嵌入式系统的开发利器─ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ操作系统

    摘要：从系统结构、硬件要求、设计开发和应用领域等方面详细介绍了美国微软公司最新的３２位Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ操作系统。

    关键词：操作系统 嵌入式系统 模块化设计

１ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系统简介

    Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ（以下简称ＣＥ）是美国微软公司专门为各种移动和便携电子设备、个人信息产品、消费类电子产品、嵌入式应用系统等非台式或笔记本电脑领域设计的一种３２位高性能操作系统。它具有一个简捷、高效的完全抢先式多任务操作核心，支持强大的通信和图形显示功能，能够适应广泛的系统需求。ＣＥ操作系统的主要特点包括：

    ·兼容于微软公司的视窗（Ｗｉｎｄｏｗｓ）ＰＣ电脑操作系统，支持超过１０００个常用的３２位视窗应用程序接口函数（Ｗｉｎ３２ＡＰＩ），支持高分辨率真彩色显示，为应用软件提供了强大的运行平台。

    ·对硬件没有任何特殊要求，允许系统设计者根据所开发产品的要求自由选择硬件，同时提供最广泛的硬件设备支持，包括通信接口、显示和打印设备、输入输出设备、音频设备、网络和存储设备等。

    ·支持多达数十种不同的３２位微处理器芯片，包括Ｉｎｔｅｌ和ＡＭＤ公司的Ｘ８６系列、摩托罗拉公司的ＰｏｗｅｒＰＣ、日立公司的ＳＨ３系列、东芝公司的ＭＩＰＳ系列以及ＰＨＩＬＩＰＳ、ＮＥＣ公司的处理器产品等。

    ·采用模块化结构，配置灵活，运行时仅需很少的存储器（ＲＡＭ）资源，并且是目前唯一的可以从ＲＯＭ（只读存储器）中直接启动的３２位操作系统，能够满足具有严格硬件资源限制的系统要求。

    由于其本身具有的出色性能，ＣＥ系统自１９９６年底面世之后，迅速在国外最新一代的工业和家用电子设备中得到了广泛应用。在美国，仅基于ＣＥ系统的掌上电脑产品销量就已超过了２００万台。本文将从系统结构、硬件要求、设计开发和应用领域等４个方面对ＣＥ系统作全面的介绍。

２ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ的系统结构

    ＣＥ操作系统由一些独立的模块组成，每一个模块提供特定的系统功能，大的模块又可以分成为几个组件。这种组件式结构能使ＣＥ系统变得非常紧凑，仅需使用很少的硬件资源就可运行。最主要的系统模块有四个，它们是：

· 内核

    内核是整个操作系统的核心部分，它负责最基本的操作系统功能，包括内存管理，进程管理和必需的文件管理。ＣＥ系统的内核继承了微软公司视窗操作系统的大部分出色性能，能够提供虚拟内存管理、进程调度、多任务管理、多线程管理以及中断处理、异常处理等系统级服务。ＣＥ系统强大的抢先式多任务处理机制允许多达３２个独立的应用程序（即所谓进程）同时运行，而多线程机制又支持每个进程拥有自己下属的多个运行分支（即所谓线程）。此外，ＣＥ系统还允许每个进程拥有不同的优先级，优先级高的进程可以比优先级低的进程拥有更高的系统资源使用权限。这种多任务特性使ＣＥ系统非常适用于需要实时处理功能的嵌入式系统，它使应用程序能够同时运行几个分支以处理不同的突发任务。

· 持久性存储模块

    持久性存储模块通过对ＣＥ系统中对象存储（ｏｂｊｅｃｔ ｓｔｏｒｅ）功能的支持，为用户和应用程序提供数据存储服务。对象存储包含三种类型：文件系统、ＣＥ数据库和系统注册表。文件系统使用文件分配表（ＦＡＴ）来管理用户安装或创建的可执行程序或数据文件，最多支持９个ＦＡＴ分区，并具有镜像处理和安全功能，能预防在掉电或其他紧急情况下丢失数据。数据库提供结构化的数据存储和访问功能。系统注册表用于存储应用程序需要快速访问的系统配置数据以及其它信息。

· 绘图、窗口、事件子系统简称ＧＷＥＳ）

    ＧＷＥＳ是用户、应用程序和操作系统之间的图形化操作界面，负责提供系统与用户之间的人机交互接口。ＧＷＥＳ处理输入的方式是将按键、手写式输入装置的移动、菜单或按钮等控件的选择等用户输入事件转换为消息，然后再传递给应用程序；处理输出的方式是在显示设备或打印机上显示或打印窗口、图形、文本等信息。ＧＷＥＳ的核心是窗口，所有的应用程序都需要通过窗口从操作系统中接收信息，而所有的输入事件都要经操作系统翻译为消息后通过窗口传递给应用程序。图１为ＧＷＥＳ的结构。

· 通信模块

    通信模块为运行ＣＥ系统的设备提供对多种通信硬件和数据传输协议的支持，包括串／并行数据端口、红外数据端口、电话应用程序接口（ＴＡＰＩ）以及网络通信协议。ＣＥ系统的网络功能十分强大，支持局域网（ＬＡＮ）、传输控制协议／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ协议ＴＣＰ／ＩＰ、远程访问服务ＲＡＳ、网间控制报文协议（ＩＣＭＰ）、超文本传输协议（ＨＴＴＰ）、文件传输协议（ＦＴＰ）等所有流行的网络协议。

    以上介绍的４个模块提供了最主要的操作系统功能。除此之外，ＣＥ系统还有其它一些可选择的模块，包括：设备管理器和可安装型设备驱动模块、多媒体声音支持模块、组件对象模型（ＣＯＭ）支持模块、系统外壳（Ｓｈｅｌｌ）等。对于ＣＥ系统而言，每一个模块都提供一种完整的功能。在最终的应用系统中，这些功能不一定都会被使用。ＣＥ系统不要求用户包含所有的功能，如果某项功能不需要的话，整个模块就可以被省略。

    这种基于模块和组件的结构使ＣＥ系统具有了高度的可伸缩性，它允许用户在设计自己的操作系统时自由选择需要的模块或组件。这样，系统开发者就能够方便地根据具体的硬件要求定制出合适的操作系统，使其中仅包含设备运行所必须的功能模块，从而不必为支持其它不需要的硬件或功能付出额外代价。通过采用这种方式，ＣＥ系统在支持目前市场上绝大多数硬件设备及接口标准的同时又保证了最大的灵活性和系统效率，因此能够适应广泛的用户系统的要求。

３ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系统的硬件要求

    ＣＥ操作系统不需要任何特定的硬件结构，实际的硬件系统完全由用户根据需要自由设计。从理论上说，一台以ＣＥ系统为基础的设备必须有一个处理器，有内存及内部时钟以便处理进度，除此之外再没有其他的硬件要求。不过在实际应用中，每个系统都需要有周边设备才能完成其功能。如前所述，ＣＥ系统提供了广泛的硬件兼容性，支持几乎所有的外围设备、其它设备和网络设备。为了进一步减少对内存资源的需求，ＣＥ系统在采用模块化设计的同时还大量使用了动态链接库（Ｄｙｎａｍｉｃ－Ｌｉｎｋ Ｌｉｂｒａｒｙ），许多功能函数都包含在动态链接库中，仅当应用程序需要时才调入内存，平时则以文件形式保存在存储器内。

    作为一个小而灵活的操作系统，以ＣＥ为基础的系统所需内存大小完全依赖于系统选用的模块和组件。表１列出了几种有代表性的基于ＣＥ的操作系统配置以及对存储器资源的要求。其中，ＭｉｎＩｎｐｕｔ表示最小输入采集系统，ＭｉｎＧＤＩ表示最小图形系统，ＭｉｎＣｏｍｍ表示最小通信系统，Ｈ／ＰＣＵＩ表示手持电脑用户操作系统。表格中，ＲＯＭ栏表示系统需要的永久存储空间，ＲＡＭ栏表示系统运行时占用的系统内存，ＳＴＡＣＫ栏表示系统运行时占用的数据存储空间。

表1 几种基于CF的操作系统配置与资源占用情况

系   统包含模块RAM/KByteROM/KByteSTACK/KByteMinInput内核，最小文件系统，基本输入设备支持 273522MinGDI内核，文件系统，基本图形GWES，输入设备支持71167019MinComm内核，文件系统，通信模块，输入设备支持119110314H/PCUI内核，文件系统，注册表，GWES，通信模 块，输入设备支持，图形外壳857180635