摘要：從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件要求、設計開發(fā)和應用領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(tǒng)。

關鍵詞：操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng) 模塊化設計

1 Windows CE系統(tǒng)簡介

Windows CE(以下簡稱CE)是美國微軟公司專門為各種移動和便攜電子設備、個人信息產(chǎn)品、消費類電子產(chǎn)品、嵌入式應用系統(tǒng)等非臺式或筆記本電腦領域設計的一種32位高性能操作系統(tǒng)。它具有一個簡捷、高效的完全搶先式多任務操作核心，支持強大的通信和圖形顯示功能，能夠適應廣泛的系統(tǒng)需求。CE操作系統(tǒng)的主要特點包括：

·兼容于微軟公司的視窗(Windows)PC電腦操作系統(tǒng)，支持超過1000個常用的32位視窗應用程序接口函數(shù)(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。

·對硬件沒有任何特殊要求，允許系統(tǒng)設計者根據(jù)所開發(fā)產(chǎn)品的要求自由選擇硬件，同時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)絡和存儲設備等。

·支持多達數(shù)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(jié)構(gòu)，配置靈活，運行時僅需很少的存儲器(RAM)資源，并且是目前唯一的可以從ROM(只讀存儲器)中直接啟動的32位操作系統(tǒng)，能夠滿足具有嚴格硬件資源限制的系統(tǒng)要求。

由于其本身具有的出色性能，CE系統(tǒng)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(tǒng)的掌上電腦產(chǎn)品銷量就已超過了200萬臺。本文將從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件要求、設計開發(fā)和應用領域等4個方面對CE系統(tǒng)作全面的介紹。

2 Windows CE的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CE操作系統(tǒng)由一些獨立的模塊組成，每一個模塊提供特定的系統(tǒng)功能，大的模塊又可以分成為幾個組件。這種組件式結(jié)構(gòu)能使CE系統(tǒng)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(tǒng)模塊有四個，它們是：

· 內(nèi)核

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

· 持久性存儲模塊

持久性存儲模塊通過對CE系統(tǒng)中對象存儲(object store)功能的支持，為用戶和應用程序提供數(shù)據(jù)存儲服務。對象存儲包含三種類型：文件系統(tǒng)、CE數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)注冊表。文件系統(tǒng)使用文件分配表(FAT)來管理用戶安裝或創(chuàng)建的可執(zhí)行程序或數(shù)據(jù)文件，最多支持9個FAT分區(qū)，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(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫提供結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲和訪問功能。系統(tǒng)注冊表用于存儲應用程序需要快速訪問的系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)以及其它信息。

· 繪圖、窗口、事件子系統(tǒng)?簡稱GWES)

GWES是用戶、應用程序和操作系統(tǒng)之間的圖形化操作界面，負責提供系統(tǒng)與用戶之間的人機交互接口。GWES處理輸入的方式是將按鍵、手寫式輸入裝置的移動、菜單或按鈕等控件的選擇等用戶輸入事件轉(zhuǎn)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窗口從操作系統(tǒng)中接收信息，而所有的輸入事件都要經(jīng)操作系統(tǒng)翻譯為消息后通過窗口傳遞給應用程序。圖1為GWES的結(jié)構(gòu)。

· 通信模塊

通信模塊為運行CE系統(tǒng)的設備提供對多種通信硬件和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的支持，包括串/并行數(shù)據(jù)端口、紅外數(shù)據(jù)端口、電話應用程序接口(TAPI)以及網(wǎng)絡通信協(xié)議。CE系統(tǒng)的網(wǎng)絡功能十分強大，支持局域網(wǎng)(LAN)、傳輸控制協(xié)議/Internet協(xié)議?TCP/IP、遠程訪問服務?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)絡協(xié)議。

以上介紹的4個模塊提供了最主要的操作系統(tǒng)功能。除此之外，CE系統(tǒng)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(qū)動模塊、多媒體?聲音支持模塊、組件對象模型(COM)支持模塊、系統(tǒng)外殼(Shell)等。對于CE系統(tǒng)而言，每一個模塊都提供一種完整的功能。在最終的應用系統(tǒng)中，這些功能不一定都會被使用。CE系統(tǒng)不要求用戶包含所有的功能，如果某項功能不需要的話，整個模塊就可以被省略。

這種基于模塊和組件的結(jié)構(gòu)使CE系統(tǒng)具有了高度的可伸縮性，它允許用戶在設計自己的操作系統(tǒng)時自由選擇需要的模塊或組件。這樣，系統(tǒng)開發(fā)者就能夠方便地根據(jù)具體的硬件要求定制出合適的操作系統(tǒng)，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。通過采用這種方式，CE系統(tǒng)在支持目前市場上絕大多數(shù)硬件設備及接口標準的同時又保證了最大的靈活性和系統(tǒng)效率，因此能夠適應廣泛的用戶系統(tǒng)的要求。

3 Windows CE系統(tǒng)的硬件要求

CE操作系統(tǒng)不需要任何特定的硬件結(jié)構(gòu)，實際的硬件系統(tǒng)完全由用戶根據(jù)需要自由設計。從理論上說，一臺以CE系統(tǒng)為基礎的設備必須有一個處理器，有內(nèi)存及內(nèi)部時鐘以便處理進度，除此之外再沒有其他的硬件要求。不過在實際應用中，每個系統(tǒng)都需要有周邊設備才能完成其功能。如前所述，CE系統(tǒng)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)絡設備。為了進一步減少對內(nèi)存資源的需求，CE系統(tǒng)在采用模塊化設計的同時還大量使用了動態(tài)鏈接庫(Dynamic-Link Library)，許多功能函數(shù)都包含在動態(tài)鏈接庫中，僅當應用程序需要時才調(diào)入內(nèi)存，平時則以文件形式保存在存儲器內(nèi)。

作為一個小而靈活的操作系統(tǒng)，以CE為基礎的系統(tǒng)所需內(nèi)存大小完全依賴于系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，MinGDI表示最小圖形系統(tǒng)，MinComm表示最小通信系統(tǒng)，H/PCUI表示手持電腦用戶操作系統(tǒng)。表格中，ROM欄表示系統(tǒng)需要的永久存儲空間，RAM欄表示系統(tǒng)運行時占用的系統(tǒng)內(nèi)存，STACK欄表示系統(tǒng)運行時占用的數(shù)據(jù)存儲空間。

表1 幾種基于CF的操作系統(tǒng)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(tǒng)對于硬件資源的要求非常低。一個只包含內(nèi)核、通信端口，不需要顯示功能的基本系統(tǒng)僅需不到400K的ROM和30K RAM即可運行，而一個完整配置的掌上電腦操作系統(tǒng)也只需大約2M ROM和1M RAM。當然，最終的系統(tǒng)配置還必須考慮應用程序運行和用戶數(shù)據(jù)存儲的需要。

4 基于Windows CE的應用系統(tǒng)開發(fā)與設計

設計一個運行CE的嵌入式系統(tǒng)需要經(jīng)過以下步驟：

(1)明確設計目的，確認系統(tǒng)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(tǒng)，并改編部分代碼使之與硬件平臺相配合;

(4)編寫應用軟件。

典型的基于CE的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)中安裝諸如PC卡存儲器和調(diào)制解調(diào)器之類的設備以擴充功能;附加技術模塊指由CE操作系統(tǒng)提供的一些可選擇的專用功能模塊，如JAVA語言(一種網(wǎng)絡編程語言)支持模塊、手寫筆輸入識別模塊等;外殼模塊為系統(tǒng)提供一個與PC電腦上的視窗操作系統(tǒng)類似的圖形化操作界面。

對于系統(tǒng)設計者而言，需要自行開發(fā)的是應用程序和直接與硬件有關的部分，包括硬件系統(tǒng)本身、硬件抽象層和設備驅(qū)動程序。其中，硬件抽象層是指建立在硬件設備與系統(tǒng)內(nèi)核之間的一層代碼，主要任務是為內(nèi)核管理具體硬件設備的時鐘、中斷和實施電源管理提供支持。設備驅(qū)動程序負責支持操作系統(tǒng)對目標硬件的訪問。硬件抽象層和驅(qū)動程序都需要針對具體的硬件設備編寫。一般硬件設備制造廠商會為設備提供驅(qū)動軟件支持，如果有專門為CE系統(tǒng)編寫的驅(qū)動程序，只需將其加入到操作系統(tǒng)的相應模塊中就可使用。如果沒有，則應根據(jù)廠商提供的驅(qū)動程序開發(fā)包編寫。通常這些開發(fā)包中已經(jīng)包含了完成各種硬件操作的標準代碼，開發(fā)者的工作只是將其與相應的CE系統(tǒng)API函數(shù)對應起來。在CE系統(tǒng)中，所有涉及硬件的操作都通過調(diào)用相應的API接口函數(shù)來完成，而硬件抽象層和驅(qū)動程序就是要為這些API函數(shù)提供支持，將其翻譯為直接對目標硬件進行的底層操作。通過這種方式，CE系統(tǒng)將應用程序與具體的硬件設備進行了隔離，應用程序只需調(diào)用API函數(shù)就可以實現(xiàn)對硬件的訪問。這樣，程序員在開發(fā)應用程序時就沒有必要編寫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于具體硬件設備的獨立性。

微軟公司提供了專門的Windows CE平臺編輯器軟件來幫助開發(fā)者完成定制操作系統(tǒng)和編寫硬件抽象層的工作。該編輯器是一個可以在PC電腦上運行的工具軟件包，其中包含完整的帶有集成開發(fā)工具的Windows CE操作系統(tǒng)，并附帶了編程指南、應用程序接口(API)參考等資料和設備驅(qū)動程序工具箱。用戶可以使用其中的操作系統(tǒng)編輯器、匯編編輯器和經(jīng)過優(yōu)化的Visual C++編輯器進行開發(fā)，并將最終生成的操作系統(tǒng)編譯為能夠被處理器芯片識別的二進制代碼文件，以便在目標系統(tǒng)中使用。除啟動和初始化部分外，CE系統(tǒng)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(diào)試工具，只要硬件開發(fā)系統(tǒng)支持并留出調(diào)試端口，就可以將編輯好的操作系統(tǒng)從PC電腦中下載到硬件平臺進行調(diào)試，并在PC電腦上觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)和內(nèi)存資源使用情況等信息。

由于CE操作系統(tǒng)支持1000多個與Windows系統(tǒng)兼容的API函數(shù)，使在基于CE的嵌入式系統(tǒng)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。微軟公司提供了專門用于編寫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言在PC電腦上編寫和調(diào)試CE系統(tǒng)中的程序。此外，盡管編寫CE系統(tǒng)的應用程序與編寫PC平臺的32位Windows應用程序有一些區(qū)別，但其中進程、線程、視窗的概念以及API函數(shù)、資源、控件都與Windows系統(tǒng)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(tǒng)的應用領域

目前國外已經(jīng)有大量基于Windows CE系統(tǒng)的設備面市，所涉及的領域包括家用電器、娛樂設備、專用計算機系統(tǒng)、便攜電腦以及個人通信產(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(nèi)容就是推廣基于Windows CE系統(tǒng)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)絡終端WebPad，能夠隨時與互聯(lián)網(wǎng)連接，進行網(wǎng)絡瀏覽和收發(fā)電子郵件。類似的產(chǎn)品還包括網(wǎng)絡機頂盒和網(wǎng)絡電話。在家庭娛樂市場方面，日本世嘉公司于1998年底推出了運行CE系統(tǒng)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了桌面電腦產(chǎn)品，除進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(tǒng)的應用程序。在專用計算機系統(tǒng)方面，使用CE系統(tǒng)的有打包和郵件跟蹤設備、超市收銀機終端、數(shù)據(jù)采集設備、車載導航電子設備以及工業(yè)控制系統(tǒng)等。在便攜電腦市場方面，運行CE系統(tǒng)的設備包括掌上電腦、個人商務通產(chǎn)品和車載移動電腦系統(tǒng)。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)絡瀏覽功能，可以與桌面電腦進行對接交換數(shù)據(jù)，而重量不到傳統(tǒng)筆記本電腦的一半。在國外，流行的掌上電腦操作系統(tǒng)有Palm OS和Windows CE兩種，而國內(nèi)則主要是中文Windows CE。常見的惠普、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和金山詞霸英漢雙向翻譯系統(tǒng)。在個人通信市場方面，已經(jīng)有大量內(nèi)置CE系統(tǒng)、能夠進行網(wǎng)絡訪問和收發(fā)電子郵件的移動電話產(chǎn)品出現(xiàn)。

總結(jié)以上介紹可以得出結(jié)論，由于CE操作系統(tǒng)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發(fā)工具支持，因此是設計嵌入式系統(tǒng)的理想選擇。21世紀將是人類社會全面走向網(wǎng)絡化、信息化的時代，電子產(chǎn)品小型化、智能化、網(wǎng)絡化的趨勢已不可避免。面對這一浪潮，將先進的操作系統(tǒng)性能和強大的通信能力高度集成在一起的CE系統(tǒng)無疑具有美好的應用前景。