI, Database, Web Browse and Java Virtual Machine. Besides these, the protocols of TCP/IP, RDP, XDMCP and Chinese Environment (CE) have been embedded in. It’s a basic and wonderful platform for providing solutions in Electronic Farming or some given embedded applications else.
Key words: Network Computer; Embedded Linux; Common Software Environment
摘 要: 本文围绕着网络计算机阐述了一个基于NC-Linux的嵌入式应用软件支撑平台。该平台是NC产业链上的一个典型的应用聚焦体，通过采用自裁剪的Linux微内核、开源的嵌入式GUI、嵌入式数据库、嵌入式浏览器和类Java虚拟机，外挂中文环境和TCP/IP、RDP、XDMCP等多种网络协议，可为银行终端、电子政务等信息化应用解决方案提供了一个成熟的技术平台。文章最后针对该平台在农业信息领域的应用前景进行了分析和展望。
关键词: 网络计算机；嵌入式Linux；应用支撑平台
中图法分类号: TP386.6文献标识码: A
1 引言网络计算的概念已经深入到现代生活的各个领域，业界也不断涌现出各种网络设备和系统。网络计算机(Network Computer, NC)正是一种新型的嵌入式网络计算设备。Linux则是一个遵循GPL协议的自由开源操作系统。基于NC-Linux的嵌入式系统具有高性价比高，安全性好，灵活易用，便于维护管理等特点，尤其适合于电子政务、电子农务、信息化教室、电子阅览室、办公自动化、社会保障系统、电子征税、证券交易、营业网吧和银行终端等应用。
2 网络计算机2.1 NC发展随着宽带网络的迅速发展、嵌入式技术的渗透、B/S模式的风靡、Linux的日趋成熟以及电子政务等等因素都给网络计算机再次注入了无限生机与活力，也提供了一个更成熟的发展机遇，成为业界的一个热门话题。据CCID调查显示[4]，2003年仅国内大陆NC销量已达20万台，与2002年相比增长了10倍，其应用主要集中于教育、政府、企业办公、金融等领域。在未来2-4年内国内NC市场将进入一个快速发展期，电信、农业、卫生等行业很可能将成为NC市场的新亮点。
2.2 NC产业链
NC产业链涵盖了中央处理器、操作系统、硬件制造、应用软件、解决方案、系统集成、支持服务等各个环节。据统计[4]，仅2003年我国PC机的销售量高达1200万台，但它们绝大部分是采取Wintel构架，其核心技术就是英特尔x86架构的CPU和微软的Windows操作系统。这相对于我们而言意味着很高的技术壁垒、知识产权壁垒以及成本问题，在相当长的一段时间内是很难逾越的。另一方面，NC对处理器的运算能力和功耗的要求都不高，完全可以借其作为国产CPU推广应用的切入点。目前国内具有自主知识产权的 “龙芯”和“方舟”处理器都支持Linux，因此可以带动国产操作系统如红旗Linux、中软Linux以及相关软件的发展。换句话说，发展NC不仅积极地支持国产CPU芯片，推动软件产业发展，还能满足于电子政务、电子农务、网络教育、社区服务等信息化发展的需要。去年12月“龙芯产业化联盟”的成立标志着我国NC产业链很快将步入一个新的蓬勃发展期。从某种意义上讲，完善发展以网络计算机为核心的NC产业链将会为解决从核心技术、市场利润到信息安全等一系列问题提供了一个契机、一种途径，这也是政府鼓励发展NC的直接动力。
3 应用支撑平台
本基于NC-Linux的嵌入式应用支撑平台(公共软件环境)的构建，需要在裁减Linux内核的基础上绑定嵌入式图形用户界面、嵌入式(移动)数据库、嵌入式Web浏览器、外挂中文平台和类Java虚拟机等。此外，该平台还需要支持TCP/IP、RDP、XDMCP等多种协议，附带外挂中文平台，支持WBT/LBT、B/S和本地三种工作模式，并允许进一步开发或灵活定制各种应用程序。
3.1 微处理器
网络计算机采用的微处理器架构大多为x86、ColdFire、MIPS、Strong ARM、PowerPC、M68K等。而国内以“龙芯”、“方舟”和“众志”为代表的国产嵌入式CPU已异军突起，成为颇具潜力的竞争者。
目前国内市场上较为理想的NC开发板是由神州龙芯公司自行设计生产的。它采用国内著名的兼容MIPS指令集的32位处理器“龙芯一号”[5]，最高主频可达266MHz，功耗≤0.4w。另外采用台湾ITE公司生产的IT8172G系统芯片组，支持PCI2.1总线规范，并集成USB1.1、AC97音频、PCI-IDE通道以及读卡器等多种外围设备。
3.2 嵌入式操作系统
在操作系统方面以WinCE、PalmOS、Linux、Vxwork、pSOS等为主。其中Linux内核是遵循GNU GPL协议的一个自由开源软件，用户可以根据需要修改源代码、编译和重新发布。它遵循POSIX标准，具有高稳定性、安全性、开放性和可移植性等特点，可为我国的操作系统软件开发商提供了一个良好的发展机会，从而打破国外厂商在计算机操作系统上的垄断地位。目前我国已有多家公司和机构致力于Linux的研究，其中红旗Linux、中软Linux，凯思昊鹏的Hopen等已成功地应用于多个领域。
构建NC-Linux应用支撑平台需要修改内核源代码，开发相应的硬件驱动程序，然后交叉编译内核并下载至目标板中。主要有5个子系统组成[3]：
1)进程调度(SCHED)控制着进程对CPU的访问。
2）内存管理（MM）允许多个进程安全地共享主内存区域。Linux内存管理支持虚拟内存，即在计算机中运行的程序，其代码、数据和堆栈的总量可以超过实际内存大小，由内核负责在磁盘和内存之间的块交换。
3）虚拟文件系统（VFS）隐藏了各种不同硬件的具体细节，为所有设备提供了统一接口。虚拟文件系统可分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指Linux内核所支持的文件系统，如ext2、fat、squashfs、minix等；设备驱动程序指为每一种硬件控制器编写的驱动模块。
4）网络接口（NET）提供对各种网络协议标准的支持。
5）进程间通信（IPC）用于实现进程间各种通信机制。进程调度在嵌入式Linux内核中处于中心位置，其它子系统都依赖于它。调度策略算法直接影响到嵌入式Linux的实时性能。
嵌入式Linux内核子系统及关系图如下：
目前Linux内核的最新稳定版本为2.6.5，测试版本为2.5.75。
3.3 嵌入式GUI
面向嵌入式Linux 系统的图形用户界面主要有XFree86、MicoroWindows/NanoX、OpenGUI、Qt/Embedded以及清华大学魏永明老师组织开发的 MiniGUI。
XFree86是开放源码的 X Window系统，它是 Unix 和Linux 上最常用的窗口系统之一。XFree86不大但很有效，可以运行在为数众多的硬件上，它对网络透明并且有良好的文档说明。X11 为窗口管理、事件处理、同步和客户机通信提供了强大的功能。它具有对帧缓冲区(FrameBuffer)的内核支持，而且占用较少的资源，因此适用于内存相对较少的设备。另外X服务器还可以支持 VGA 和非 VGA 图形卡。MicroWindows 是另一个基于客户/服务器体系结构的 GUI 系统，它分为三层。最底层是面向图形输出和键盘、鼠标或触摸屏的驱动程序；中间层提供底层硬件的抽象接口，并进行窗口管理；最高层分别提供兼容于 X Window 和 Windows CE（Win32 子集）的 API。OpenGUI目前已支持多种显示模式和操作系统平台，如 MS-DOS、QNX 和 Linux 等，不过仅支持 x86 硬件平台。Qt/Embedded是著名的TrollTech开发商所发布的面向嵌入式系统的 Qt 版本。Qt/Embedded 库主要针对手持式信息终端，因为对硬件加速支持的匮乏，所以很难应用到对图形速度、功能和效率要求较高的嵌入式系统当中，比如机顶盒、游戏终端等等。MiniGUI则是国内最好的开源项目之一，它对实时嵌入式Linux系统提供了一个轻量级的图形用户界面接口，而且已被证明可以在 ARM、MIPS、StrongARM 以及 PowerPC 等嵌入式系统上流畅运行。
3.4 嵌入式数据库
目前嵌入式的数据存储方案有Berkeley DB、SQLite等良好的嵌入式数据库。它们速度快，性能良好，体积小巧，伸缩性强，此外，最有吸引力的特点就是开放源代码。商业化嵌入式数据库还有Progress、Cloudscape等。国内嵌入式数据库主要有人大 "小精灵"、北京大学的ECOBASE以及东大阿尔派的OpenBase等。它们具有伸缩性强的特点，支持基本的SQL和ODBC，还可以与Oracle、SYBASE、SQL SERVER等进行数据交换。
3.5 类Java虚拟机
Sun推出的J2ME（Java 2 Micro Edition）包括两个基本配置集：CDC（Connected Device Configuration, 连接设备配置集）和CLDC（Connected Limited Device Configuration, 连接有限设备配置集）。其中CLDC面向资源有限的消费类电子设备，CDC则面向具有更强计算能力的嵌入式设备。它们分别对应于两种虚拟机KVM（Kilobyte Virtual Machine）以及 CVM（Compact Virtual Machine）。其中的CVM包含Java虚拟机简表界面规范JVMPI 和调试界面规范JVMDI。
面向Linux的Sun Java虚拟机虽然在一定条件下允许以二进制方式免费提供，但仅针对个别硬件平台，如x86架构，不属于开源社区。因此另一种“净室”开放源码的JVM 实现－Kaffe成为为数不多的一个替代选择。
3.6 嵌入式浏览器
嵌入式浏览器的运用非常广泛，几乎所有的网络接入设备都要用到。嵌入式浏览器方面有Access Net Front，Lineo Embed ix，微软Packet IE等，国内有Hopen Browser，深圳茁壮iPanel等[7]。众多开源的嵌入式Web浏览器有Mozilla、Dillo、Konqueror等。其中Mozilla为Netscape的开源项目，而Dillo则基于Gnome，支持html 4.0，轻巧易用，适合于支撑平台。
3.7 支撑平台原理图
4 面向农业信息领域我国作为世界上最大的发展中国家和传统农业大国，农业信息化建设有着广阔的发展前景和空间。但计算机普及率不高、农村信息基础设施薄弱等问题也一直限制着我国农业农村信息化的发展。
电脑农业的核心内容为电子农务，而我国的电子农务还处于起步阶段。一些发达地区的电子农务已经初具规模，但多数地区还只是处于概念阶段，大量工作需要进一步的探索和创新才能使电子农务深入到农村的每一个角落。
基于上述NC-Linux支撑平台的农业应用，对于解决我国当前农业和农村信息化发展的“瓶颈”问题有重要的意义。它具备以下特点：1)面向农业信息领域，较高性价比，符合国情；2)突破国外微处理器与操作系统的限制，具有一定的自主知识产权；3)多模式运行，有足够的灵活性；4)支持可定制的分布式与构件化设计，具有良好的扩展功能；5)解决了高技术与傻瓜化的矛盾，促进农业生产和经营活动。
在农业方面，典型的NC应用有农业智能专家系统、农务通、农产品电子交易终端等。
5 结束语
简之，发展高性价比的基于NC-Linux应用支撑平台的农业信息技术对于迅速普及和渗透农业农村生产、流通、消费等社会经济环节，提高我国农业生产力水平、缩小与发达国家之间的差距，实现农业的跨越式发展，促进NC产业链的形成与完善都有着不可低估的意义。
参考文献:
[1] Zhu Zhenmin. Embedded Linux and Network Computer Application[R].
Chinese
Academy of Sciences.
[2] 张伟. 网络终端机(NC)在企业信息化工程中的应用研究[D]. 福建:福州大学,1994.
[3] 王海兵. 嵌入式Linux的应用与研究[D]. 云南:昆明理工大学,2002.3
[4] http://www.linuxaid.com.cn
[5] http://www.china-cpu.org.cn/
[6] 凌明,郑凯东,胡晨等. 嵌入式操作系统内核的实现[J]. 江苏:电子器件,1999.12
张丙晨. 基于Linux的嵌入式系统的技术及应用[D]. 北京:铁道部科学研究院,2001
我要学车网：http://www.51xc.cn
