微軟嵌入式操作系統的分析和對比（下）

　　WinCE 的設備驅動(dòng)程序

　　設備驅動(dòng)程序是嵌入式操作系統中一個(gè)重要部分，它是外設和應用軟件的接口，追隨了微軟的一貫風(fēng)格。WinCE的設備驅動(dòng)程序規范和豐富，需要特別指出的是，WinCE 5.0所有的驅動(dòng)程序全部是采用動(dòng)態(tài)加載方式，即在操作系統內核啟動(dòng)以后對硬件外設(如USB、LCD)加載，驅動(dòng)程序依然運行在內核空間。簡(jiǎn)單來(lái)講，這種驅動(dòng)程序是在用戶(hù)態(tài)和我們熟悉的Windows 系統的DLL方式?jīng)]有區別，其好處是程序員調試一個(gè)驅動(dòng)的時(shí)候會(huì )很方便，和應用程序的調試沒(méi)有差異，可以使用正常的函數調用，把驅動(dòng)的動(dòng)作和數據顯示在屏幕上;再有，相對用戶(hù)自己開(kāi)發(fā)的驅動(dòng)程序，可能有不穩定和可靠的地方，運行在用戶(hù)態(tài)，整個(gè)系統將會(huì )更穩定些。

　　但是問(wèn)題和缺陷也顯而易見(jiàn)，就是因為驅動(dòng)的動(dòng)態(tài)加載和內核的切換代表性能的損失，對于桌面系統這可能沒(méi)有太大的影響，但是在嵌入式系統，用戶(hù)對實(shí)時(shí)性能的要求要嚴格得多。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在新的WinCE6.0里面的驅動(dòng)程序將分為內核模式和用戶(hù)模式兩種，內核模式側重效率，用戶(hù)模式側重穩健和可靠。微軟力求保證驅動(dòng)程序的主體結構沒(méi)有大的變化，微軟資料顯示大約有幾天的時(shí)間可以完成一個(gè)一般規模的驅動(dòng)的移植過(guò)程，微軟公司和微軟的增值代理都提供了相應的課程。

　　WinCE開(kāi)發(fā)工具

　　微軟工具新的策略是使用一個(gè)標準的Visual Studio 2005平臺支持全部的微軟嵌入式操作系統系列的開(kāi)發(fā)，歷史上支持過(guò)WinCE和Windows Mobile 開(kāi)發(fā)的工具有：

　　*操作系統開(kāi)發(fā)-Platform Builder，它的作用是構建操作系統，設有配置和調試工具，CE6.0以后這個(gè)工具就不單獨存在，而是合并到Visual Studio 作為它的一個(gè)插件。

　　*應用程序開(kāi)發(fā)-eMbedded Visual C++，支持本地應用程序開(kāi)發(fā)C, C++, MFC(微軟基礎類(lèi)), ATL(COM的目標和Active X 控制)，這個(gè)工具在CE5.0版本以后已經(jīng)合并到Visual Studio 2005里面。

　　*Visual Studio 2005-微軟全新的開(kāi)發(fā)工具已經(jīng)包含了Platform Builder, 值得特別提到的是Visual Studio 2005支持微軟托管的應用代碼編寫(xiě)和調試，即.NET Compact Framework，它是NET Framework專(zhuān)門(mén)針對WinCE優(yōu)化后的一個(gè)簡(jiǎn)化版本。在嵌入式設備上可以大幅提高軟件開(kāi)發(fā)生產(chǎn)力，對于軟件越來(lái)越成為嵌入式設備的主要成本之一將會(huì )起到積極的作用，是一次編程多次使用的軟件重用理想的實(shí)現。Visual Studio 2005為了方便嵌入式系統應用軟件開(kāi)發(fā)而設計的支持不同硬件平臺的“軟仿真器”也給用戶(hù)留下很深的印象。

圖3 基于NET Compact Framework的汽車(chē)外接顯示裝置

　　面向微型設備的.Net Micro Framework

　　前面提到的.NET Compact Framework雖好，但因為依托WinCE平臺要求的硬件資源比較大，微軟的 .NET Micro Framework 是微軟面向嵌入式系統中微型設備和單片機(MCU)市場(chǎng)的一個(gè)新的產(chǎn)品，是WinCE, Windows Mobile和Windows XP Embedded 在嵌入式市場(chǎng)的一個(gè)補充。.NET Micro Framework應用可能是小型工業(yè)網(wǎng)關(guān)、家庭能源管理裝置、遙控器，也可以是Windows Vista PC 的sideshow(枝節)設備，如筆記本電腦的副屏(可以播放MP3、顯示日歷、行程等)等，如圖3所示。微軟.NET Micro Framework 目前支持基于32位微處理器ARM7和9的硬件平臺，已經(jīng)移植好的參考硬件平臺有飛思卡爾iMXS、DIGi Connet ME和EmbeddedFusion。

　　.NET Micro Framework 把通用的I/O設備，如UI、GPIO、SPI、Comm等做好一個(gè)類(lèi)庫(見(jiàn)圖4)，其他和應用相關(guān)的硬件設備由合作伙伴(如DIGi)完成，值得注意的是，.NET Micro Framework還可以運行在一個(gè)小RTOS(實(shí)時(shí)操作系統)上，如DIGI平臺運行的是Threadx RTOS, 微軟認證的合作伙伴使用微軟提供的porting kit把這些設備類(lèi)庫移植好，這樣使得嵌入式工程師能在不了解單片機硬件的前提下開(kāi)發(fā)單片機的應用。.NET Micro Framework 里面有一個(gè)重要的部件叫CLR—可以理解為是個(gè)運行代理，它的作用是個(gè)實(shí)時(shí)的編譯器，負責執行被用戶(hù)提交的管理代碼，CLR還負責內存和線(xiàn)程管理，如圖4所示類(lèi)庫以上的應用層都是被管理代碼(managed code)，下面還是C/C++本地代碼(native code)，這樣整個(gè).NET Micro Framework代碼非常的小，大約是250~500K。(WinCE 大約是1~12M左右)。需要指出的是，.NET Compact Framework不是一個(gè)傳統意義的實(shí)時(shí)多線(xiàn)程操作系統，但是它可以支持多線(xiàn)程的操作，可以滿(mǎn)足一定范圍上實(shí)時(shí)要求，如通過(guò)設置UI是主線(xiàn)程滿(mǎn)足一定的顯示面板輸入響應的要求，通過(guò)看門(mén)狗定時(shí)器和中斷方式滿(mǎn)足和實(shí)時(shí)設備接口數據通訊的要求。.NET Compact Framework的編程方式更接近微軟的桌面圖形編程界面，如，同樣使用delegate、callback處理外部事件。

{{分頁(yè)}}

　　.NET Micro Framework的SDK是開(kāi)放給所有用戶(hù)的，但是要得到porting kit需要得到微軟的認證。信息產(chǎn)業(yè)部集成電路和軟件促進(jìn)中心(CSIP)是微軟授權的.NET Micro Framework在中國的技術(shù)培訓和合作伙伴。

　　.NET Micro Framework面向的是一個(gè)對于微軟來(lái)講全新的市場(chǎng)，可以說(shuō)這種開(kāi)發(fā)方式是對這個(gè)市場(chǎng)久已習慣的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)方式的一次革命性的改變，從技術(shù)發(fā)展趨勢看，無(wú)疑是一個(gè)正確的方向。在最近的技術(shù)大會(huì )上，微軟.NET Micro Framework產(chǎn)品經(jīng)理和主要設計者Colin Miller非常有信心的給大家分享了微軟.NET Micro Framework下個(gè)版本開(kāi)發(fā)計劃，比如支持TCP/IP、USB、 BT/ZIGBEE、CAN總線(xiàn)和文件系統等等。但是應該看到，由于嵌入式系統的特殊性和多樣性，微軟目前支持的平臺還比較少，合作伙伴的設計和應用還待成熟和完善，.NET Micro Framework在國內的發(fā)展還需要一定的時(shí)間。

圖4 .NET Micro Framework的結構圖

　　微軟產(chǎn)品和其他RTOS比較

　　嵌入式系統畢竟不是桌面系統，用戶(hù)需求的差異和環(huán)境差異很大，平臺的變化也多，用戶(hù)的選擇余地就大。為了方便用戶(hù)比較和選擇一個(gè)合適的嵌入式操作系統，微軟官方網(wǎng)站上提供了第三方的評測報告供用戶(hù)閱讀和分析;國內外基于微軟的嵌入式成熟應用也可以供參考;微軟中國的市場(chǎng)和教育普及工作也對用戶(hù)了解微軟嵌入式操作系統大有幫助。下面僅對目前國內嵌入式系統比較流行的嵌入Linux 和VxWorks 進(jìn)行分析，比較他們和微軟嵌入式操作系統的差異和各自特色。

　　嵌入式Linux

　　最近結束的LinuxWorld China 2007 大會(huì )上，Linux基金會(huì )執行總監Jim Zemlin展望未來(lái)時(shí)再次強調，嵌入式和移動(dòng)應用是除標準、虛擬計算和桌面外的一個(gè)重要的發(fā)展領(lǐng)域。比較微軟和其他的嵌入式操作系統，Linux和嵌入式Linux(經(jīng)過(guò)嵌入式優(yōu)化的Linux商業(yè)和非商業(yè)版本)的優(yōu)勢在于：1，開(kāi)放性，Linux100%源代碼公開(kāi);2，廣泛性和成功的開(kāi)發(fā)模式，全球化的社區開(kāi)發(fā)和維護方式已經(jīng)被驗證是一種高效率和成功的軟件開(kāi)發(fā)模式;3，各種CPU和最新的硬件器件和系統的支持;4，豐富的開(kāi)源資源和第三方應用軟件。

　　Linux的缺點(diǎn)是，第一，實(shí)時(shí)性。Linux本身并不是為嵌入式系統而設計的，從操作系統系統結構設計偏重于可靠性和網(wǎng)絡(luò )的效率，雖然商業(yè)嵌入式Linux公司如MontaVista 在2.4內核上實(shí)現了可搶占的實(shí)時(shí)調度，開(kāi)源社區也有了2.6 RT補丁，但是比較WinCE 和VxWorks 實(shí)時(shí)性都略遜一籌，來(lái)自南京大學(xué)的文章中有一個(gè)可以參考數據表格，見(jiàn)表1。

{{分頁(yè)}}

　　第二，開(kāi)發(fā)工具。Linux的開(kāi)發(fā)工具一直是一個(gè)軟肋，從開(kāi)源社區分工講。內核和工具鏈是兩個(gè)完全獨立的部分，內核的開(kāi)發(fā)和維護人員主要依賴(lài)于命令行工具?？上驳氖?，開(kāi)源的Eclipse框架已經(jīng)成為包括嵌入式Linux 在內的傳統嵌入式操作系統的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，基于Eclipse的商業(yè)嵌入式軟件如DevRocket、Workbench和Linuxscope也正在成熟。但是相對微軟的Visual Studio 2005，應該說(shuō)中國的用戶(hù)更加熟悉微軟的開(kāi)發(fā)工具。

　　第三，完整應用軟件方案，嵌入式系統要求的是有針對性的應用軟件方案，嵌入式Linux雖然已經(jīng)有完整的操作系統組件，但是缺少針對具體應用的軟件方案，舉個(gè)智能手機的例子，微軟的Windows Mobile for SmartPhone基本含有了手機硬件驅動(dòng)(BSP)、內核、TCP/IP、文件系統基本組件、手機軟件和多媒體辦公軟件等豐富的應用軟件，這些基本涵蓋了整個(gè)智能手機所需要的全部軟件。但是相比較而言，嵌入式Linux的方案就顯得單薄多，雖然借助于包括Trolltech(奇趣) 的qtopia在內的手機應用軟件或者Access 的整套手機Linux軟件方案，Linux手機軟件仍缺少完整性和成熟性，這點(diǎn)對于包括中國手機企業(yè)在內的2~3線(xiàn)的手機制造和設計公司帶來(lái)一定的壓力。

　　第四，商業(yè)化產(chǎn)品和服務(wù)。比較微軟，Linux和嵌入式Linux的商業(yè)公司規模小而且沒(méi)有標準化，雖然社區具有豐富的開(kāi)發(fā)和創(chuàng )意的資源，但是社區沒(méi)有義務(wù)提供商業(yè)的服務(wù)和承諾。

　　風(fēng)河的VxWorks

　　VxWorks是傳統嵌入式操作系統中的佼佼者，特別是在通信、國防和工業(yè)控制領(lǐng)域具有較強的優(yōu)勢。VxWorks是基于微內核技術(shù)的實(shí)時(shí)內核，從設計和實(shí)際的使用情況看，完全可以滿(mǎn)足硬實(shí)時(shí)性的要求，這點(diǎn)較Linux有較強的優(yōu)勢。相較于WinCE，VxWorks的實(shí)時(shí)性要更好一點(diǎn)，設備管理和驅動(dòng)要簡(jiǎn)練和高效些。VxWorks6.1的版本之后還提供基于MMU內存保護和錯誤管理的機制(目前CE和.NET MicroFramework 還不支持)，使系統的可靠性更有保證。VxWorks系統的配置靈活，代碼尺寸相較于WinCE和Linux要小得多，基本系統甚至比.NET Micro Framework還要小，這樣適合更低配置和成本要求的嵌入式設備。

　　VxWorks的網(wǎng)絡(luò )功能強大，風(fēng)河公司和第三方都有大量的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和應用軟件支撐，VxWorks的API 是POSIX 兼容，這樣通信行業(yè)的標準代碼就很容易移植進(jìn)來(lái)了(Linux 有相同的特點(diǎn))，這可以說(shuō)是WinCE的一個(gè)弱點(diǎn)。

　　但是，VxWorks 在消費電子和手持移動(dòng)設備方面應用比較微軟操作系統甚至Linux都相對少得多，從技術(shù)和商業(yè)層面看，筆者認為主要是這樣幾個(gè)原因：1，VxWorks是從內核發(fā)展成為一個(gè)比較完整的嵌入式OS，但是API和圖形系統并不是十分標準和流行，單靠VxWorks自己的產(chǎn)品和松散的第三方資源還很難形成完整和公認的消費電子中間件。2，VxWorks早期是采用開(kāi)發(fā)授權加上版稅的方式收取費用，這種方式不能為強調成本控制的OEM/ODM(委托制造/委托設計)廠(chǎng)商所接受，比如在過(guò)去的5年里，中國臺灣OEM/ODM生產(chǎn)的家用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品多數都轉到Linux平臺，手機和GPS轉到上市比較快的WinCE和Window Mobile平臺。OEM/ODM不能接受為售價(jià)只有15~25美元的無(wú)線(xiàn)路由器再支付哪怕是1美元(甚至更少)的版稅了。

　　當然，風(fēng)河公司已經(jīng)充分意識到這個(gè)問(wèn)題，并在過(guò)去幾年改變了商業(yè)模式，比如以收取年費的方式取代版稅模式，同時(shí)風(fēng)河正式采用雙OS的策略，進(jìn)軍嵌入式Linux 市場(chǎng)，推出風(fēng)河通信和消費電子用Linux 平臺，以期和微軟抗衡，這是因為它的實(shí)質(zhì)也是一個(gè)基于開(kāi)源的嵌入式Linux版本。

　　結語(yǔ)

　　從前面的分析我們不難看出，微軟嵌入式操作系統產(chǎn)品線(xiàn)完整，開(kāi)發(fā)工具成熟，產(chǎn)品的市場(chǎng)定位明確，可以為OEM/ODM提供從操作系統到應用的全面解決方案和到后臺服務(wù)器的無(wú)縫連接方案。面對強手如林、需求獨特的嵌入式世界，微軟面臨的挑戰和困難要比其他領(lǐng)域大得多。中國是世界消費電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費大國，手機、GPS、多媒體移動(dòng)終端、電視、機頂盒這些嵌入式裝置都是微軟嵌入式操作系統的重要目標市場(chǎng)。最近，“2007 Windows 硬件工程大會(huì )”及“2007 移動(dòng)與嵌入式開(kāi)發(fā)者大會(huì )”和.NET Micro Framework大會(huì )在北京召開(kāi)，說(shuō)明了微軟對中國嵌入式市場(chǎng)的重視，以及中國用戶(hù)對微軟嵌入式操作系統的關(guān)注。微軟的嵌入式操作系統將為絢麗多彩的嵌入式世界增添一朵奇葩。

　　參考文獻：

　　1. 何宗鍵，‘WinCE 嵌入式系統’，北京航空航天大學(xué)出版社.

　　2. 李慶誠、唐德凱，‘嵌入式操作系統實(shí)時(shí)性對比與評價(jià)’，單片機和嵌入式系統雜志，2007.6.

　　3. Dedicated System, RTOS state of art www.microsoft.com

　　4. MEDC 2007移動(dòng)和嵌入式開(kāi)發(fā)者大會(huì )會(huì )議手冊.

　　5. 杜偉，‘微軟嵌入式技術(shù)發(fā)展趨勢’，2007年北京高校嵌入式教學(xué)會(huì )議。

　　6. 何小慶、比爾