基于Windows CE的嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

引言

　　嵌入式操作系統(tǒng)是支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn),大大提高了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的效率，在嵌入式操作系統(tǒng)之上開(kāi)發(fā)嵌入系統(tǒng)將減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工作量，增強(qiáng)嵌入式應(yīng)用軟件的可移植性，使嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法更具科學(xué)性。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)己成為熱點(diǎn)，

　　Windows CE 是Microsoft 公司專門(mén)針對(duì)嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng),該系統(tǒng)是一種緊湊、高效、可伸縮的32 位的操作系統(tǒng),主要面向各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。它所具有的多線程、多任務(wù)、完全搶占式的特點(diǎn)是專為各種有很嚴(yán)格資源限制的硬件系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的。它的模塊化設(shè)計(jì)使嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者能夠方便地加以定制以適應(yīng)一系列產(chǎn)品，例如:消費(fèi)類電子設(shè)備、專用工業(yè)控制器和嵌入式通信設(shè)備等的需要[1]。

　　Windows CE最大的好處在于界面的通用性，用戶容易接收；同時(shí)，可以將Windows通用操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序移植到嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中。關(guān)于Windows CE的研究文獻(xiàn)有許多，但是缺少?gòu)臉?gòu)建平臺(tái)到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的系統(tǒng)分析，本文從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用出發(fā)，深入研究Windows CE下如何實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，這對(duì)嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用很有意義。

　　1 基于Windows CE的嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[2][3]

　　要進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，必須先建立一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。一個(gè)基于Windows CE 的平臺(tái)由Windows CE 操作系統(tǒng)核組件、OEM 適配層（OEM Adaptation Layer ,OAL） 和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及組成系統(tǒng)的硬件設(shè)備組成，圖1為基于Windows CE平臺(tái)的層次結(jié)構(gòu)。

　　從圖1 中可以看出，一個(gè)基于Windows CE 的嵌入式系統(tǒng)可分為四個(gè)層次，從底層到上層分別是硬件層、OEM層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用程序?qū)印?/p>

圖1 基于Windows CE的目標(biāo)平臺(tái)及其組件

　　硬件層是系統(tǒng)的硬件，包括微處理器和各種周邊設(shè)備。OEM層是一個(gè)硬件抽象層，它提供了硬件和操作系統(tǒng)之間的接口，操作系統(tǒng)要訪問(wèn)具體的硬件就可以通過(guò)OEM層提供的API 進(jìn)行訪問(wèn)，而不必直接與硬件打交道。操作系統(tǒng)層中有Windows CE 的組件，用戶可以根據(jù)自己的系統(tǒng)的需要進(jìn)行定制，選擇需要的組件，去掉不必要的組件，這樣可以減小內(nèi)存需求，使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。應(yīng)用程序?qū)邮怯脩魹樘囟ǖ那度胧较到y(tǒng)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序。

　　在操作系統(tǒng)層中，設(shè)備管理器提供對(duì)可安裝設(shè)備的支持，允許在系統(tǒng)中安裝諸如PC 卡存儲(chǔ)器和調(diào)制解調(diào)器之類的設(shè)備已擴(kuò)充功能，內(nèi)核提供最基本的操作系統(tǒng)功能，例如進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、進(jìn)程通信等。圖形、窗口事件處理模塊將用戶的擊鍵、鼠標(biāo)移動(dòng)和控件選擇轉(zhuǎn)換為消息，傳送給應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)來(lái)處理用戶的輸入。對(duì)象存儲(chǔ)、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和注理用戶的輸入。對(duì)象存儲(chǔ)、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和注冊(cè)表提供存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。附加技術(shù)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(yǔ)言支持模塊、手寫(xiě)體輸入識(shí)別模塊等。用戶界面模塊為系統(tǒng)提供一個(gè)與PC 電腦上的視窗操作系統(tǒng)類似的圖形化操作界面。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言,需要自行開(kāi)發(fā)的是應(yīng)用程序和直接與硬件有關(guān)的部分，包括硬件系統(tǒng)本身、OAL 、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其中，OAL 是指建立在硬件設(shè)備與系統(tǒng)內(nèi)核之間的一層代碼，主要任務(wù)是為內(nèi)核管理具體的硬件設(shè)備時(shí)鐘、中斷和實(shí)施電源管理提供支持。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)支持操作系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)硬件的訪問(wèn)。OAL 和驅(qū)動(dòng)程序都要針對(duì)具體的硬件設(shè)備編寫(xiě)。　一般硬件設(shè)備制造商會(huì)為設(shè)備提供驅(qū)動(dòng)軟件支持，如果有專門(mén)為CE 系統(tǒng)編寫(xiě)的驅(qū)動(dòng)程序，只需將其加入到操作系統(tǒng)的相應(yīng)模塊中就可用了。如果沒(méi)有，則應(yīng)根據(jù)廠商提供的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)包編寫(xiě)。通常這些開(kāi)發(fā)包總已經(jīng)包含了完成各種硬件操作的標(biāo)準(zhǔn)代碼，開(kāi)發(fā)者的工作只是將其與相應(yīng)的CE 系統(tǒng)API函數(shù)對(duì)應(yīng)起來(lái)。在CE 系統(tǒng)中，所有涉及硬件的操作都通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的API 接口函數(shù)來(lái)完成，而OAL 和驅(qū)動(dòng)程序就是要為這些API 函數(shù)提供支持，將其翻譯為直接對(duì)目標(biāo)硬件進(jìn)行底層操作。通過(guò)這種方式，CE 系統(tǒng)將應(yīng)用程序與具體的硬件設(shè)備進(jìn)行了隔離,應(yīng)用程序只需調(diào)用API 函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的訪問(wèn)。這樣，程序員在開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)就沒(méi)有必要編寫(xiě)任何直接針對(duì)硬件的代碼，因此不必考慮具體的硬件特性，而應(yīng)用程序也具有了不依賴于具體硬件設(shè)備的獨(dú)立性。

　　2 Windows CE 中的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

　　Windows CE的網(wǎng)絡(luò)通信基于一個(gè)按層組織的網(wǎng)絡(luò)堆棧[1 ] （network stack） ，如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)堆棧實(shí)際上是Windows CE 的一個(gè)組件，它絡(luò)堆棧實(shí)際上是Windows CE 的一個(gè)組件，它負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行處理，將來(lái)自于應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)分解成若干小段，并為每小段加上相關(guān)地址和段的分割信息，組成可以存貯轉(zhuǎn)發(fā)的信息包（packets） ，信息包中的地址確保數(shù)據(jù)達(dá)到最終的目的端點(diǎn)。訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)堆棧有如下三種方式:第一種是WinSock端口套接字方式。這是一個(gè)中間層的傳輸接口協(xié)議，WinSock 負(fù)責(zé)對(duì)建立的信息包的所有頭信息細(xì)節(jié)進(jìn)行處理， 但可以不管其數(shù)據(jù)格式。Windows CE 的網(wǎng)絡(luò)通信都直接或間接地使用WinSock。采用IrDA 協(xié)議實(shí)現(xiàn)基于紅外線套接字的客戶/ 服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)通信是Windows CE平臺(tái)的一個(gè)特色。第二種為WinInet API 方式。WinInet API是微軟公司基于Win32 平臺(tái)的互聯(lián)網(wǎng)函數(shù)接口。Windows CE 的WinInet API 對(duì)其進(jìn)行了某些限制或擴(kuò)展，它提供的高級(jí)數(shù)據(jù)協(xié)議除了常見(jiàn)的超文本傳輸協(xié)議HTTP 和文件傳輸協(xié)議FTP 外，還提供了對(duì)SSL的支持。API 方式避免了直接使用WinSock 訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的操作，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)編程。第三種為CIFS 重定位器方式。Windows CE 通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)RAS 客戶的支持，允許基于Windows CE的設(shè)備與遠(yuǎn)程主機(jī)建立連接。

　　3 Windows CE 中網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議使用實(shí)例

　　3.1 HTTP

　　Windows CE提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)Internet 客戶應(yīng)用程序的工具集WinInet，與使用Socket 建立網(wǎng)絡(luò)連接的方法相比，它簡(jiǎn)化了訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的操作細(xì)節(jié)。利用WinInet可連接到遠(yuǎn)程站點(diǎn)，訪問(wèn)HTML 頁(yè)面，通過(guò)FTP 上傳、下載文件或獲取文件目錄清單等。WinInet 的Windows CE版本類似于桌面平臺(tái)上的WinInet ，但有兩個(gè)重要的區(qū)別：一是在Windows CE 中，大多數(shù)callback 函數(shù)以同步方式處理，只有InternetReadFile和InternetQueryDataAvailable 具有同步和異步兩種操作方式；二是Windows CE 默認(rèn)支持Unicode 碼，所有WinInet 函數(shù)都要求寬字符變量[4]。

　　通過(guò)WinInet 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信最常見(jiàn)的例子是利用HTTP 協(xié)議訪問(wèn)Internet 站點(diǎn)上的HTTP 頁(yè)面。其處理過(guò)程與桌面平臺(tái)上的情況一致：

　　1） 調(diào)用InternetOpen ，獲取Internet 句柄；
　　2） 調(diào)用InternetConnect ，為給定站點(diǎn)建立一個(gè)會(huì)話句柄；
　　3） 調(diào)用HttpOpenRequest ，打開(kāi)一個(gè)HTTP 請(qǐng)求句柄；
　　4） 調(diào)用HttpSendRequest ，發(fā)送一個(gè)指定的請(qǐng)求到HTTP 服務(wù)器；
　　5） 調(diào)用InternetReadFile ，從被HttpOpenRequest 所打開(kāi)的句柄中讀數(shù)，下載信息；
　　6） 調(diào)用InternetCloseHandle ，關(guān)閉Internet 句柄。