| 摘要 隨著應(yīng)用對(duì)象的擴(kuò)大和微電子技術(shù)、軟件技術(shù)的發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)逐漸從單片機(jī)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(xì)分析Windows CE 3.0的實(shí)時(shí)性、通用性、模塊化、Win32兼容等性能特點(diǎn)。根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)的一般要求,如實(shí)時(shí)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(lǐng)域的優(yōu)缺點(diǎn),并指出Windows CE在工業(yè)控制中有很好的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng) Windows CE 工業(yè)控制系統(tǒng) 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 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。 |
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