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中間件思想在嵌入式GIS設計中的應用
摘要：介紹中間件的基本概念，包括中間件的定義、特點、應用現狀及未來發展趨勢。在此基礎上，針對嵌入式地理信息系統，給出如何將中間件思想應用在該系統設計上，以滿足系統能夠在各種異構平臺上運行的要求。關鍵詞：中間件 嵌入式地理信息系統 適配層
引言
隨著計算機軟件技術的迅速發展，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，通常又存在著多種的通信介質（例如串口、USB口等）、通信協議（例如TCP/IP等）及操作系統軟件平臺（例如Windows、Linux、Nucleus等）。我們的軟件開發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發”來說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，這些服務具有標準的程序接口和協議。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議規范的多種實現。也就是說，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統一的標準接口，應用層的開發基于該接口進行。在以下定義下，中間件具有如下特點：
*滿足大量應用的需要；
*運行于多種硬件和OS平臺；
*支持分布計算，提供跨網絡、硬件和OS平臺的透明性應用或服務的交互；
*支持標準的協議；
*支持標準的接口。
在中間件設計思想下，軟件的開發變得更加簡單。首先，當系統硬件/操作系統平臺改變時，只需改變中間適配層的幾個參數，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去運行。所有的代碼只需編寫一次就可在任何系統上運行，大大縮短了系統研制的周期，提高了開發效率，同時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現為可能。用戶可以根據自己的需要將各個組件有選擇地進行組合，像搭積木一樣，構成自己的應用系統。
(范文先生網m.baimashangsha.com收集整理)
世界著名的咨詢機構Standish Group在一份研究報告中歸納了中間件的十大優越性：
*縮短應用的開發周期；
*節約應用的開發成本；
*減少系統初期的建設成本；
*降低應用開發的失敗率；
*保護已有的投資；
*簡化應用集成；
*減少維護費用；
*提高應用的開發質量；
*保證技術進步的連續性；
*增強應用的生命力。
1.2 中間件應用現狀及未來發展趨勢
中間件的應用范圍十分廣泛，發展前景非常美好。據有關機的統計表明，近5年來，全球中間件的銷售額平均年增長率為34%，到2004年總銷售額將達到97億美元。中間件已經成為國際IT巨頭競逐的目標，各大軟硬件廠商都在積極參與有關標準的制定和產品的研發工作，像IBM、甲骨文、BEA、微軟等都制定了相應的戰略。據估計，未來基于Internet的電子商務業務將有79%建筑在中間件的基礎之上。
中間件種類繁多，從不同的應用方面及發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說，中間件可以分為以下三類。
①數據類（data integration）：用于數據的存取、利用和增值，此類中間用于構建以數據為中心的應用。
②處理類（process integration）：把分布在網絡結點上的各個應用或處理連接在一起，形成一個統一的、協同工作的分布式應用。
③分布式構件類（distributed components）：支持構件式應用，是未來應用的發展方向。
據統計，近五年增長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器中間件、數據訪問中間件5種（統計數據如表1所列）。另外，隨著網上信息安全問題的出現，安全中間悠揚也應運而生。
表1 IDC的市場調查分析
消息中間件是目前中間件的發燕尾服熱點。它適用于任何需要進行網絡通信的系統，負責建立網絡通信的通道，進行數據或文件發送。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，從而滿足企業內部對系統伸縮性和可擴展性的要求。
數據訪問中間件能屏蔽不同廠家、不同類型數據庫之間的差異，實現異構數據的共享，從而使得企業不同時代、不同地域的寶貴數據能夠充分利用。
對象中間件技術目前發展迅速，各大硬軟件廠商都在積極參與有關標準的制定和產品的開發工作。面向對象的中間件提供一個標準的構件框架，能使不同廠家的軟件交互訪問，為軟件用戶及開發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，屏蔽安全技術的復雜性，使設計開發人員無須具備專業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ARM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；在網絡通信上，要求系統除了能夠支持各種接口及各種通信協議，還能夠支持自己開發的通信協議。在這些設計要求下，我倦嵌入式地理信息系統開發中，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ARM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（例如CF卡、Flash等）、各種接口（例如USB、RS-232串行口、以太網接口）、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（例如多任務多線程的封裝、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關的統一接口。該層包括任務管理、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，開發自己GUI、文件系統、內存管理、軍標符號庫、基于消息驅動的多窗口控制。人機交互接口、專用的地理信息數據庫、統一接口的適合GIS的通信接口、任務管理等。
應用層在終端軟件框架的基礎上實現地圖的瀏覽、編譯、查詢、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，還可以作為一個基礎平臺應用于其它應用場合。對系統的升級只需對相應的層進行修改即可，而不用重新設計整個系統。
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