Windows CE在嵌入式工業(yè)控制系統中的應用思考

摘要：　隨著(zhù)應用對象的擴大和微電子技術(shù)、軟件技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統逐漸從單片機發(fā)展到高性能嵌入式微處理器和嵌入式操作系統。本文詳細分析Windows CE 3.0的實(shí)時(shí)性、通用性、模塊化、Win32兼容等性能特點(diǎn)。根據工業(yè)控制系統對系統平臺的一般要求，如實(shí)時(shí)性、可靠性、圖形界面、開(kāi)發(fā)環(huán)境和成本等，分析Windows CE在工業(yè)控制領(lǐng)域的優(yōu)缺點(diǎn),并指出Windows CE在工業(yè)控制中有很好的應用前景。

關(guān)鍵詞：　嵌入式系統 Windows CE 工業(yè)控制系統

1 嵌入式系統

　　嵌入式系統（Embedded System）是指有特定功能或用途的計算機硬、軟件的集合體，分為嵌入式軟件系統和嵌入式硬件系統。在智能控制設備、便攜式智能儀器等應用場(chǎng)合，出于對產(chǎn)品體積、成本等諸因素的考慮，往往要求將智能控制部分安裝于設備內部，且占用的空間盡可能小，在這種情況下，處理器沒(méi)有一般意義的硬盤(pán)，只有有限容量的內存及常用的Flash電子盤(pán)，這樣的系統稱(chēng)為嵌入式系統。嵌入式系統的操作系統和功能軟件集成于計算機硬件系統之中，也就是軟件與硬件的一體化。嵌入式系統目的性或針對性很強，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應速度快等特點(diǎn)，這也是與通用計算機系統的最主要區別。嵌入式技術(shù)與實(shí)時(shí)性有著(zhù)必然的聯(lián)系。

2 從單片機的應用發(fā)展到嵌入式操作系統

　　嵌入式系統開(kāi)始于20世紀80年代單片機的使用。單片機技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，且與人們的日常生活密不可分，給人們生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)極大方便。單片機的功能強大，從信號采集、處理到傳輸都能由單片機來(lái)完成。但是，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的來(lái)臨，許多電子設備需要聯(lián)網(wǎng)和更智能化、更強的計算能力，比如音頻、視頻的數據采集、處理和傳輸；豐富的圖形界面等。

　　單片機越來(lái)越不能滿(mǎn)足應用對象的需求，開(kāi)發(fā)工作也變得越來(lái)越復雜、龐大。隨著(zhù)微電子技術(shù)的進(jìn)步，芯片的制造成本大大降低，而功能卻大大增強，16位和32位的嵌入式微處理器逐漸成為嵌入式系統設計的主流。但是，只有嵌入式微處理器是不夠的，OEM（原始設備制造商）還需要有一個(gè)運行于嵌入式微處理器上的操作系統。嵌入式操作系統要有良好的可移植性，能夠用在根據應用要求選擇的微處理器中；軟件開(kāi)發(fā)工作變得規范，容易測試，可實(shí)現模塊化編程，同時(shí)由多個(gè)人共同完成1個(gè)任務(wù)；解決已往開(kāi)發(fā)產(chǎn)品存在的諸多不安全隱患。很多軟件廠(chǎng)商迎合嵌入式系統發(fā)展的需要，推出了多種不同特點(diǎn)的嵌入式操作系統。例如Microsoft公司的Windows CE、3COM公司的Palm OS，Symbian公司的EPOC、中科院凱思集團的HOpen以及Linux等。

3 Windows CE 3.0實(shí)時(shí)操作系統及其性能分析

3.1 Windows CE

　　Windows CE操作系統是微軟為實(shí)現"信息隨手可得"的設想而努力開(kāi)發(fā)的成果。通過(guò) Windows CE，微軟提供了標準的開(kāi)放式平臺，極大地減少了硬件制造商(IHV)、軟件開(kāi)發(fā)商(SHV)以及最終將采納新一代非 PC 技術(shù)解決方案的客戶(hù)多方之間的矛盾。Windows CE是一個(gè)功能強大的開(kāi)放的32位實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，適用于快速構建新一代內存少、體積小的智能設備。例如工業(yè)控制器、手持式設備、智能電話(huà)、機頂盒和零售點(diǎn)設備等。目前的掌上電腦(PDA)、全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)、車(chē)載PC(Auto PC)，有很多采用Windows CE操作系統。

3.2 Windows CE 3.0性能特點(diǎn)

　　Windows CE是一個(gè)搶先式多任務(wù)并具有強大通信能力的嵌入式操作系統。它是一個(gè)全新的、可移植的、實(shí)時(shí)的、模塊化的操作系統，具有流行的微軟程序開(kāi)發(fā)界面，提供許多快速開(kāi)發(fā)嵌入式系統的工具。

　?。?SPAN lang=EN-US>1） 新內核

　　Windows CE看上去和Windows 9X/NT很像，但它不是這些操作系統的簡(jiǎn)化版，也不是從這些系統移植過(guò)來(lái)的。Windows CE具有全新的內核和任務(wù)調度、內存管理策略。

　?。?SPAN lang=EN-US>2） 可移植性

　　由于Windows CE操作系統幾乎完全是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，所以可移植到眾多的32位微處理器上；支持各種處理器家族，包括x86、PowerPC、ARM、MIPS和SH等系列。微軟為每個(gè)支持的處理器家族提供完整的系統庫。Windows CE可以通過(guò)OEM適配層OAL(OEM Adaptation Layer)適配到任何硬件平臺。OAL是駐留在CE內核和硬件之間的代碼層。原始設備制造商使用這些代碼把CE適配到自己的硬件上。OAL鏈接CE的內核和定制的硬件。

　?。?SPAN lang=EN-US>3） 實(shí)時(shí)性

　　Windows CE 2.1及其以前的版本實(shí)時(shí)性能不強，但Windows CE 3.0及以后的版本實(shí)時(shí)性能得到明顯改善。Windows CE 3.0的實(shí)時(shí)性能主要通過(guò)以下技術(shù)實(shí)現：支持嵌套中斷，高優(yōu)先級的中斷并不需要等待低優(yōu)先級的中斷服務(wù)例程（ISR）完成；256個(gè)線(xiàn)程優(yōu)先級，可以靈活調度嵌入式系統的任務(wù)；通過(guò)固定高優(yōu)先級中斷服務(wù)線(xiàn)程（IST）的最大調度延遲改善線(xiàn)程響應時(shí)間；使用API函數CeSetThreadQuantum 和 CeGetThreadQuantum修改操作系統中線(xiàn)程的線(xiàn)程量；中斷服務(wù)子程序的響應時(shí)間非常短；支持信號量。在基于Windows CE的參考平臺上，使用Hitachi SH3微處理器，系統可以在2~5μs內啟動(dòng)一個(gè)中斷服務(wù)例程（ISR），在 90~170μs內啟動(dòng)相應的中斷服務(wù)線(xiàn)程。如果考慮其它因素，如CPU類(lèi)型、時(shí)鐘頻率、總線(xiàn)速度等的影響，許多實(shí)際的基于Windows CE平臺的響應時(shí)間更短。

　?。?SPAN lang=EN-US>4） 模塊化

　　由于存儲器資源在移動(dòng)和嵌入式設備中非常有限，Windows CE設計成一個(gè)模塊化操作系統，設計者只需選擇那些需要的模塊以滿(mǎn)足指定平臺的存儲器要求。Windows CE的結構如圖1所示，主要包括4個(gè)模塊：內核（Kernel）、圖形窗口事件子系統（GWES）、文件系統（Filesys）和通信模塊（Communications）。Kernel負責中斷處理、進(jìn)程和線(xiàn)程管理、虛擬內存管理和其它相關(guān)任務(wù)；GWES（Graphics Windowing and Events Subsystem）相當于桌面Windows的圖形設備接口GDI和用戶(hù)庫；Filesys用于永久存儲，包括文件系統、注冊表和數據庫；Communications模塊負責與桌面PC、其它CE設備和因特網(wǎng)的互聯(lián)。每個(gè)模塊又分成許多小組件。裁減Windows CE時(shí)，可以只選擇那些需要的組件。



　?。?SPAN lang=EN-US>5） Win32兼容性

　　Windows CE采用與Windows 95/NT相同的編程模型，它的API是Win32 API的一個(gè)子集，大約有600個(gè)API函數，可以實(shí)現所有的嵌入式應用。CE只支持UNICODE碼，CE API刪除了Win32 API中包含ANSI字符串參數的函數。CE還支持當前流行的軟件技術(shù)和運行庫，如MFC(Microsoft Foundation Class)、ATL(Active Template Library)、EVC(Embedded Visual C )、EVB(Embedded Visual Basic)。Win32的兼容性可以容易地把現成的Windows應用程序移植到Windows CE中。目前有許多開(kāi)發(fā)人員精通Windows編程技術(shù)，他們只需學(xué)習很少的知識就可以開(kāi)發(fā)Windows CE應用程序。

　　PC機技術(shù)的發(fā)展必然出現兩極分化：一方面PC機功能將進(jìn)一步加強，達到以前工作站和小型機水平；另一方面，面向普通消費者和特定用途的智能化電子設備將會(huì )大量涌現。后者將會(huì )普遍采用類(lèi)似Windows CE的嵌入式操作系統。

4 Windows CE在嵌入式控制系統中的應用分析

　　嵌入式操作系統是一種應用廣泛的系統軟件，工業(yè)控制是它的傳統應用領(lǐng)域，在這一領(lǐng)域里已有一些比較成功的嵌入式操作系統。但是，隨著(zhù)應用對象的擴大和技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)際應用對工業(yè)控制系統的功能和性能提出了許多新的要求。例如，適應惡劣的工作環(huán)境，熟悉和友好的用戶(hù)界面，統一的編程界面，強大的通信功能和多媒體功能等，這些嵌入式操作系統很難滿(mǎn)足工業(yè)應用的新需要。由于Windows CE 2.1及以前版本的實(shí)時(shí)性較差，在工業(yè)控制領(lǐng)域應用較少，主要應用在移動(dòng)式（或便攜式）產(chǎn)品和信息家電領(lǐng)域。Windows CE 3.0的出現極大地改善了它的實(shí)時(shí)性能，為Windows CE進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域奠定了基礎。

　　雖然Windows CE 3.0作為嵌入式系統平臺在工業(yè)控制領(lǐng)域還未被廣泛采用，但前景非常廣闊。許多著(zhù)名的工業(yè)控制器生產(chǎn)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出基于Windows CE 3.0的工業(yè)控制產(chǎn)品，如西門(mén)子AG公司的多功能操作面板MP系列，Cybectec公司的變電站現代化平臺SMP(Substation Modernization Platform)等。工業(yè)控制操作系統需要嚴格的實(shí)時(shí)處理功能，高可靠性，良好的開(kāi)放性，對人機界面、開(kāi)發(fā)環(huán)境、可操作性、成本等也有特別的要求。

　?。?SPAN lang=EN-US>1） 實(shí)時(shí)性

　　實(shí)時(shí)性是指能夠在限定時(shí)間內執行完規定的功能，并對外部的異步事件作出反應的能力。實(shí)時(shí)性的強弱以完成規定功能和作出響應時(shí)間的長(cháng)短來(lái)衡量。提高硬件的處理能力可以在一定程度上提高計算機控制系統的實(shí)時(shí)性，但是當硬件確定以后，控制系統的實(shí)時(shí)性能主要由操作系統來(lái)決定。無(wú)論從汽車(chē)制造到工業(yè)自動(dòng)化，還是從電子通信到交通運輸，Windows CE 3.0均可為具備確定性響應能力的應用程序提供內建實(shí)時(shí)支持。

　?。?SPAN lang=EN-US>2） 可靠性

　　工業(yè)控制系統對可靠性要求很高，計算機控制系統發(fā)生故障或死機對于企業(yè)安全高效生產(chǎn)帶來(lái)不利的影響?？煽啃灾饕瑑蓚€(gè)方面的含義：一是控制計算機本身要連續穩定運行，二是系統檢查出故障后要有保持安全狀態(tài)的能力。雖然軟硬件抗干擾技術(shù)、熱冗余技術(shù)可以在一定程度上提高工業(yè)控制系統的可靠性，但是操作系統的可靠性仍然影響著(zhù)工業(yè)控制系統的運行。

　　穩定性方面，在實(shí)時(shí)控制操作系統中，一般要提供源代碼或者提供許可證，由控制器生產(chǎn)商來(lái)保證系統的穩定性?？刂破魃a(chǎn)商根據應用需要定制Windows CE操作系統，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的完善和測試以后投入使用。測試的方式和時(shí)間由生產(chǎn)商確定。通過(guò)這種方式定制的操作系統一般情況下可以穩定運行，但微軟公司既沒(méi)有保證Windows CE連續運行的時(shí)間，也不公開(kāi)源代碼。從這個(gè)意義上說(shuō)，Windows CE的穩定性受到質(zhì)疑。此外，在工控設備中，因為產(chǎn)品缺陷而造成事故，廠(chǎng)商要承擔賠償責任。對操作系統也一樣。因此，微軟對這一問(wèn)題的態(tài)度，也是Windows CE能否很好地應用到工業(yè)控制領(lǐng)域的因素之一。

　　從故障角度來(lái)看，實(shí)時(shí)操作系統在應用中是以?xún)群四Ｊ焦ぷ鞯?，應用的故障?huì )立刻造成系統崩潰。Windows CE內核具有內存管理功能，可以檢查出應用造成的系統異常，抑制由于應用不正常直接破壞系統的危險性。所以Windows CE比一般的實(shí)時(shí)系統健壯。

　?。?SPAN lang=EN-US>3） 人機界面

　　不同對象對工業(yè)控制系統的人機界面HMI（Human Machine Interface）要求差別很大。在一般的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統中，圖形功能弱，雖然也有提供圖形庫的，但沒(méi)有更強的功能。Window CE 不僅支持圖形和窗口，具有多媒體功能，而且還可以利用豐富靈活的控件庫在Windows CE環(huán)境下為嵌入式應用建立各種圖形用戶(hù)界面。Windows CE 支持256色，顯示分辨率可以設定，支持觸摸屏。因此，Windows CE 完全可以滿(mǎn)足工業(yè)控制系統對人機界面的要求。

　?。?SPAN lang=EN-US>4） 開(kāi)放性

　　Windows CE具有良好的通信能力，廣泛支持各種通信硬件、局域網(wǎng)連接以及撥號連接，并提供與PC、內部網(wǎng)以及Internet的連接，包括用于應用級數據傳輸的設備至設備間的互連。Windows CE具有良好的可擴展性，用戶(hù)可根據實(shí)際需要定制合適的硬件，開(kāi)發(fā)自己的模塊和組件，集成到運行Windows CE的設備上。

　?。?SPAN lang=EN-US>5） 開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)環(huán)境