摘要： 隨著應用對象的擴大和微電子技術、軟件技術的發(fā)展,，嵌入式" title="嵌入式">嵌入式系統(tǒng)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(tǒng),。本文詳細分析Windows CE" title="Windows CE">Windows CE 3.0的實時性、通用性,、模塊化,、Win32兼容等性能特點。根據工業(yè)控制系統(tǒng)" title="工業(yè)控制系統(tǒng)">工業(yè)控制系統(tǒng)對系統(tǒng)平臺的一般要求,，如實時性,、可靠性、圖形界面,、開發(fā)環(huán)境和成本等,，分析Windows CE在工業(yè)控制領域的優(yōu)缺點,并指出Windows CE在工業(yè)控制中有很好的應用前景。
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算機硬,、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)。在智能控制設備,、便攜式智能儀器等應用場合,，出于對產品體積、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,，處理器沒有一般意義的硬盤,，只有有限容量的內存及常用的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算機硬件系統(tǒng)之中,，也就是軟件與硬件的一體化。嵌入式系統(tǒng)目的性或針對性很強,，具有軟件代碼小,、高度自動化、響應速度快等特點,，這也是與通用計算機系統(tǒng)的最主要區(qū)別,。嵌入式技術與實時性有著必然的聯(lián)系,。
2 從單片機的應用發(fā)展到嵌入式操作系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)開始于20世紀80年代單片機的使用。單片機技術已經滲透到各個領域,，且與人們的日常生活密不可分,，給人們生活和工業(yè)生產帶來極大方便。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完成。但是,，隨著網絡時代的來臨,，許多電子設備需要聯(lián)網和更智能化、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,。
單片機越來越不能滿足應用對象的需求，開發(fā)工作也變得越來越復雜,、龐大,。隨著微電子技術的進步，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(tǒng)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）還需要有一個運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,，能夠用在根據應用要求選擇的微處理器中,；軟件開發(fā)工作變得規(guī)范，容易測試,，可實現(xiàn)模塊化編程,，同時由多個人共同完成1個任務；解決已往開發(fā)產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、中科院凱思集團的HOpen以及Linux等。
3 Windows CE 3.0實時操作系統(tǒng)及其性能分析
3.1 Windows CE
Windows CE操作系統(tǒng)是微軟為實現(xiàn)"信息隨手可得"的設想而努力開發(fā)的成果,。通過 Windows CE,，微軟提供了標準的開放式平臺，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 技術解決方案的客戶多方之間的矛盾,。Windows CE是一個功能強大的開放的32位實時嵌入式操作系統(tǒng)，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、機頂盒和零售點設備等,。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
Windows CE是一個搶先式多任務并具有強大通信能力的嵌入式操作系統(tǒng),。它是一個全新的,、可移植的、實時的,、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,。
?。?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(tǒng)的簡化版,，也不是從這些系統(tǒng)移植過來的,。Windows CE具有全新的內核和任務調度、內存管理策略,。
?。?span lang="EN-US">2） 可移植性
由于Windows CE操作系統(tǒng)幾乎完全是用C語言編寫的，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。微軟為每個支持的處理器家族提供完整的系統(tǒng)庫。Windows CE可以通過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） 實時性
Windows CE 2.1及其以前的版本實時性能不強，但Windows CE 3.0及以后的版本實時性能得到明顯改善,。Windows CE 3.0的實時性能主要通過以下技術實現(xiàn)：支持嵌套中斷,，高優(yōu)先級的中斷并不需要等待低優(yōu)先級的中斷服務例程（ISR）完成；256個線程優(yōu)先級,，可以靈活調度嵌入式系統(tǒng)的任務,；通過固定高優(yōu)先級中斷服務線程（IST）的最大調度延遲改善線程響應時間；使用API函數CeSetThreadQuantum 和 CeGetThreadQuantum修改操作系統(tǒng)中線程的線程量,；中斷服務子程序的響應時間非常短,；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(tǒng)可以在2~5μs內啟動一個中斷服務例程（ISR），在 90~170μs內啟動相應的中斷服務線程,。如果考慮其它因素,，如CPU類型、時鐘頻率,、總線速度等的影響,，許多實際的基于Windows CE平臺的響應時間更短。
?。?span lang="EN-US">4） 模塊化
由于存儲器資源在移動和嵌入式設備中非常有限,，Windows CE設計成一個模塊化操作系統(tǒng)，設計者只需選擇那些需要的模塊以滿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個模塊：內核（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負責中斷處理、進程和線程管理,、虛擬內存管理和其它相關任務,；GWES（Graphics Windowing and Events Subsystem）相當于桌面Windows的圖形設備接口GDI和用戶庫；Filesys用于永久存儲,，包括文件系統(tǒng),、注冊表和數據庫,；Communications模塊負責與桌面PC、其它CE設備和因特網的互聯(lián),。每個模塊又分成許多小組件,。裁減Windows CE時，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的一個子集,，大約有600個API函數,，可以實現(xiàn)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(xiàn)成的Windows應用程序移植到Windows CE中。目前有許多開發(fā)人員精通Windows編程技術,，他們只需學習很少的知識就可以開發(fā)Windows CE應用程序,。
PC機技術的發(fā)展必然出現(xiàn)兩極分化：一方面PC機功能將進一步加強，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大量涌現(xiàn)。后者將會普遍采用類似Windows CE的嵌入式操作系統(tǒng),。
4 Windows CE在嵌入式控制系統(tǒng)中的應用分析
嵌入式操作系統(tǒng)是一種應用廣泛的系統(tǒng)軟件,，工業(yè)控制是它的傳統(tǒng)應用領域，在這一領域里已有一些比較成功的嵌入式操作系統(tǒng),。但是,，隨著應用對象的擴大和技術的進步，實際應用對工業(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)應用的新需要,。由于Windows CE 2.1及以前版本的實時性較差,，在工業(yè)控制領域應用較少,，主要應用在移動式（或便攜式）產品和信息家電領域。Windows CE 3.0的出現(xiàn)極大地改善了它的實時性能,，為Windows CE進入工業(yè)控制領域奠定了基礎,。
雖然Windows CE 3.0作為嵌入式系統(tǒng)平臺在工業(yè)控制領域還未被廣泛采用，但前景非常廣闊,。許多著名的工業(yè)控制器生產商已經開發(fā)出基于Windows CE 3.0的工業(yè)控制產品,，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SMP(Substation Modernization Platform)等,。工業(yè)控制操作系統(tǒng)需要嚴格的實時處理功能,，高可靠性，良好的開放性,，對人機界面,、開發(fā)環(huán)境、可操作性,、成本等也有特別的要求,。
（1） 實時性
實時性是指能夠在限定時間內執(zhí)行完規(guī)定的功能,，并對外部的異步事件作出反應的能力,。實時性的強弱以完成規(guī)定功能和作出響應時間的長短來衡量。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(tǒng)的實時性,，但是當硬件確定以后,，控制系統(tǒng)的實時性能主要由操作系統(tǒng)來決定。無論從汽車制造到工業(yè)自動化,，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時支持。
?。?span lang="EN-US">2） 可靠性
工業(yè)控制系統(tǒng)對可靠性要求很高,，計算機控制系統(tǒng)發(fā)生故障或死機對于企業(yè)安全高效生產帶來不利的影響?？煽啃灾饕瑑蓚€方面的含義：一是控制計算機本身要連續(xù)穩(wěn)定運行,，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,、熱冗余技術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)的運行。
穩(wěn)定性方面,，在實時控制操作系統(tǒng)中,，一般要提供源代碼或者提供許可證，由控制器生產商來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,?？刂破魃a商根據應用需要定制Windows CE操作系統(tǒng),，經過一段時間的完善和測試以后投入使用。測試的方式和時間由生產商確定,。通過這種方式定制的操作系統(tǒng)一般情況下可以穩(wěn)定運行,，但微軟公司既沒有保證Windows CE連續(xù)運行的時間，也不公開源代碼,。從這個意義上說,，Windows CE的穩(wěn)定性受到質疑。此外,，在工控設備中,，因為產品缺陷而造成事故，廠商要承擔賠償責任,。對操作系統(tǒng)也一樣,。因此，微軟對這一問題的態(tài)度,，也是Windows CE能否很好地應用到工業(yè)控制領域的因素之一,。
從故障角度來看，實時操作系統(tǒng)在應用中是以內核模式工作的,，應用的故障會立刻造成系統(tǒng)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(tǒng)異常,，抑制由于應用不正常直接破壞系統(tǒng)的危險性。所以Windows CE比一般的實時系統(tǒng)健壯,。
?。?span lang="EN-US">3） 人機界面
不同對象對工業(yè)控制系統(tǒng)的人機界面HMI（Human Machine Interface）要求差別很大。在一般的實時嵌入式操作系統(tǒng)中,，圖形功能弱,，雖然也有提供圖形庫的，但沒有更強的功能,。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 完全可以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)對人機界面的要求。
?。?span lang="EN-US">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,、局域網連接以及撥號連接，并提供與PC,、內部網以及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,，用戶可根據實際需要定制合適的硬件,，開發(fā)自己的模塊和組件，集成到運行Windows CE的設備上,。
?。?span lang="EN-US">5） 開發(fā)成本和開發(fā)環(huán)境
