嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE研究

引言

嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。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)開發(fā)的效率，在嵌入式操作系統(tǒng)之上開發(fā)嵌入系統(tǒng)將減少系統(tǒng)開發(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)開發(fā)己成為熱點(diǎn)，

Windows CE 是Microsoft 公司專門針對(duì)嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域開發(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)用開發(fā)，必須先建立一個(gè)開發(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?



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。

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，如果有專門為CE 系統(tǒng)編寫的驅(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。如果沒有，則應(yīng)根據(jù)廠商提供的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包編寫。通常這些開發(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，程序員在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)就沒有必要編寫任何直接針對(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 所打開的句柄中讀數(shù)，下載信息；
6） 調(diào)用InternetCloseHandle ，關(guān)閉Internet 句柄。

3.2 遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)RAS RAS 是一個(gè)用于連接遠(yuǎn)端設(shè)備的基于軟件的多協(xié)議路由器，也稱為RAS 客戶，對(duì)于桌面主機(jī)，則稱為RAS 服務(wù)器。RAS 應(yīng)用程序常在設(shè)備端上執(zhí)行，并通過(guò)PPP/ SLIP 與服務(wù)器連接。WindowsCE對(duì)RAS 客戶提供了支持。盡管有許多標(biāo)準(zhǔn)的Win32 RAS 函數(shù)，但這里僅允許通過(guò)串行電纜或撥號(hào)Modem 建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。在Windows CE 環(huán)境下，RAS 電話簿項(xiàng)目中包含有建立RAS 連接的必要信息，Windows CE 將其存貯在注冊(cè)表中。RAS 電話簿信息包括:撥打的電話號(hào)碼（含國(guó)家和地區(qū)代碼） 、當(dāng)前連接的IP 地址、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、用于建立連接的設(shè)備類型。用RAS 建立連接的步驟如下[4]： 1）確定呼叫的電話號(hào)碼；如果該號(hào)碼不在電話簿中， 則需要調(diào)用RasEnumEntries 函數(shù)查找。 2）RasDial 建立連接； DWORD RasDial （LPCTSTR lpszPhonebook ， / / 電話簿文件的路徑和文件名指針 DWORD dwNotifierType ， / / RasDial 事件的句柄類型 LPVOID lpvNotifier ， / / RasDial 事件的句柄 LPHRASCONN lphRasConn / / 指向連接句柄類型變量） ；該函數(shù)的參數(shù)設(shè)置與桌面平臺(tái)上的設(shè)置不同，要求將lpszPhonebook 設(shè)置為NULL ，dwNotifierType 設(shè)置為0xFFFFFFFF。 3） 當(dāng)會(huì)話結(jié)束時(shí),用RasHangUp 終止連接。 DWORD RasHangUp （ HRASCONN hrasconn ） ； 3.3 WAP應(yīng)用 通常，Web Server需要在目標(biāo)機(jī)中置入文件系統(tǒng)，但是，嵌入式系統(tǒng)往往會(huì)面臨有限的存儲(chǔ)資源問(wèn)題，文件系統(tǒng)會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。Windows CE的Web Server設(shè)計(jì)了一個(gè)Web頁(yè)的格式編輯器，可以將Java，GIF，JPEG，PDF，TIFF，HTML，ASCII轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)C源文件，可以與其他的應(yīng)用程序鏈接，Web Server就在一個(gè)虛擬的文件系統(tǒng)下訪問(wèn)這些文件。 在開發(fā)移動(dòng)通信產(chǎn)品時(shí)候，需要用WAP協(xié)議，Windows CE提供了一個(gè)WAP的解決方案，開發(fā)起來(lái)非常方便。該協(xié)議?？梢灾С秩魏螛?biāo)準(zhǔn)的無(wú)線協(xié)議，包括GSM、UDP、GPRS等，協(xié)議棧包括WAE、WSP、WTP、WTLS、WDP等[3]。見圖3。 圖3 WAP應(yīng)用 此外，Windows CE還支持藍(lán)牙協(xié)議、RFCOMM協(xié)議、SDP協(xié)議、L2CAP協(xié)議等。 4 基于Windows CE嵌入式平臺(tái)創(chuàng)建 在硬件設(shè)計(jì)成功后，就需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)基于Windows CE 的嵌入式平臺(tái)，有了平臺(tái)，用戶就可以利用Windows CE 的開發(fā)工具在該平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。為了創(chuàng)建一個(gè)基于Windows CE 的平臺(tái)，首先需要選擇一個(gè)Windows CE OS 配置，安裝或創(chuàng)建一個(gè)OAL 和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，創(chuàng)建一個(gè)基于用戶配置的OS映像文件，并開發(fā)一個(gè)將映像文件傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備的引導(dǎo)程序[1][2][3]。 首先，選擇一個(gè)Windows CE OS 配置，然后加入一個(gè)OAL 和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?？梢詣?chuàng)建自己的OAL ，使用一個(gè)預(yù)先配置好的BSP（Board Support Package）或者創(chuàng)建自己的BSP。一個(gè)BSP 包含一個(gè)OAL 、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和定制的硬件缺省的組件列表。 Windows CE Platform Builder3. 0 中包含有CEPC （CE-base PC） 的BSP 和HitachiD9000 硬件開發(fā)平臺(tái)（ODO） ，系統(tǒng)開發(fā)者也可以根據(jù)需要開發(fā)自己的BSP 或者利用第三方開發(fā)好的BSP。 5 結(jié)束語(yǔ) 在嵌入式系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用越來(lái)越廣泛。選擇一個(gè)合適的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文研究了Windows CE在網(wǎng)絡(luò)通信方面的開發(fā)工作，今后還有許多問(wèn)題值得研究，包括在基于ARM的嵌入式應(yīng)用中如何移植Windows CE中的應(yīng)用程序，Windows CE的調(diào)試工具如何和DSP、MUC的調(diào)試工具配合使用等。