Windows CE

维普资讯 http://www.cqvip.com 。　一ｌｌ０。＿　—ｌｌ｜≯　｜Ｉ。　ｌ。ｌ　ｌｌ＾ＩＩｉ　ｎｄｏｗｓ　ＣＥ在嵌入式工业控制系统中的应用思考　■华北电力大学　吕跃刚　张新房　徐大平　柳亦兵　关键词　嵌入式系统　ｗｉｎｄｏｗＳ　ＣＥ　工业控制系统　１　嵌入式系统　嵌入式系统（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ）是指有特定功　能或用途的计算机硬、软件的集合体，分为嵌入式　软件系统和嵌入式硬件系统。在智能控制设备、便　携式智能仪器等应用场合，出于对产品体积、成本　等诸因素的考虑，往往要求将智能控制部分安装于　设备内部，且占用的空间尽可能小，在这种情况　下，处理器没有一般意义的硬盘，只有有限容量的　内存及常用的Ｆ１ａ　ｓｈ电子盘，这样的系统称为嵌入　式系统。嵌入式系统的操作系统和功能软件集成于　计算机硬件系统之中，也就是软件与硬件的一体　化。嵌入式系统目的性或针对性很强，具有软件代　码小、高度自动化、响应速度快等特点，这也是与　通用计算机系统的最主要区别。嵌入式技术与实时　性有着必然的联系。　进步，芯片的制造成本大大降低，而功能却大大增　强，ｌ　６位和３２位的嵌入式微处理器逐渐成为嵌入　式系统设计的主流。但是，只有嵌入式微处理器是　不够的，ＯＥＭ（原始设备制造商）还需要有一个运　行于嵌入式微处理器上的操作系统。嵌入式操作系　统要有良好的可移植性，能够用在根据应用要求选　择的微处理器中；软件开发工作变得规范，容易测　试，可实现模块化编程，同时由多个人共同完成１　个任务；解决已往开发产品存在的诸多不安全隐　患。很多软件厂商迎合嵌入式系统发展的需要，推　出了多种不同特点的嵌入式操作系统。例如　Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司的Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ、３ＣＯＭ公司的Ｐａｌｍ　ＯＳ，Ｓｙｍｂｉａｎ公司的ＥＰＯＣ、中科院凯思集团的　ＨＯｐｅｎ以及Ｌｉｎｕｘ等。　２　从单片机的应用发展到嵌入式操作系统　嵌入式系统开始于２０世纪８０年代单片机的使　用。单片机技术已经渗透到各个领域，且与人们的　日常生活密不可分，给人们生活和工业生产带来极　３　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　３．０实时操作系统及其性能　分析　３．１　ＷＩ　ｎｄｏｗｓ　ＣＥ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ操作系统是微软为实现“信息随　手可得”的设想而努力开发的成果。通过Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ，微软提供了标准的开放式平台，极大地减少了　大方便。单片机的功能强大，从信号采集、处理到　传输都能由单片机来完成。但是，随着网络时代的　来临，许多电子设备需要联网和更智能化、更强的　计算能力，比如音频、视频的数据采集、处理和传　输：丰富的图形界面等。　单片机越来越不能满足应用对象的需求，开发　工作也变得越来越复杂、庞大。随着微电子技术的　硬件制造商（ＩＨＶ）、软件开发商（ＳＨＶ）以及最终将采　纳新一代非ＰＣ技术解决方案的客户多方之间的矛　盾。Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ是一个功能强大的开放的３２位实　时嵌入式操作系统，适用于快速构建新一代内存　少、体积小的智能设备。例如工业控制器、手持式　１　０　丰尊＾Ｊ－入菇叁健＾一＿圈衄囡　维普资讯 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。　一：　．．；　ｌ　ｌ　ｌｌ　ｌ。ｌ　Ｉ。＿　专题论述　设备、智能电话、机顶盒和零售点设备等。目前的　掌上电￣（ＰＤＡ）、全球定位系统（ＧＰＳ）、地理信息系　统（ＧＩＳ）、车载ＰＣ（Ａｕｔｏ　ＰＣ），有很多采用Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　由于存储器资源在移动和嵌入式设备中非常有　限，Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ设计成一个模块化操作系统，设　计者只需选择那些需要的模块以满足指定平台的存　储器要求。Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ的结构如图ｌ所示，主要包　括４个模块：内核（Ｋｅｒｎｅ１）、图形窗口事件子系统　（Ｇ　Ｗ　Ｅ　Ｓ）、文件系统（Ｆ　ｉ　ｌ　ｅ　ｓ　Ｙ　Ｓ）和通信模块　（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）。Ｋｅｒｎｅｌ负责中断处理、进程和　线程管理、虚拟内存管理和其它相关任务；ＧｗＥｓ　（Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｗｉｎｄｏｗｉｎｇ　ａｎｄ　Ｅｖｅｎｔｓ　Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ）相当于　桌面ＷｉｎｄＯＷ　Ｓ的图形设备接口ＧＤＩ和用户库；　Ｆｉｌｅｓｙｓ用于永久存储，包括文件系统、注册表和数　据库；Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ模块负责与桌面ＰＣ、其它ＣＥ　设备和因特网的互联。每个模块又分成许多小组　件。裁减Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ时，可以只选择那些需要的　组件。　应用程序　操作系统。　３．２　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　３．０性能特点　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ是一个抢先式多任务并具有强大通　信能力的嵌入式操作系统。它是一个全新的、可移　植的、实时的、模块化的操作系统，具有流行的微　软程序开发界面，提供许多快速开发嵌入式系统的　工具。　（１）新内核　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ看上去和Ｗｉｎｄｏｗｓ　９Ｘ／ＮＴ很像，但　它不是这些操作系统的简化版，也不是从这些系统　移植过来的。Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ具有全新的内核和任务　调度、内存管理策略。　（２）可移植性　由于Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ操作系统几乎完全是用ｃ语　．　（、　嵌入式外壳　言编写的，所以可移植到众多的３２位微处理器上；　（Ｗｉ，—————————————————、　ｎｄｏｗｓ　ＣＥ夕　壳服务）　支持各种处理器家族，包括ｘ８６、ＰｏｗｅｒＰＣ、ＡＲＭ、　ｆ　－．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．－一，　）　Ｗｉｎ３２ＡＰｌｓ　１　ＭＩＰＳ和ＳＨ等系列。微软为每个支持的处理器家族　￣ＣＯＲＥＤＬＬ，Ｗ１ＮＳＯＣＫ，ＯＬＥ，ＣＯＭＭＣＴＲＬ，ＣＯＭＭＤＬＧ，Ｗ１Ｎ１ＮＥＴ，ＴＡＰＩ￣　提供完整的系统库。Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ可以通过ＯＥＭ适　配层ＯＡＬ（ＯＥＭ　Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ　Ｌａｙｅｒ）适配到任何硬件　平台。ＯＡＬ是驻留在ＣＥ内核和硬件之间的代码层。　原始设备制造商使用这些代码把ｃＥ适配到自己的　硬件上。ＯＡＬ链接ＣＥ的内核和定制的硬件。　（３）实时性　回圆回圄固回回　回回围回　ＯＥＭ硬件　图１　ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ的基本结构　（５）Ｗｉｎ３２兼容性　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　２．１及其以前的版本实时性能不强，　但Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　３．０及以后的版本实时性能得到明显　改善。Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　３．０的实时性能主要通过以下技　术实现：支持嵌套中断，高优先级的中断并不需要　等待低优先级的中断服务例程（ＩＳＲ）完成；２５６个　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ采用与Ｗｉｎｄｏｗｓ　９５／ＮＴ相同的编程　模型，它的ＡＰＩ是Ｗｉｎ３２　ＡＰＩ的一个子集，大约有　６００个ＡＰＩ函数，可以实现所有的嵌入式应用。ｃＥ　只支持ＵＮＩＣＯＤＥ码，ＣＥ　ＡＰＩ删除了Ｗｉｎ３２　ＡＰＩ中　包含ＡＮＳＩ字符串参数的函数。ＣＥ还支持当前流行　的软件技术和运行库，如ＭＦＣ（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｃｌａｓｓ）、ＡＴＬ（Ａｃｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｌａｔｅ　Ｌｉｂｒａｒｙ）、ＥＶＣ（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　线程优先级，可以灵活调度嵌入式系统的任务；通　过固定高优先级中断服务线程（ＩｓＴ）的最大调度　延迟改善线程响应时间；使用Ａ　Ｐ　Ｉ函数　ＣｅＳｅｔＴｈｒｅａｄＱｕａｎｔｕｍ和ＣｅＧｅｔＴｈｒｅａｄＱｕａｎｔｕｍ修改操　作系统中线程的线程量；中断服务子程序的响应　时间非常短；支持信号量。在基于Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ的　参考平台上，使用Ｈｉｔａｃｈｉ　ＳＨ３微处理器，系统可以　在２～５　ｕ　Ｓ内启动一个中断服务例程（Ｉ　ｓ　Ｒ），在　９０～ｌ　７０　ｕ　Ｓ内启动相应的中断服务线程。如果考虑　其它因素，如ＣＰＵ类型、时钟频率、总线速度等的　影响，许多实际的基于Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ平台的响应时　间更短。　Ｖｉｓｕａｌ　ｃ＋＋）、ＥＶＢ（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ）。Ｗｉｎ３２的　兼容性可以容易地把现成的ＷｉｎｄＯＷ　Ｓ应用程序移　植到ＷｉｎｄＯＷ　Ｓ　ＣＥ中。目前有许多开发人员精通　ｗｉｎｄｏｗｓ编程技术，他们只需学习很少的知识就可　以开发Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ应用程序。　Ｐ　Ｃ机技术的发展必然出现两极分化：一方面　Ｐ　Ｃ机功能将进一步加强，达到以前工作站和小型　机水平；另一方面，面向普通消费者和特定用途的　智能化电子设备将会大量涌现。后者将会普遍采用　（４）模块化　维普资讯 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＿臣　类似Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ的嵌入式操作系统。　着工业控制系统的运行。　稳定性方面，在实时控制操作系统中，一般要　提供源代码或者提供许可证，由控制器生产商来保　证系统的稳定性。控制器生产商根据应用需要定制　Ｗｉｎｄｏｗ　Ｓ　ＣＥ操作系统，经过一段时间的完善和测　试以后投入使用。测试的方式和时间由生产商确　定。通过这种方式定制的操作系统一般情况下可以　稳定运行，但微软公司既没有保证Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ连　续运行的时间，也不公开源代码。从这个意义上　说，ｗｉｎｄｏＷＳ　ＣＥ的稳定性受到质疑。此外，在工　４　Ｗ　ｉ　ｎｄｏｗｓ　ＣＥ在嵌入式控制系统中的应用　分析　嵌入式操作系统是一种应用广泛的系统软件，　工业控制是它的传统应用领域，在这一领域里已有　一些比较成功的嵌入式操作系统。但是，随着应用　对象的扩大和技术的进步，实际应用对工业控制系　统的功能和性能提出了许多新的要求。例如，适应　恶劣的工作环境，熟悉和友好的用户界面，统一的　编程界面，强大的通信功能和多媒体功能等，这些　嵌入式操作系统很难满足工业应用的新需要。由于　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　２．１及以前版本的实时性较差，在工业　控制领域应用较少，主要应用在移动式（或便携　式）产品和信息家电领域。Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　３．０的出现　极大地改善了它的实时性能，为Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ进入　工业控制领域奠定了基础。　虽然Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　３．０作为嵌入式系统平台在工　业控制领域还未被广泛采用　但前景非常广阔。许　多著名的工业控制器生产商已经开发出基于ｗｉｎ。　ｄｏｗｓ　ＣＥ　３．０的工业控制产品，如西门子ＡＧ公司的　控设备中，因为产品缺陷而造成事故，厂商要承担　赔偿责任。对操作系统也一样。因此，微软对这一　问题的态度，也是Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ能否很好地应用到　工业控制领域的因素之＿Ｉ。　从故障角度来看，实时操作系统在应用中是以　内核模式工作的，应用的故障会立刻造成系统崩　溃。Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ内核具有内存管理功能，可以检　查出应用造成的系统异常，抑制由于应用不正常直　接破坏系统的危险性。所以Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ比一般的　实时系统健壮。　（３）人机界面　不同对象对工业控制系统的人机界面Ｈ　Ｍ　Ｉ　（Ｈｕｍａｎ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）要求差别很大。在一般　的实时嵌入式操作系统中，图形功能弱，虽然也有　提供图形库的，但没有更强的功能。Ｗｉｎｄｏｗ　ＣＥ不　仅支持图形和窗口，具有多媒体功能，而且还可以　利用丰富灵活的控件库在ｗｉｎｄｏｗ　Ｓ　ＣＥ环境下为嵌　入式应用建立各种图形用户界面。ｗｉｎｄｏｗＳ　ＣＥ支　持２５　６色，显示分辨率可以设定，支持触摸屏。因　多功能操作面板ＭＰ系列，ＣｙｂｅｃｔｅＣ公司的变电站　现代化平台ＳＭＰ（Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ）　等。工业控制操作系统需要严格的实时处理功能，　高可靠性，良好的开放性，对人机界面、开发环境、　可操作性、成本等也有特别的要求。　（１）实时性　实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功　能，并对外部的异步事件作出反应的能力。实时性　的强弱以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡　量。提高硬件的处理能力可以在一定程度上提高计　算机控制系统的实时性，但是当硬件确定以后，控　制系统的实时性能主要由操作系统来决定。无论从　汽车制造到工业自动化，还是从电子通信到交通运　输，Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　３．０均可为具备确定性响应能力的　应用程序提供内建实时支持。　（２）可靠性　此，ＷｉｎｄｏｗＳ　ＣＥ完全可以满足工业控制系统对人　机界面的要求。　（４）开放性　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ具有良好的通信能力，广泛支持　各种通信硬件、局域网连接以及拨号连接，并提供　与ＰＣ、内部网以及Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的连接，包括用于应用　级数据传输的设备至设备问的互连。ｗｉｎｄｏＷ　Ｓ　ＣＥ　具有良好的可扩展性，用户可根据实际需要定制合　适的硬件，开发自己的模块和组件，集成到运行　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ的设备上。　工业控制系统对可靠性要求很高，计算机控制　系统发生故障或死机对于企业安全高效生产带来不　利的影响。可靠性主要包含两个方面的含义：一是　控制计算机本身要连续稳定运行，二是系统检查出　故障后要有保持安全状态的能力。虽然软硬件抗干　扰技术、热冗余技术可以在一定程度上提高工业控　制系统的可靠性，但是操作系统的可靠性仍然影响　（５）开发成本和开发环境　工业控制设备的生产批量小，开发环境所占比　重大，所以易用、廉价的开发环境对控制设备生产　商十分关键。Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ的开发成本低，生成和　调试工具方便易用。Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　Ｂｕｉｌｄｅｒ　３．０　１　２　丰哼．ＬＪ・入　叁健矗两—豳暇瞳　维普资讯 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●嚯　提供了迅速创建Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ嵌入式系统需要的全　部软件工具。Ｐｌａｔｆｏｒｍ　Ｂｕｉｌｄｅｒ主要包括Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　Ａｄｄ．ｏｎ　Ｐａｃｋ（插件包）、各种调试工具及Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　有很强的实时性能，支持确定性的响应时间控制。　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ能从闪存启动，从而避免了暴露在灰　尘、高温和震动环境下，使它可以适应恶劣的生产　Ｖｉｓｕａｌ　Ｔｏｏｌｓ（由面向嵌入式系统开发而进行优化的　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ和Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｖｉｓｕａｌ　ｃ＋＋组成）。　环境。基于Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ的嵌入式控制系统提供统　一的、可伸缩的解决方案，将专用硬件的耐用性与　５　结论　ＰＣ的灵活性结合在一起。因此Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ在工业　控制领域有着很好的应用前景。－Ｅ　到目前为止，工业控制系统中的自动化设备仍　然受专用硬件或工业化ＰＣ平台的限制。专用硬件　通常十分耐用，并能抗恶劣环境，但是只能用于单　一参考文献　ｌ　卢海峰．Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ．电子科技．２００　ｌ（１１）：３２～３４　２　微软公司．Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｄｒｉｖｅｒ　的、特定的用途。虽然工业化ＰＣ比专用硬件更　具有灵活性，但是由于振动、灰尘、潮湿、高温以　及其它环境问题的影响，工业化ＰＣ平台经常会出　现故障和数据丢失。ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ操作系统是一个　适合下一代互连工业自动化设备的理想小体积嵌入　平台。由于采用ＭｓＭｑ（Ｍｉ　Ｃ　ｒＯ　ＳＯｆｔ　Ｍｅ　ｓ　ｓａｇｅ　Ｋｉｔ（设备驱动程序开发指南）．希望图书创作室译．　北京：北京希望电子出版社，ｌ　９９９　３　Ｈｉｐｓｏｎ　Ｐｅｔｅｒ　Ｄ．Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＮＴ４注册表专家指　南．朱友芹、王欣等译．北京：电子工业出版社，ｌ９９９　４　微软公司．Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　Ｂｕｉｌｄｅｒ　３．０　Ｌｉｂｒａｒｙ（Ｐｌａｔｆｏｒｍ　Ｂｕｉｌｄｅｒ　３．０电子帮助文档）　Ｑｕｅｕｉｎｇ）这样的先进应用服务，使Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＥ实　现与生产现场ＩＴ设施的全面集成成为可能。它还具　稿　须　知　为加快稿件处理速度，使您的稿件早日与读者见面，请您投稿时注意：　１．“摘要”２　０　０～３　０　０字，表述论文的主要内容，包括研究目的、方法、结论。“摘要”不能与“引　言”、“结论”中的内容重复。　２．“关键词”３～８个，是文章的重要信息点。所选关键词要能真正起到检索作用。　３．弓Ｉ用的电路图应根据文章内容要求进行修改，　以突出技术重点。图、表字要清晰易认；图、表　及程序注释语句尽量译成中文。　４．参考文献注录格式：　（１）图书　著者．书名．版本．其他责任者．　出版地：出版者，出版年　（２）期刊中析出的文献　作者．　题名．　其他责任者．　刊名，　年，卷（期）：在原文献中的位置　（国外作者：姓在前，名在后）　５．所有录用稿件将收录在本刊合订本中。　６．尽量通过电子邮件方式投稿：　（１）邮件中务必注明联系电话、工作单位、准确通信地址、邮编；　（２）邮件“主题”标明文章题目。　投稿信箱：ｍｃｕｐｒｅ　ｓ　ｓ＠２　６　３．ｎｅｔ．ｃｎ或ｍｃｕ＠ｐｕｂｌ　ｉ　ｃａ．ｂｊ．ｃｎｉｎｆｏ．ｎｅｔ　若通过邮局投递稿件，请将文稿的纸样及盘片一同邮寄过来。地址：北京市海淀区学院路３　７号　单　片机与嵌入式系统应用　编辑部（邮编：１　０　０　０　８　３）　谢谢广大作者的支持与合作！　本刊编辑部