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(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(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)目的性或針對性很強(qiáng)，具有軟件代碼小,、高度自動化,、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，這也是與通用計算機(jī)系統(tǒng)的最主要區(qū)別,。嵌入式技術(shù)與實(shí)時性有著必然的聯(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)帶來極大方便。單片機(jī)的功能強(qiáng)大,，從信號采集,、處理到傳輸都能由單片機(jī)來完成。但是,，隨著網(wǎng)絡(luò)時代的來臨,，許多電子設(shè)備需要聯(lián)網(wǎng)和更智能化、更強(qiáng)的計算能力,，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)越來越不能滿足應(yīng)用對象的需求，開發(fā)工作也變得越來越復(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，容易測試,，可實(shí)現(xiàn)模塊化編程,，同時由多個人共同完成1個任務(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 Windows CE，微軟提供了標(biāo)準(zhǔn)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(shù)解決方案的客戶多方之間的矛盾。Windows CE是一個功能強(qiáng)大的開放的32位實(shí)時嵌入式操作系統(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),。它是一個全新的,、可移植的、實(shí)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。

（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)的簡化版,，也不是從這些系統(tǒng)移植過來的。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(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)時性

Windows CE 2.1及其以前的版本實(shí)時性能不強(qiáng)，但Windows CE 3.0及以后的版本實(shí)時性能得到明顯改善,。Windows CE 3.0的實(shí)時性能主要通過以下技術(shù)實(shí)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(wù)例程（ISR）完成；256個線程優(yōu)先級,，可以靈活調(diào)度嵌入式系統(tǒng)的任務(wù),；通過固定高優(yōu)先級中斷服務(wù)線程（IST）的最大調(diào)度延遲改善線程響應(yīng)時間；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(nèi)啟動一個中斷服務(wù)例程（ISR），在 90~170μs內(nèi)啟動相應(yīng)的中斷服務(wù)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(shí)際的基于Windows CE平臺的響應(yīng)時間更短。

（4） 模塊化

由于存儲器資源在移動和嵌入式設(shè)備中非常有限，Windows CE設(shè)計成一個模塊化操作系統(tǒng),，設(shè)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(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括4個模塊：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,；Filesys用于永久存儲，包括文件系統(tǒng),、注冊表和數(shù)據(jù)庫,；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,。

（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(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,，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(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)用對象的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)際應(yīng)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(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SMP(Substation Modernization Platform)等,。工業(yè)控制操作系統(tǒng)需要嚴(yán)格的實(shí)時處理功能，高可靠性,，良好的開放性,，對人機(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)時性

實(shí)時性是指能夠在限定時間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能,，并對外部的異步事件作出反應(yīng)的能力,。實(shí)時性的強(qiáng)弱以完成規(guī)定功能和作出響應(yīng)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(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時性,，但是當(dāng)硬件確定以后,，控制系統(tǒng)的實(shí)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(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)時支持。

（2） 可靠性

工業(yè)控制系統(tǒng)對可靠性要求很高,，計算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)生故障或死機(jī)對于企業(yè)安全高效生產(chǎn)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(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(chǎn)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(yùn)行,，但微軟公司既沒有保證Windows CE連續(xù)運(yùn)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(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(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域的因素之一,。

從故障角度來看，實(shí)時操作系統(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)的危險性,。所以Windows CE比一般的實(shí)時系統(tǒng)健壯。

（3） 人機(jī)界面

不同對象對工業(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(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,。