1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是指有特定功能或用途的計(jì)算機(jī)硬,、軟件的集合體，分為嵌入式軟件系統(tǒng)和嵌入式硬件系統(tǒng),。在智能控制設(shè)備,、便攜式智能儀器等應(yīng)用場(chǎng)合，出于對(duì)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(shè)備內(nèi)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，只有有限容量的內(nèi)存及常用的Flash電子盤,，這樣的系統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng),。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之中，也就是軟件與硬件的一體化,。嵌入式系統(tǒng)目的性或針對(duì)性很強(qiáng),，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化,、響應(yīng)速度快等特點(diǎn),，這也是與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最主要區(qū)別。嵌入式技術(shù)與實(shí)時(shí)性有著必然的聯(lián)系,。

2 從單片機(jī)的應(yīng)用發(fā)展到嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)開始于20世紀(jì)80年代單片機(jī)的使用,。單片機(jī)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(jī)的功能強(qiáng)大,，從信號(hào)采集,、處理到傳輸都能由單片機(jī)來(lái)完成。但是,，隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的來(lái)臨,，許多電子設(shè)備需要聯(lián)網(wǎng)和更智能化、更強(qiáng)的計(jì)算能力,，比如音頻,、視頻的數(shù)據(jù)采集,、處理和傳輸；豐富的圖形界面等,。

單片機(jī)越來(lái)越不能滿足應(yīng)用對(duì)象的需求,，開發(fā)工作也變得越來(lái)越復(fù)雜、龐大,。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步,，芯片的制造成本大大降低，而功能卻大大增強(qiáng),，16位和32位的嵌入式微處理器逐漸成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流,。但是，只有嵌入式微處理器是不夠的,，OEM（原始設(shè)備制造商）還需要有一個(gè)運(yùn)行于嵌入式微處理器上的操作系統(tǒng),。嵌入式操作系統(tǒng)要有良好的可移植性，能夠用在根據(jù)應(yīng)用要求選擇的微處理器中,；軟件開發(fā)工作變得規(guī)范,，容易測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)模塊化編程,，同時(shí)由多個(gè)人共同完成1個(gè)任務(wù),；解決已往開發(fā)產(chǎn)品存在的諸多不安全隱患。很多軟件廠商迎合嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的需要,，推出了多種不同特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng),。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(tuán)的HOpen以及Linux等。

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

3.1 Windows CE

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

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(qiáng)大通信能力的嵌入式操作系統(tǒng),。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(tǒng)，具有流行的微軟程序開發(fā)界面,，提供許多快速開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的工具,。

（1） 新內(nèi)核

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

（2） 可移植性

由于Windows CE操作系統(tǒng)幾乎完全是用C語(yǔ)言編寫的,，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(tǒng)庫(kù)。Windows CE可以通過(guò)OEM適配層OAL(OEM Adaptation Layer)適配到任何硬件平臺(tái),。OAL是駐留在CE內(nèi)核和硬件之間的代碼層,。原始設(shè)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(nèi)核和定制的硬件,。

（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(qiáng),，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(xiàn)：支持嵌套中斷,，高優(yōu)先級(jí)的中斷并不需要等待低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)例程（ISR）完成,；256個(gè)線程優(yōu)先級(jí)，可以靈活調(diào)度嵌入式系統(tǒng)的任務(wù),；通過(guò)固定高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)線程（IST）的最大調(diào)度延遲改善線程響應(yīng)時(shí)間,；使用API函數(shù)CeSetThreadQuantum 和 CeGetThreadQuantum修改操作系統(tǒng)中線程的線程量；中斷服務(wù)子程序的響應(yīng)時(shí)間非常短,；支持信號(hào)量,。在基于Windows CE的參考平臺(tái)上,，使用Hitachi SH3微處理器,，系統(tǒng)可以在2~5μs內(nèi)啟動(dòng)一個(gè)中斷服務(wù)例程（ISR）,，在 90~170μs內(nèi)啟動(dòng)相應(yīng)的中斷服務(wù)線程。如果考慮其它因素,，如CPU類型,、時(shí)鐘頻率、總線速度等的影響,，許多實(shí)際的基于Windows CE平臺(tái)的響應(yīng)時(shí)間更短,。

（4） 模塊化

由于存儲(chǔ)器資源在移動(dòng)和嵌入式設(shè)備中非常有限，Windows CE設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊化操作系統(tǒng),，設(shè)計(jì)者只需選擇那些需要的模塊以滿足指定平臺(tái)的存儲(chǔ)器要求,。Windows CE的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括4個(gè)模塊：內(nèi)核（Kernel）,、圖形窗口事件子系統(tǒng)（GWES）,、文件系統(tǒng)（Filesys）和通信模塊（Communications）。Kernel負(fù)責(zé)中斷處理,、進(jìn)程和線程管理,、虛擬內(nèi)存管理和其它相關(guān)任務(wù)；GWES（Graphics Windowing and Events Subsystem）相當(dāng)于桌面Windows的圖形設(shè)備接口GDI和用戶庫(kù),；Filesys用于永久存儲(chǔ),，包括文件系統(tǒng)、注冊(cè)表和數(shù)據(jù)庫(kù),；Communications模塊負(fù)責(zé)與桌面PC,、其它CE設(shè)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。

（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(shù)，可以實(shí)現(xiàn)所有的嵌入式應(yīng)用,。CE只支持UNICODE碼,，CE API刪除了Win32 API中包含ANSI字符串參數(shù)的函數(shù)。CE還支持當(dāng)前流行的軟件技術(shù)和運(yùn)行庫(kù),，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(xiàn)成的Windows應(yīng)用程序移植到Windows CE中。目前有許多開發(fā)人員精通Windows編程技術(shù),，他們只需學(xué)習(xí)很少的知識(shí)就可以開發(fā)Windows CE應(yīng)用程序,。

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

4 Windows CE在嵌入式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

嵌入式操作系統(tǒng)是一種應(yīng)用廣泛的系統(tǒng)軟件,，工業(yè)控制是它的傳統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)。但是,，隨著應(yīng)用對(duì)象的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步,，實(shí)際應(yīng)用對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的功能和性能提出了許多新的要求。例如,，適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境,，熟悉和友好的用戶界面，統(tǒng)一的編程界面,，強(qiáng)大的通信功能和多媒體功能等,，這些嵌入式操作系統(tǒng)很難滿足工業(yè)應(yīng)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(yīng)用較少,，主要應(yīng)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(xiàn)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(chǔ),。

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

（1） 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能，并對(duì)外部的異步事件作出反應(yīng)的能力,。實(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱以完成規(guī)定功能和作出響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，但是當(dāng)硬件確定以后，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能主要由操作系統(tǒng)來(lái)決定,。無(wú)論從汽車制造到工業(yè)自動(dòng)化,，還是從電子通信到交通運(yùn)輸，Windows CE 3.0均可為具備確定性響應(yīng)能力的應(yīng)用程序提供內(nèi)建實(shí)時(shí)支持,。

（2） 可靠性

工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)可靠性要求很高,，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)生故障或死機(jī)對(duì)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(jì)算機(jī)本身要連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，二是系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性，但是操作系統(tǒng)的可靠性仍然影響著工業(yè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行,。

穩(wěn)定性方面,，在實(shí)時(shí)控制操作系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性,。控制器生產(chǎn)商根據(jù)應(yīng)用需要定制Windows CE操作系統(tǒng),，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的完善和測(cè)試以后投入使用,。測(cè)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(tǒng)一般情況下可以穩(wěn)定運(yùn)行,，但微軟公司既沒(méi)有保證Windows CE連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間,，也不公開源代碼。從這個(gè)意義上說(shuō),，Windows CE的穩(wěn)定性受到質(zhì)疑,。此外，在工控設(shè)備中,，因?yàn)楫a(chǎn)品缺陷而造成事故,，廠商要承擔(dān)賠償責(zé)任。對(duì)操作系統(tǒng)也一樣,。因此,，微軟對(duì)這一問(wèn)題的態(tài)度，也是Windows CE能否很好地應(yīng)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(tǒng)在應(yīng)用中是以內(nèi)核模式工作的，應(yīng)用的故障會(huì)立刻造成系統(tǒng)崩潰,。Windows CE內(nèi)核具有內(nèi)存管理功能,，可以檢查出應(yīng)用造成的系統(tǒng)異常，抑制由于應(yīng)用不正常直接破壞系統(tǒng)的危險(xiǎn)性。所以Windows CE比一般的實(shí)時(shí)系統(tǒng)健壯,。

（3） 人機(jī)界面

不同對(duì)象對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的人機(jī)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(tǒng)中，圖形功能弱,，雖然也有提供圖形庫(kù)的,，但沒(méi)有更強(qiáng)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(kù)在Windows CE環(huán)境下為嵌入式應(yīng)用建立各種圖形用戶界面。Windows CE 支持256色,，顯示分辨率可以設(shè)定,，支持觸摸屏。因此,，Windows CE 完全可以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)人機(jī)界面的要求,。

（4） 開放性

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(hào)連接,，并提供與PC、內(nèi)部網(wǎng)以及Internet的連接,，包括用于應(yīng)用級(jí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備至設(shè)備間的互連,。Windows CE具有良好的可擴(kuò)展性，用戶可根據(jù)實(shí)際需要定制合適的硬件,，開發(fā)自己的模塊和組件,，集成到運(yùn)行Windows CE的設(shè)備上。