嵌入式系統的開(kāi)發(fā)利器─ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ操作系統

摘要：從系統結構、硬件要求、設計開(kāi)發(fā)和應用領(lǐng)域等方面詳細介紹了美國微軟公司最新的３２位Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ操作系統。

關(guān)鍵詞：操作系統 嵌入式系統 模塊化設計

１ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系統簡(jiǎn)介

Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ＣＥ）是美國微軟公司專(zhuān)門(mén)為各種移動(dòng)和便攜電子設備、個(gè)人信息產(chǎn)品、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、嵌入式應用系統等非臺式或筆記本電腦領(lǐng)域設計的一種３２位高性能操作系統。它具有一個(gè)簡(jiǎn)捷、高效的完全搶先式多任務(wù)操作核心，支持強大的通信和圖形顯示功能，能夠適應廣泛的系統需求。ＣＥ操作系統的主要特點(diǎn)包括：

·兼容于微軟公司的視窗（Ｗｉｎｄｏｗｓ）ＰＣ電腦操作系統，支持超過(guò)１０００個(gè)常用的３２位視窗應用程序接口函數（Ｗｉｎ３２ＡＰＩ），支持高分辨率真彩色顯示，為應用軟件提供了強大的運行平臺。

·對硬件沒(méi)有任何特殊要求，允許系統設計者根據所開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的要求自由選擇硬件，同時(shí)提供最廣泛的硬件設備支持，包括通信接口、顯示和打印設備、輸入輸出設備、音頻設備、網(wǎng)絡(luò )和存儲設備等。

·支持多達數十種不同的３２位微處理器芯片，包括Ｉｎｔｅｌ和ＡＭＤ公司的Ｘ８６系列、摩托羅拉公司的ＰｏｗｅｒＰＣ、日立公司的ＳＨ３系列、東芝公司的ＭＩＰＳ系列以及ＰＨＩＬＩＰＳ、ＮＥＣ公司的處理器產(chǎn)品等。

·采用模塊化結構，配置靈活，運行時(shí)僅需很少的存儲器（ＲＡＭ）資源，并且是目前唯一的可以從ＲＯＭ（只讀存儲器）中直接啟動(dòng)的３２位操作系統，能夠滿(mǎn)足具有嚴格硬件資源限制的系統要求。

由于其本身具有的出色性能，ＣＥ系統自１９９６年底面世之后，迅速在國外最新一代的工業(yè)和家用電子設備中得到了廣泛應用。在美國，僅基于ＣＥ系統的掌上電腦產(chǎn)品銷(xiāo)量就已超過(guò)了２００萬(wàn)臺。本文將從系統結構、硬件要求、設計開(kāi)發(fā)和應用領(lǐng)域等４個(gè)方面對ＣＥ系統作全面的介紹。

２ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ的系統結構

ＣＥ操作系統由一些獨立的模塊組成，每一個(gè)模塊提供特定的系統功能，大的模塊又可以分成為幾個(gè)組件。這種組件式結構能使ＣＥ系統變得非常緊湊，僅需使用很少的硬件資源就可運行。最主要的系統模塊有四個(gè)，它們是：

· 內核

內核是整個(gè)操作系統的核心部分，它負責最基本的操作系統功能，包括內存管理，進(jìn)程管理和必需的文件管理。ＣＥ系統的內核繼承了微軟公司視窗操作系統的大部分出色性能，能夠提供虛擬內存管理、進(jìn)程調度、多任務(wù)管理、多線(xiàn)程管理以及中斷處理、異常處理等系統級服務(wù)。ＣＥ系統強大的搶先式多任務(wù)處理機制允許多達３２個(gè)獨立的應用程序（即所謂進(jìn)程）同時(shí)運行，而多線(xiàn)程機制又支持每個(gè)進(jìn)程擁有自己下屬的多個(gè)運行分支（即所謂線(xiàn)程）。此外，ＣＥ系統還允許每個(gè)進(jìn)程擁有不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的進(jìn)程可以比優(yōu)先級低的進(jìn)程擁有更高的系統資源使用權限。這種多任務(wù)特性使ＣＥ系統非常適用于需要實(shí)時(shí)處理功能的嵌入式系統，它使應用程序能夠同時(shí)運行幾個(gè)分支以處理不同的突發(fā)任務(wù)。

· 持久性存儲模塊

持久性存儲模塊通過(guò)對ＣＥ系統中對象存儲（ｏｂｊｅｃｔ ｓｔｏｒｅ）功能的支持，為用戶(hù)和應用程序提供數據存儲服務(wù)。對象存儲包含三種類(lèi)型：文件系統、ＣＥ數據庫和系統注冊表。文件系統使用文件分配表（ＦＡＴ）來(lái)管理用戶(hù)安裝或創(chuàng )建的可執行程序或數據文件，最多支持９個(gè)ＦＡＴ分區，并具有鏡像處理和安全功能，能預防在掉電或其他緊急情況下丟失數據。數據庫提供結構化的數據存儲和訪(fǎng)問(wèn)功能。系統注冊表用于存儲應用程序需要快速訪(fǎng)問(wèn)的系統配置數據以及其它信息。

· 繪圖、窗口、事件子系統簡(jiǎn)稱(chēng)ＧＷＥＳ）

ＧＷＥＳ是用戶(hù)、應用程序和操作系統之間的圖形化操作界面，負責提供系統與用戶(hù)之間的人機交互接口。ＧＷＥＳ處理輸入的方式是將按鍵、手寫(xiě)式輸入裝置的移動(dòng)、菜單或按鈕等控件的選擇等用戶(hù)輸入事件轉換為消息，然后再傳遞給應用程序；處理輸出的方式是在顯示設備或打印機上顯示或打印窗口、圖形、文本等信息。ＧＷＥＳ的核心是窗口，所有的應用程序都需要通過(guò)窗口從操作系統中接收信息，而所有的輸入事件都要經(jīng)操作系統翻譯為消息后通過(guò)窗口傳遞給應用程序。圖１為ＧＷＥＳ的結構。

· 通信模塊

通信模塊為運行ＣＥ系統的設備提供對多種通信硬件和數據傳輸協(xié)議的支持，包括串／并行數據端口、紅外數據端口、電話(huà)應用程序接口（ＴＡＰＩ）以及網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議。ＣＥ系統的網(wǎng)絡(luò )功能十分強大，支持局域網(wǎng)（ＬＡＮ）、傳輸控制協(xié)議／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ協(xié)議ＴＣＰ／ＩＰ、遠程訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)ＲＡＳ、網(wǎng)間控制報文協(xié)議（ＩＣＭＰ）、超文本傳輸協(xié)議（ＨＴＴＰ）、文件傳輸協(xié)議（ＦＴＰ）等所有流行的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

以上介紹的４個(gè)模塊提供了最主要的操作系統功能。除此之外，ＣＥ系統還有其它一些可選擇的模塊，包括：設備管理器和可安裝型設備驅動(dòng)模塊、多媒體聲音支持模塊、組件對象模型（ＣＯＭ）支持模塊、系統外殼（Ｓｈｅｌｌ）等。對于ＣＥ系統而言，每一個(gè)模塊都提供一種完整的功能。在最終的應用系統中，這些功能不一定都會(huì )被使用。ＣＥ系統不要求用戶(hù)包含所有的功能，如果某項功能不需要的話(huà)，整個(gè)模塊就可以被省略。

這種基于模塊和組件的結構使ＣＥ系統具有了高度的可伸縮性，它允許用戶(hù)在設計自己的操作系統時(shí)自由選擇需要的模塊或組件。這樣，系統開(kāi)發(fā)者就能夠方便地根據具體的硬件要求定制出合適的操作系統，使其中僅包含設備運行所必須的功能模塊，從而不必為支持其它不需要的硬件或功能付出額外代價(jià)。通過(guò)采用這種方式，ＣＥ系統在支持目前市場(chǎng)上絕大多數硬件設備及接口標準的同時(shí)又保證了最大的靈活性和系統效率，因此能夠適應廣泛的用戶(hù)系統的要求。

３ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系統的硬件要求

ＣＥ操作系統不需要任何特定的硬件結構，實(shí)際的硬件系統完全由用戶(hù)根據需要自由設計。從理論上說(shuō)，一臺以ＣＥ系統為基礎的設備必須有一個(gè)處理器，有內存及內部時(shí)鐘以便處理進(jìn)度，除此之外再沒(méi)有其他的硬件要求。不過(guò)在實(shí)際應用中，每個(gè)系統都需要有周邊設備才能完成其功能。如前所述，ＣＥ系統提供了廣泛的硬件兼容性，支持幾乎所有的外圍設備、其它設備和網(wǎng)絡(luò )設備。為了進(jìn)一步減少對內存資源的需求，ＣＥ系統在采用模塊化設計的同時(shí)還大量使用了動(dòng)態(tài)鏈接庫（Ｄｙｎａｍｉｃ－Ｌｉｎｋ Ｌｉｂｒａｒｙ），許多功能函數都包含在動(dòng)態(tài)鏈接庫中，僅當應用程序需要時(shí)才調入內存，平時(shí)則以文件形式保存在存儲器內。

作為一個(gè)小而靈活的操作系統，以ＣＥ為基礎的系統所需內存大小完全依賴(lài)于系統選用的模塊和組件。表１列出了幾種有代表性的基于ＣＥ的操作系統配置以及對存儲器資源的要求。其中，ＭｉｎＩｎｐｕｔ表示最小輸入采集系統，ＭｉｎＧＤＩ表示最小圖形系統，ＭｉｎＣｏｍｍ表示最小通信系統，Ｈ／ＰＣＵＩ表示手持電腦用戶(hù)操作系統。表格中，ＲＯＭ欄表示系統需要的永久存儲空間，ＲＡＭ欄表示系統運行時(shí)占用的系統內存，ＳＴＡＣＫ欄表示系統運行時(shí)占用的數據存儲空間。

表1 幾種基于CF的操作系統配置與資源占用情況

可以看出，相對于它強大的功能，ＣＥ操作系統對于硬件資源的要求非常低。一個(gè)只包含內核、通信端口，不需要顯示功能的基本系統僅需不到４００Ｋ的ＲＯＭ和３０Ｋ ＲＡＭ即可運行，而一個(gè)完整配置的掌上電腦操作系統也只需大約２Ｍ ＲＯＭ和１Ｍ ＲＡＭ。當然，最終的系統配置還必須考慮應用程序運行和用戶(hù)數據存儲的需要。

４ 基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ的應用系統開(kāi)發(fā)與設計

設計一個(gè)運行ＣＥ的嵌入式系統需要經(jīng)過(guò)以下步驟：

（１）明確設計目的，確認系統功能，選擇合適的微處理器芯片和周邊設備；

（２）完成硬件平臺的設計；

（３）選擇ＣＥ功能模塊，定制操作系統，并改編部分代碼使之與硬件平臺相配合；

（４）編寫(xiě)應用軟件。

典型的基于ＣＥ的嵌入式系統結構如圖２所示。其中，設備管理器提供對可安裝設備的支持，允許在系統中安裝諸如ＰＣ卡存儲器和調制解調器之類(lèi)的設備以擴充功能；附加技術(shù)模塊指由ＣＥ操作系統提供的一些可選擇的專(zhuān)用功能模塊，如ＪＡＶＡ語(yǔ)言（一種網(wǎng)絡(luò )編程語(yǔ)言）支持模塊、手寫(xiě)筆輸入識別模塊等；外殼模塊為系統提供一個(gè)與ＰＣ電腦上的視窗操作系統類(lèi)似的圖形化操作界面。

對于系統設計者而言，需要自行開(kāi)發(fā)的是應用程序和直接與硬件有關(guān)的部分，包括硬件系統本身、硬件抽象層和設備驅動(dòng)程序。其中，硬件抽象層是指建立在硬件設備與系統內核之間的一層代碼，主要任務(wù)是為內核管理具體硬件設備的時(shí)鐘、中斷和實(shí)施電源管理提供支持。設備驅動(dòng)程序負責支持操作系統對目標硬件的訪(fǎng)問(wèn)。硬件抽象層和驅動(dòng)程序都需要針對具體的硬件設備編寫(xiě)。一般硬件設備制造廠(chǎng)商會(huì )為設備提供驅動(dòng)軟件支持，如果有專(zhuān)門(mén)為ＣＥ系統編寫(xiě)的驅動(dòng)程序，只需將其加入到操作系統的相應模塊中就可使用。如果沒(méi)有，則應根據廠(chǎng)商提供的驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)包編寫(xiě)。通常這些開(kāi)發(fā)包中已經(jīng)包含了完成各種硬件操作的標準代碼，開(kāi)發(fā)者的工作只是將其與相應的ＣＥ系統ＡＰＩ函數對應起來(lái)。在ＣＥ系統中，所有涉及硬件的操作都通過(guò)調用相應的ＡＰＩ接口函數來(lái)完成，而硬件抽象層和驅動(dòng)程序就是要為這些ＡＰＩ函數提供支持，將其翻譯為直接對目標硬件進(jìn)行的底層操作。通過(guò)這種方式，ＣＥ系統將應用程序與具體的硬件設備進(jìn)行了隔離，應用程序只需調用ＡＰＩ函數就可以實(shí)現對硬件的訪(fǎng)問(wèn)。這樣，程序員在開(kāi)發(fā)應用程序時(shí)就沒(méi)有必要編寫(xiě)任何直接針對硬件的代碼，因此不必考慮具體的硬件特性，而應用程序也具有了不依賴(lài)于具體硬件設備的獨立性。

微軟公司提供了專(zhuān)門(mén)的Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ平臺編輯器軟件來(lái)幫助開(kāi)發(fā)者完成定制操作系統和編寫(xiě)硬件抽象層的工作。該編輯器是一個(gè)可以在ＰＣ電腦上運行的工具軟件包，其中包含完整的帶有集成開(kāi)發(fā)工具的Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ操作系統，并附帶了編程指南、應用程序接口（ＡＰＩ）參考等資料和設備驅動(dòng)程序工具箱。用戶(hù)可以使用其中的操作系統編輯器、匯編編輯器和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋編輯器進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并將最終生成的操作系統編譯為能夠被處理器芯片識別的二進(jìn)制代碼文件，以便在目標系統中使用。除啟動(dòng)和初始化部分外，ＣＥ系統的其他部分可以直接以文件形式存儲。ＣＥ平臺編輯器中還帶有遠程調試工具，只要硬件開(kāi)發(fā)系統支持并留出調試端口，就可以將編輯好的操作系統從ＰＣ電腦中下載到硬件平臺進(jìn)行調試，并在ＰＣ電腦上觀(guān)察系統的運行狀態(tài)和內存資源使用情況等信息。

由于ＣＥ操作系統支持１０００多個(gè)與Ｗｉｎｄｏｗｓ系統兼容的ＡＰＩ函數，使在基于ＣＥ的嵌入式系統中運行的程序可以擁有與ＰＣ電腦中的程序同樣復雜和強大的功能。微軟公司提供了專(zhuān)門(mén)用于編寫(xiě)ＣＥ程序的Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋和Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ附件工具包以及ＣＥ平臺模擬器，讓程序員能夠直接利用這兩種熟悉的編程語(yǔ)言在ＰＣ電腦上編寫(xiě)和調試ＣＥ系統中的程序。此外，盡管編寫(xiě)ＣＥ系統的應用程序與編寫(xiě)ＰＣ平臺的３２位Ｗｉｎｄｏｗｓ應用程序有一些區別，但其中進(jìn)程、線(xiàn)程、視窗的概念以及ＡＰＩ函數、資源、控件都與Ｗｉｎｄｏｗｓ系統非常相似，因此任何具有Ｗｉｎｄｏｗｓ編程經(jīng)驗的程序員都能夠很容易地掌握ＣＥ編程。

５ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系統的應用領(lǐng)域

目前國外已經(jīng)有大量基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系統的設備面市，所涉及的領(lǐng)域包括家用電器、娛樂(lè )設備、專(zhuān)用計算機系統、便攜電腦以及個(gè)人通信產(chǎn)品等。微軟公司于１９９９年３月在中國深圳提出了維納斯計劃，其核心內容就是推廣基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系統的信息家電產(chǎn)品。目前已經(jīng)有許多符合這一概念的產(chǎn)品面世，如美國國家半導體公司生產(chǎn)的便攜式網(wǎng)絡(luò )終端ＷｅｂＰａｄ，能夠隨時(shí)與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )瀏覽和收發(fā)電子郵件。類(lèi)似的產(chǎn)品還包括網(wǎng)絡(luò )機頂盒和網(wǎng)絡(luò )電話(huà)。在家庭娛樂(lè )市場(chǎng)方面，日本世嘉公司于１９９８年底推出了運行ＣＥ系統的Ｄｒｅａｍｃａｓｔ電視游戲機，其擁有的強大的處理器運算能力和圖形功能甚至超過(guò)了桌面電腦產(chǎn)品，除進(jìn)行游戲之外還能播放ＤＶＤ、瀏覽互聯(lián)網(wǎng)或運行基于ＣＥ系統的應用程序。在專(zhuān)用計算機系統方面，使用ＣＥ系統的有打包和郵件跟蹤設備、超市收銀機終端、數據采集設備、車(chē)載導航電子設備以及工業(yè)控制系統等。在便攜電腦市場(chǎng)方面，運行ＣＥ系統的設備包括掌上電腦、個(gè)人商務(wù)通產(chǎn)品和車(chē)載移動(dòng)電腦系統。掌上電腦是最近幾年興起的新型便攜信息產(chǎn)品，一般都配備筆輸入裝置，具有文字處理、電子記事和網(wǎng)絡(luò )瀏覽功能，可以與桌面電腦進(jìn)行對接交換數據，而重量不到傳統筆記本電腦的一半。在國外，流行的掌上電腦操作系統有Ｐａｌｍ ＯＳ和Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ兩種，而國內則主要是中文Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ。常見(jiàn)的惠普、聯(lián)想等公司的產(chǎn)品都使用了最新的中文ＣＥ２．１１版本，其中還引入了漢王筆輸入識別技術(shù)和金山詞霸英漢雙向翻譯系統。在個(gè)人通信市場(chǎng)方面，已經(jīng)有大量?jì)戎茫茫畔到y、能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)和收發(fā)電子郵件的移動(dòng)電話(huà)產(chǎn)品出現。

總結以上介紹可以得出結論，由于ＣＥ操作系統具有強大的功能、廣泛的兼容性、靈活的適用性、最小的硬件資源要求和完善的開(kāi)發(fā)工具支持，因此是設計嵌入式系統的理想選擇。２１世紀將是人類(lèi)社會(huì )全面走向網(wǎng)絡(luò )化、信息化的時(shí)代，電子產(chǎn)品小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化的趨勢已不可避免。面對這一浪潮，將先進(jìn)的操作系統性能和強大的通信能力高度集成在一起的ＣＥ系統無(wú)疑具有美好的應用前景。