中間件思想在嵌入式GIS設計中的應用

關(guān)鍵詞：中間件 嵌入式地理信息系統 適配層

引言

隨著(zhù)計算機軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，應用程序的規模也在不斷擴大。應用范圍也更加廣闊。這不僅存在著(zhù)多種硬件平臺（例如臺式機、嵌入式系統），而且在這些硬件平臺上，通常又存在著(zhù)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）及操作系統軟件平臺（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的硬/軟件平臺上運行。

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上，結合研究項目“嵌入式地址信息系統的開(kāi)發(fā)”來(lái)說(shuō)明如何以中間件的形式設計該系統。

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（硬件和操作系統）和應用之間的通用服務(wù)，這些服務(wù)具有標準的程序接口和協(xié)議。針對不同的操作系統和硬件平臺，它們可以有符合接口和協(xié)議規范的多種實(shí)現。也就是說(shuō)，中間件是位于底層硬件/操作系統平臺之上，應用層之下的中間適配層。該層向下屏蔽掉硬件平臺或操作系統平臺的差異，向上為應用層操作一個(gè)統一的標準接口，應用層的開(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(mǎn)足大量應用的需要；

*運行于多種硬件和OS平臺；

*支持分布計算，提供跨網(wǎng)絡(luò )、硬件和OS平臺的透明性應用或服務(wù)的交互；

*支持標準的協(xié)議；

*支持標準的接口。

在中間件設計思想下，軟件的開(kāi)發(fā)變得更加簡(jiǎn)單。首先，當系統硬件/操作系統平臺改變時(shí)，只需改變中間適配層的幾個(gè)參數，只要保持中間件層對應用層的接口定義不變，就可以直接將應用程序移植過(guò)去運行。所有的代碼只需編寫(xiě)一次就可在任何系統上運行，大大縮短了系統研制的周期，提高了開(kāi)發(fā)效率，同時(shí)還保證了系統的高伸縮性、易升級性穩定性。

其次，由于中間件屏蔽了底層平臺差異，提供了標準的封裝接口，使應用層以組件的形式實(shí)現為可能。用戶(hù)可以根據自己的需要將各個(gè)組件有選擇地進(jìn)行組合，像搭積木一樣，構成自己的應用系統。

世界著(zhù)名的咨詢(xún)機構Standish Group在一份研究報告中歸納了中間件的十大優(yōu)越性：

*縮短應用的開(kāi)發(fā)周期；

*節約應用的開(kāi)發(fā)成本；

*減少系統初期的建設成本；

*降低應用開(kāi)發(fā)的失敗率；

*保護已有的投資；

*簡(jiǎn)化應用集成；

*減少維護費用；

*提高應用的開(kāi)發(fā)質(zhì)量；

*保證技術(shù)進(jìn)步的連續性；

*增強應用的生命力。

1.2 中間件應用現狀及未來(lái)發(fā)展趨勢

中間件的應用范圍十分廣泛，發(fā)展前景非常美好。據有關(guān)機的統計表明，近5年來(lái)，全球中間件的銷(xiāo)售額平均年增長(cháng)率為34%，到2004年總銷(xiāo)售額將達到97億美元。中間件已經(jīng)成為國際IT巨頭競逐的目標，各大軟硬件廠(chǎng)商都在積極參與有關(guān)標準的制定和產(chǎn)品的研發(fā)工作，像IBM、甲骨文、BEA、微軟等都制定了相應的戰略。據估計，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之上。

中間件種類(lèi)繁多，從不同的應用方面及發(fā)展程序上有不同的分類(lèi)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(lèi)。

①數據類(lèi)（data integration）：用于數據的存取、利用和增值，此類(lèi)中間用于構建以數據為中心的應用。

②處理類(lèi)（process integration）：把分布在網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)上的各個(gè)應用或處理連接在一起，形成一個(gè)統一的、協(xié)同工作的分布式應用。

③分布式構件類(lèi)（distributed components）：支持構件式應用，是未來(lái)應用的發(fā)展方向。

據統計，近五年增長(cháng)率最高的中間件集中在消息中間件、交易中間件、對象中間件和應用服務(wù)器中間件、數據訪(fǎng)問(wèn)中間件5種（統計數據如表1所列）。另外，隨著(zhù)網(wǎng)上信息安全問(wèn)題的出現，安全中間悠揚也應運而生。

表1 IDC的市場(chǎng)調查分析

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，負責建立網(wǎng)絡(luò )通信的通道，進(jìn)行數據或文件發(fā)送。消息中間悠揚可以跨平臺操作，為不同操作系統上的應用軟件集成提供方便，從而滿(mǎn)足企業(yè)內部對系統伸縮性和可擴展性的要求。

數據訪(fǎng)問(wèn)中間件能屏蔽不同廠(chǎng)家、不同類(lèi)型數據庫之間的差異，實(shí)現異構數據的共享，從而使得企業(yè)不同時(shí)代、不同地域的寶貴數據能夠充分利用。

對象中間件技術(shù)目前發(fā)展迅速，各大硬軟件廠(chǎng)商都在積極參與有關(guān)標準的制定和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作。面向對象的中間件提供一個(gè)標準的構件框架，能使不同廠(chǎng)家的軟件交互訪(fǎng)問(wèn)，為軟件用戶(hù)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架，屏蔽安全技術(shù)的復雜性，使設計開(kāi)發(fā)人員無(wú)須具備專(zhuān)業(yè)的安全知識背景就能構構造高安全性的應用。

2 中間件思想在嵌入式GIS設計中的應用

我們研制的嵌入式GIS是一個(gè)地理信息的綜合系統。在功能上，該系統包括地圖瀏覽、地理位置報告、目標標繪、地形分析等功能模塊；在硬件平能臺上，系統要求能夠運行于PC臺式機和基于A(yíng)RM處理器的嵌入式系統上；在操作系統平臺上，系統要求能夠運行在Winodws 98/2000、Linux等通用操作系統和VxWorks、Nucleus、WinCE等嵌入式操作系統上；在網(wǎng)絡(luò )通信上，要求系統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。在這些設計要求下，我倦嵌入式地理信息系統開(kāi)發(fā)中，采用中間件的設計思想，保證程序的可移植性，節省人力物力，使研究成果盡快轉化為產(chǎn)品。

系統整體結構如圖1所示。

其中，底層硬件平臺采用我們研制的基于A(yíng)RM微處理器的嵌入式地理信息系統硬件平臺，包括GPS接口、各種存儲介質(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）、人機交互接口等。

軟件平臺可以選用Windows、Linux、WinCE、Nucleus等操作系統，利用該平臺可以屏掉底層硬件平臺的差異。

操作系統適配層（即中間件）定義和設計適合各種操作系統的適配層。該層具備操作系統的主要特征（例如多任務(wù)多線(xiàn)程的封裝、調度），向下與相應的各種操作系統相適配，向上提供與操作系統無(wú)關(guān)的統一接口。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的差異，該層的設計要求與操作系統接口的函數要盡可能少，與硬件系統有關(guān)的代碼也要盡可能的少。

終端軟件框架的設計思想是在操作系統適配層之上，根據地理信息系統這一特殊應用，開(kāi)發(fā)自己GUI、文件系統、內存管理、軍標符號庫、基于消息驅動(dòng)的多窗口控制。人機交互接口、專(zhuān)用的地理信息數據庫、統一接口的適合GIS的通信接口、任務(wù)管理等。

應用層在終端軟件框架的基礎上實(shí)現地圖的瀏覽、編譯、查詢(xún)、標繪，組合導航，地形分析，圖層管理，位置報告等功能，并帶有三維顯示引擎。

這種層文件、模塊化的設計可以保證系統很容易地進(jìn)行擴展，使系統不僅能應用于嵌入地管理信息系統，還可以作為一個(gè)基礎平臺應用于其它應用場(chǎng)合。對系統的升級只需對相應的層進(jìn)行修改即可，而不用重新設計整個(gè)系統。