构筑无所不在计算的基础 —TRON技术体系结构

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■ 东京大学教授 日本泛在网络计算环境研究所所长 坂村健

■ 日本泛在网络计算环境研究所中国室室长 梁 青

 

一、TRON 与T-Engine

TRON（The Real-time Operating system Nucleus）是由日本东京大学坂村健博士于1984年提出的计算机操作系统规范，目的是想构筑一种理想的计算机结构，实现新的计算体系——“普遍存在的计算环境”，亦称“泛在计算环境”。 所谓“泛在计算环境”是指将微型计算机嵌入到日常生活中的所有机器、设备、工具中，通过网络相互通信，协调运行，以实现高度计算机化的社会环境。为了使计算机嵌入到包括移动通信器等在内的各种机器中，需要这种计算机结构必须小型化并有很好的实时性能。为此，1984年坂村健提倡由产业界与学术界联合启动了“TRON项目计划”。

“TRON项目计划”推行了20年，先后推出了ITRON （嵌入式系统用实时操作系统规范）、JTRON（Java与ITRON的混合操作系统规范）、BTRON（计算机及手机信息终端等最终客户直接操作的操作系统规范体系）、CTRON （以通信控制及信息处理为目的的操作系统接口规范）及TRON HMI（面向各种电子机器的人机界面标准）等规范。

由于用TRON作为实时操作系统的嵌入式计算机结构的实时性能超群（与PC机相比实时响应速度要快1000倍），被广泛应用于汽车电子、移动电话、传真机、电视机、录像机、数码相机和其他数字家电等多个领域，成为低价高性能嵌入式系统的典范。将来也有可能成为卫星控制、工业控制、医疗器械等领域的重要技术。

“TRON项目计划”为了向世界推广,一直采用自由开源、“弱标准化”的方针，也曾经出现过多种版本的开发环境及操作系统式样。随着嵌入式系统的高功能、网络化、高度HMI化，软件开发和调试都变得非常复杂。TRON相关软件的可移植性、可重用性出现了问题。加之嵌入软件开发技术人员严重不足，缺乏可以兼容的软件中间件。

为了实现更为理想的实时操作系统的嵌入式计算结构，TRON项目计划开始了一次新的革命——启动了T-Engine项目计划。

“T-Engine”(T引擎)是为在短时间内高效开发实时嵌入式系统而设计的，由标准化硬件结构（T-Engine）与标准开源实时操作系统核心（T-Kernel）组成的嵌入式系统的开放式标准平台。

在T-Engine开发过程中，搭载的CPU为可变的，而规定了其他硬件结构规范、操作系统核心界面规范、对象数据格式规范等要素，使TRON在标准化的基础结构上，具备充分的外围资源及开发环境。这个开放式标准平台结构的最大目标是将CPU从基础结构中独立出来，使在T-Kernel上开发的中间件可不依存于CPU结构而移植。

通过使用丰富的中间件，可以做到大幅度缩短应用系统开发时间及降低成本；通过使用高质量的硬件和软件，可方便地进行调试；在小批量生产时可照原样开发平台；系统既稳定、尺寸又小，很容易使其直接成为商品，可在很短时间内投向市场。

为将T-Engine这种体系结构向世界推广，2002年成立了T-Engine论坛,已经在全世界拥有470家会员公司（截至2004年11月）。

 

二、T-Engine基础结构

T-Engine由硬件和软件环境组成，其中软件环境又包括设备驱动、中间件、开发环境、安全系统等部分，是一个完整的嵌入式计算平台系统。

 

1.  T-Engine 硬件结构规范

根据应用范围，T-Engine硬件平台分为以下4个系列产品。

■ 标准T-Engine（标准T引擎）

面向便携型信息机器及高功能手机电话等，软件规模比较大，且硬件资源也较丰富的嵌入式机器的开发平台。T-Kernel与MMU一起运行。

■ μT-Engine（微型T引擎）

面向家电及计量测绘机器等，软件规模较小的嵌入式开发平台，T-Kernel可以以没有MMU的模式运行，主要是为了进行机器控制的开发用平台，用于可移动信息机器、家用电气及计量测绘机器等的设计开发。

■ nT-Engine（微毫T引擎）

用于照明器具、开关、锁、阀门等小型家电机器中使用的硬币大小的嵌入式机器平台。

■ pT-Engine （微微T引擎）

为了在传感器节点及静止物体控制中使用的单个芯片机器的平台。它根据低耗电型的无线协议进行数据的收发，可以组装到泛在计算环境的所有物品中。

2.  T-Engine软件结构规范

T-Engine的软件环境主要包括T-monitor、T-Kernel、T-kernel的各种扩展、标准设备驱动以及中间件等外围软件几个部分。

(1) T-monitor

作为启动实时OS核心及支援调试的软件。

(2) T-Kernel

T-kernel是在标准T-Engine、μT-Engine上运行的标准实时操作系统核心软件。其优点是:第一，对外部要求的高速应答（实时性能）；第二，可以通过动态资源管理功能及单源码原则等，实现在T-kernel上构筑的中间件及应用软件的高度兼容性。  

(3) T-kernel的各种扩展

为了提供更广泛功能的OS的扩展部分，分为“自身扩展部分”(Native Extension)与“移植扩展部分”(Ported Extension)两种。自身扩展部分包括有T-Kernel/TE(Tiny Extension）、T-Kernel/SE(Standard Extension)和T-Kernel/EE(Enterprise Extension)三种。

移植扩展部分是将已有的中间件及Kernel移植到T-Kernel上的部分。现在已经开发出或者正在开发的有以下一些:Windows CE .NET/T-Kernel、T-Wireless、T-Java、T-Linux、T-Integrator等。  

(4) 标准设备驱动

一种用来吸收每个T-Engine机器的硬件差别的软件。在T-Engine上搭载的标准的驱动，规定了标准的API规范。另外，为了便于开发新设备以及专用设备的驱动软件，还将公开设备驱动的参考代码。

(5) 中间件

指在T-Kernel上运行的各种中间件，包括各种网络用的协议堆栈、文件系统、日语处理、假名汉字变换、eTRON相关的安全软件、GUI、声音处理、Java等。为了保证中间件的兼容性，这些可以组合的中间件信息根据T-Format在T-Engine计划的数据库中集中管理，并根据T-Licenst的规定利用T-dist体系广泛传播配发。

(6) 开发环境

在T-Engine基础结构规范中，不对开发环境进行标准化。但为了确保软件的兼容性，有必要规定源代码及二进制代码的标准规范形式。因此，关于源代码及对象代码的形式，规定以gcc中的内容为准。 

3.  T-Kernel与其他OS的混合联接结构:T-Bus

目前，市场上在各个领域中已经存在各种基本软件（Kernel等），还形成了很多软件资产。为了在T-kernel中利用这些软件资产，系统提供称为“T-Bus”的机制。使用它可以使已有的基本软件与T-Kernel在同一台计算机上运行。 

4.  eTRON

T-Engine的设计前提是能随时连接网络。在TRON基础结构中通用的安全基础结构是eTRON（Entity any Economy TRON）。在泛在计算环境中，很有可能通过网络分解的手段被他人偷窥到家中的情况，或被对方窃取控制权。因此，有必要对计算环境的所有机器限制权限，例如，要听从于哪台机器的指示，向何处发送信息等。在使用T-Engine的机器中，将这些访问管理信息作为eTRON的“电子实体”来处理，一般人便可以简单地进行设定，并实现严密的安全管理。