摘  要： 目前，嵌入式支付應(yīng)用開(kāi)發(fā)受到硬件開(kāi)發(fā)板不足、燒片時(shí)間長(zhǎng)、調(diào)試不方便等因素影響，面臨著應(yīng)用開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的問(wèn)題。為了解決以上問(wèn)題，研究了某個(gè)嵌入式支付系統(tǒng)，并在Windows環(huán)境下開(kāi)發(fā)了該嵌入式支付系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的嵌入式支付系統(tǒng)模擬器。所開(kāi)發(fā)的嵌入式支付模擬器基于軟件模擬硬件功能的基本思想，通過(guò)Windows現(xiàn)有API對(duì)嵌入式支付系統(tǒng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行模擬；在保持對(duì)外接口不變、模擬函數(shù)功能的原則下，對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行模擬；擴(kuò)展資源工具，實(shí)現(xiàn)中間層的移植；通過(guò)配置文件，解決了模擬器適用于不同機(jī)型的問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面的輸入和輸出；通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamic Link Library，DLL）隔離、宏隔離以及區(qū)域隔離，解決Windows相關(guān)API隔離。

　　關(guān)鍵詞： 嵌入式；模擬器；系統(tǒng)模擬；驅(qū)動(dòng)模擬

0 引言

　　隨著生活水平的提高和社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電子產(chǎn)品的需求也越來(lái)越大，這大大促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展壯大。無(wú)論是銀行取錢(qián)的ATM（Automated Tellermachine，自動(dòng)取款機(jī)），還是通信使用的手機(jī)，甚至是日常小朋友玩的智能玩具中的一塊小芯片都離不開(kāi)嵌入式技術(shù)，可以說(shuō)嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)遍及人們生活的各個(gè)方面[1]。嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品各種各樣，不僅在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并且對(duì)人們的生活和社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響。隨著消費(fèi)者對(duì)嵌入式產(chǎn)品使用需求的擴(kuò)大，需要開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)出更高性能的軟硬件系統(tǒng)，同時(shí)也將導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)難度越來(lái)越大。嵌入式開(kāi)發(fā)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)碰到軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)、嵌入式產(chǎn)品硬件資源非常昂貴、涉及軟硬件知識(shí)以及開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)[5]等問(wèn)題[2-4]。

　　為了解決以上問(wèn)題，本文研究和開(kāi)發(fā)了一個(gè)在Windows環(huán)境下的嵌入式支付系統(tǒng)模擬器，模擬嵌入式支付系統(tǒng)的部分功能，實(shí)現(xiàn)在模擬器上進(jìn)行部分應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和調(diào)試，并且在應(yīng)用程序盡可能少地修改甚至不修改的情況下，能夠在嵌入式支付真機(jī)上正常地運(yùn)行起來(lái)。

1 嵌入式支付系統(tǒng)模擬器的體系結(jié)構(gòu)

　　1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出系統(tǒng)包括3個(gè)部分：真機(jī)輔助工具、人機(jī)交互以及模擬器處理。

　　（1）真機(jī)輔助工具模塊

　　真機(jī)輔助工具是指一些輔助工具的集合，這些工具的目的是加快嵌入式支付應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。目前系統(tǒng)擁有資源工具，該工具是一個(gè)由MFC開(kāi)發(fā)的WIN32應(yīng)用程序，它能夠產(chǎn)生嵌入式支付應(yīng)用程序所需的菜單數(shù)據(jù)。

　　（2）人機(jī)交互模塊

　　主控模塊控制模擬環(huán)境。該模塊包含人機(jī)交互界面和人機(jī)交互處理。

　　人機(jī)交互界面：模擬實(shí)現(xiàn)嵌入式支付真機(jī)的界面，并將模擬器處理模塊處理的結(jié)果展現(xiàn)給用戶觀看。

　　人機(jī)交互處理：模擬實(shí)現(xiàn)嵌入式支付系統(tǒng)的按鍵輸入與LCD輸出功能。

　　（3）模擬器處理模塊

　　模擬器處理模塊實(shí)現(xiàn)嵌入式支付系統(tǒng)的模擬，是整個(gè)模擬器的核心部分。該模塊又可以分為3層，分別是中間層、系統(tǒng)層以及配置層。

　　1.2 系統(tǒng)運(yùn)行流程

　　系統(tǒng)的運(yùn)行流程為：（1）系統(tǒng)啟動(dòng)主控線程，通過(guò)配置信息對(duì)象讀取配置文件內(nèi)容；（2）主控線程根據(jù)窗口配置內(nèi)容繪制人機(jī)交互界面，接著根據(jù)模擬器相關(guān)信息對(duì)模擬器環(huán)境進(jìn)行設(shè)置并對(duì)將要運(yùn)行的應(yīng)用DLL加載進(jìn)來(lái)；（3）啟動(dòng)模擬器線程，將應(yīng)用跑起來(lái)；（4）應(yīng)用運(yùn)行，用戶通過(guò)人機(jī)交互界面輸入數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳遞到模擬器線程，模擬器接收用戶的輸入并處理；（5）用戶結(jié)束應(yīng)用，系統(tǒng)結(jié)束模擬器線程；（6）系統(tǒng)結(jié)束主控線程。

2 嵌入式支付系統(tǒng)模擬器的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 配置層的實(shí)現(xiàn)

　　配置層包括配置信息以及配置信息對(duì)象。配置信息是一個(gè)數(shù)據(jù)文件，它的數(shù)據(jù)框架由模擬器可配置信息組成，具體內(nèi)容由用戶填充。配置信息對(duì)象是一個(gè)類(lèi)，它提供統(tǒng)一的接口給用戶操作配置信息。

　　模擬器系統(tǒng)采用配置信息可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：機(jī)型的可選性和應(yīng)用的動(dòng)態(tài)加載。因?yàn)榍度胧街Ц断到y(tǒng)適用于多種機(jī)型，對(duì)于不同的機(jī)型，它們的差異只是人機(jī)交互界面不同、內(nèi)存大小不同、Flash大小不同以及底層驅(qū)動(dòng)的不一致，所以模擬器系統(tǒng)采用配置文件來(lái)動(dòng)態(tài)繪制模擬器人機(jī)交互界面、動(dòng)態(tài)申請(qǐng)模擬器內(nèi)存大小、動(dòng)態(tài)設(shè)置模擬器Flash大小以及動(dòng)態(tài)加載模擬器驅(qū)動(dòng)。因此模擬器系統(tǒng)采用配置信息可以實(shí)現(xiàn)機(jī)型的可選性。對(duì)于同一機(jī)型的不同應(yīng)用程序也同樣可以采用配置文件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載。

　　2.2 基礎(chǔ)系統(tǒng)模擬——“內(nèi)存池”模擬內(nèi)存管理

　　內(nèi)存池技術(shù)提供一種內(nèi)存分配方式，它向系統(tǒng)申請(qǐng)一大塊地址連續(xù)的內(nèi)存，然后根據(jù)自己的需求管理這塊內(nèi)存，如果出現(xiàn)內(nèi)存塊已經(jīng)不夠的情況時(shí)，繼續(xù)申請(qǐng)新的內(nèi)存。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是能夠降低內(nèi)存碎片來(lái)提高性能。

　　在Windows上模擬嵌入式支付系統(tǒng)的內(nèi)存管理，理念上與內(nèi)存池技術(shù)非常類(lèi)似：向Windows系統(tǒng)申請(qǐng)真機(jī)內(nèi)存條同等大小的內(nèi)存，使用該塊內(nèi)存模擬嵌入式支付系統(tǒng)的內(nèi)存管理機(jī)制。其與內(nèi)存池技術(shù)有以下兩個(gè)不同的地方：（1）如果出現(xiàn)內(nèi)存塊不足，拋出異常，而不是繼續(xù)申請(qǐng)；（2）模擬的目的不是為了減低內(nèi)存碎片，而是盡可能模擬嵌入式支付系統(tǒng)內(nèi)存的分配方式。

　　2.3 驅(qū)動(dòng)集模擬

　　2.3.1點(diǎn)陣映射模擬LCD驅(qū)動(dòng)

　　LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）作為輸出設(shè)備，用戶將要顯示的信息傳送到顯示緩沖區(qū)中，然后LCD通過(guò)“點(diǎn)燈”的方式將其顯示出來(lái)。在PC上也有LCD，是否可以通過(guò)PC上的LCD來(lái)模擬嵌入式支付真機(jī)的LCD？答案是可以的，只需要在PC上模擬嵌入式支付系統(tǒng)的LCD驅(qū)動(dòng)即可。在PC上模擬LCD驅(qū)動(dòng)就是將需要顯示的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)繪制到PC的LCD上，目前WIN32將一個(gè)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)顯示到LCD上可以有以下兩種方式：（1）采用DOS下漢字的顯示原理，利用SetPixel函數(shù)將點(diǎn)陣數(shù)據(jù)一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地畫(huà)，這種方式的好處是彩屏的繪制，但是繪制速度慢；（2）直接利用緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建BMP對(duì)象，這種方式可以快速地刷屏，但是只能實(shí)現(xiàn)單色繪制[6]。本系統(tǒng)借鑒這兩種方法，采用雙緩沖機(jī)制，利用SetPixel函數(shù)將點(diǎn)陣數(shù)據(jù)繪制到一個(gè)中間DC（Device Context，設(shè)備描述表）中，在一定的條件下將該塊DC繪制到屏幕上。這樣既可以實(shí)現(xiàn)彩屏的繪制，繪制速度也可以控制。

　　2.3.2文件模擬Flash驅(qū)動(dòng)

　　Flash是一種存儲(chǔ)芯片，它是嵌入式支付真機(jī)重要組成部分。它不僅可以保存用戶的應(yīng)用信息，也可以保持系統(tǒng)的配置信息[7]。

　　Flash其實(shí)是一大塊連續(xù)的地址區(qū)域，該區(qū)域里面的數(shù)據(jù)是可讀寫(xiě)、可永久保存的。因?yàn)镕lash的空間比較大，如果直接用內(nèi)存去模擬Flash，可能會(huì)導(dǎo)致一些配置比較低的PC內(nèi)存不夠。模擬器系統(tǒng)根據(jù)Flash可永久保存特性，采用文件對(duì)Flash進(jìn)行模擬。把文件看成是一大塊連續(xù)的地址空間，打開(kāi)文件后可以獲取該地址空間的首地址，加上偏移地址就可以獲得相應(yīng)的地址空間。這樣Flash驅(qū)動(dòng)的模擬就變得簡(jiǎn)單了，通過(guò)WIN32對(duì)文件的打開(kāi)、地址偏移、讀取、寫(xiě)入、關(guān)閉函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)Flash驅(qū)動(dòng)的初始化、讀取、寫(xiě)入和擦除等操作。

　　2.4支付業(yè)務(wù)支撐模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　支付業(yè)務(wù)支撐模塊是與支付應(yīng)用直接相關(guān)的模塊，該模塊為支付應(yīng)用提供銀行卡卡號(hào)信息和部分加密算法。支付具體的流程由于不同銀行的支付協(xié)議不一致導(dǎo)致各不相同，因此具體的支付處理由應(yīng)用層程序根據(jù)不同的需求實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用，而嵌入式支付系統(tǒng)只提供用戶刷卡的銀行卡信息以及提供常見(jiàn)的幾個(gè)加密算法。

　　嵌入式支付系統(tǒng)由于嵌入式資源的限制，并不能包括所有的加密算法。其加解密算法包括des和3des的加解密。該部分內(nèi)容可以直接移植到模擬器中，不需要進(jìn)行修改。

　　2.5 中間層的移植

　　在嵌入式支付系統(tǒng)中封裝一個(gè)middleware（中間層），該層的內(nèi)容是對(duì)底層信息的封裝，供給應(yīng)用程序直接使用。目前模擬器系統(tǒng)middleware有GDI子系統(tǒng)、GUI子系統(tǒng)和DB子系統(tǒng)。GDI（Graphics Device Interface，圖形設(shè)備接口）對(duì)底層LCD驅(qū)動(dòng)進(jìn)行封裝，提供接口給GUI模塊和應(yīng)用程序調(diào)用。嵌入式支付系統(tǒng)中GDI模塊包括動(dòng)態(tài)繪制區(qū)、繪圖、貼圖、文字、光標(biāo)、滾動(dòng)條和開(kāi)機(jī)啟動(dòng)提示。在LCD驅(qū)動(dòng)已經(jīng)完成模擬的前提下，GDI調(diào)用LCD驅(qū)動(dòng)接口完成繪制操作。在模擬器系統(tǒng)中，大部分GDI操作可以直接從嵌入式支付系統(tǒng)中移植，而以下兩部分內(nèi)容則需要模擬：（1）對(duì)char進(jìn)行位操作實(shí)現(xiàn)相應(yīng)bit位的讀寫(xiě)、取反實(shí)現(xiàn)GDI中bit操作；（2）模擬器系統(tǒng)中采用直接讀取文字的bin文件來(lái)模擬文字的點(diǎn)陣信息的查詢操作。

　　2.6 WIN32函數(shù)隔離的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　嵌入式支付系統(tǒng)參考WIN32中的UI設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了適合其終端應(yīng)用的GUI子系統(tǒng)。這樣設(shè)計(jì)既方便不同產(chǎn)品、項(xiàng)目界面風(fēng)格的統(tǒng)一，也方便應(yīng)用對(duì)操作界面的開(kāi)發(fā)。但它給嵌入式支付系統(tǒng)帶來(lái)便利的同時(shí)也給模擬器系統(tǒng)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：嵌入式支付系統(tǒng)GUI函數(shù)與WIN32中GUI函數(shù)存在大量重名，而且兩者的函數(shù)是不可替代的。例如在WIN32的GUI模塊中擁有CreateWindow函數(shù)，在嵌入式支付系統(tǒng)中的GUI模塊中也有CreateWindow函數(shù)，并且兩者的參數(shù)與實(shí)現(xiàn)功能不一致。又因?yàn)檎麄€(gè)嵌入式支付系統(tǒng)采用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言共同開(kāi)發(fā)，所以模擬器系統(tǒng)需要解決一個(gè)大問(wèn)題：C環(huán)境下如何使得重名函數(shù)共存，并且使其調(diào)用不發(fā)生混亂，即在主控系統(tǒng)中調(diào)用的是WIN32中的GUI函數(shù)，而在模擬器應(yīng)用程序中調(diào)用模擬器GUI函數(shù)。如圖2所示，本系統(tǒng)提出利用DLL隔離、宏隔離以及區(qū)域隔離3種方式共同處理該問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

　　硬件環(huán)境：CPU為Pentium4及以上；內(nèi)存為1 024 MB及以上；可用硬盤(pán)空間為1 024 MB及以上。

　　軟件環(huán)境：操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 7；開(kāi)發(fā)工具為VS2010；開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C和C++混合編程。

　　3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　移植計(jì)算器應(yīng)用（如圖3所示）、菜單應(yīng)用、萬(wàn)年歷應(yīng)用程序到模擬器上進(jìn)行測(cè)試，移植過(guò)程沒(méi)有進(jìn)行源代碼的修改，只是將其轉(zhuǎn)換為DLL，運(yùn)行結(jié)果與嵌入式支付真機(jī)上一致。

　　從測(cè)試結(jié)果可得出以下結(jié)論：

　　（1）模擬器的可靠性：實(shí)際運(yùn)行在嵌入式支付真機(jī)上的4個(gè)應(yīng)用程序源碼保持不變，只是將其轉(zhuǎn)換為DLL，通過(guò)X86VC編譯器編譯后可以運(yùn)行在模擬器上，并且其結(jié)果與真機(jī)上的結(jié)果保持一致。通過(guò)以上4個(gè)應(yīng)用程序的測(cè)試，說(shuō)明該模擬器是可靠的。

　　（2）模擬器應(yīng)用開(kāi)發(fā)的優(yōu)越性：將應(yīng)用程序移植到模擬器上之后，只需將該DLL配置到應(yīng)用啟動(dòng)項(xiàng)中就可以直接運(yùn)行，期間遇到問(wèn)題可以直接使用VS2010的調(diào)試工具進(jìn)行調(diào)試。因此在模擬器上開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序不需要真機(jī)，不需要燒片時(shí)間，可以通過(guò)VS2010提供的調(diào)試工具進(jìn)行調(diào)試，大大加快了應(yīng)用的開(kāi)發(fā)測(cè)試速度。

4 結(jié)論

　　本文研究和開(kāi)發(fā)了一個(gè)在Windows環(huán)境下的嵌入式支付系統(tǒng)模擬器，該模擬器基于功能模擬的基本思想，通過(guò)Windows現(xiàn)有API模擬基礎(chǔ)系統(tǒng)，提出了保持對(duì)外接口不變、模擬函數(shù)功能的原則，實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動(dòng)的模擬。通過(guò)配置文件，解決了模擬器適用于不同機(jī)型的問(wèn)題。本文還提出同時(shí)利用DLL隔離、宏隔離以及區(qū)域隔離3種方式，解決了C環(huán)境下重名函數(shù)共存，并且調(diào)用不混亂的問(wèn)題。

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