微軟嵌入式操作系統(tǒng)的分析和對比（下）

　　WinCE 的設備驅(qū)動程序

　　設備驅(qū)動程序是嵌入式操作系統(tǒng)中一個重要部分，它是外設和應用軟件的接口，追隨了微軟的一貫風格。WinCE的設備驅(qū)動程序規(guī)范和豐富，需要特別指出的是，WinCE 5.0所有的驅(qū)動程序全部是采用動態(tài)加載方式，即在操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動以后對硬件外設(如USB、LCD)加載，驅(qū)動程序依然運行在內(nèi)核空間。簡單來講，這種驅(qū)動程序是在用戶態(tài)和我們熟悉的Windows 系統(tǒng)的DLL方式?jīng)]有區(qū)別，其好處是程序員調(diào)試一個驅(qū)動的時候會很方便，和應用程序的調(diào)試沒有差異，可以使用正常的函數(shù)調(diào)用，把驅(qū)動的動作和數(shù)據(jù)顯示在屏幕上;再有，相對用戶自己開發(fā)的驅(qū)動程序，可能有不穩(wěn)定和可靠的地方，運行在用戶態(tài)，整個系統(tǒng)將會更穩(wěn)定些。

　　但是問題和缺陷也顯而易見，就是因為驅(qū)動的動態(tài)加載和內(nèi)核的切換代表性能的損失，對于桌面系統(tǒng)這可能沒有太大的影響，但是在嵌入式系統(tǒng)，用戶對實時性能的要求要嚴格得多。為了解決這個問題，在新的WinCE6.0里面的驅(qū)動程序?qū)⒎譃閮?nèi)核模式和用戶模式兩種，內(nèi)核模式側(cè)重效率，用戶模式側(cè)重穩(wěn)健和可靠。微軟力求保證驅(qū)動程序的主體結(jié)構(gòu)沒有大的變化，微軟資料顯示大約有幾天的時間可以完成一個一般規(guī)模的驅(qū)動的移植過程，微軟公司和微軟的增值代理都提供了相應的課程。

　　WinCE開發(fā)工具

　　微軟工具新的策略是使用一個標準的Visual Studio 2005平臺支持全部的微軟嵌入式操作系統(tǒng)系列的開發(fā)，歷史上支持過WinCE和Windows Mobile 開發(fā)的工具有：

　　*操作系統(tǒng)開發(fā)-Platform Builder，它的作用是構(gòu)建操作系統(tǒng)，設有配置和調(diào)試工具，CE6.0以后這個工具就不單獨存在，而是合并到Visual Studio 作為它的一個插件。

　　*應用程序開發(fā)-eMbedded Visual C++，支持本地應用程序開發(fā)C, C++, MFC(微軟基礎類), ATL(COM的目標和Active X 控制)，這個工具在CE5.0版本以后已經(jīng)合并到Visual Studio 2005里面。

　　*Visual Studio 2005-微軟全新的開發(fā)工具已經(jīng)包含了Platform Builder, 值得特別提到的是Visual Studio 2005支持微軟托管的應用代碼編寫和調(diào)試，即.NET Compact Framework，它是NET Framework專門針對WinCE優(yōu)化后的一個簡化版本。在嵌入式設備上可以大幅提高軟件開發(fā)生產(chǎn)力，對于軟件越來越成為嵌入式設備的主要成本之一將會起到積極的作用，是一次編程多次使用的軟件重用理想的實現(xiàn)。Visual Studio 2005為了方便嵌入式系統(tǒng)應用軟件開發(fā)而設計的支持不同硬件平臺的“軟仿真器”也給用戶留下很深的印象。

圖3 基于NET Compact Framework的汽車外接顯示裝置

　　面向微型設備的.Net Micro Framework

　　前面提到的.NET Compact Framework雖好，但因為依托WinCE平臺要求的硬件資源比較大，微軟的 .NET Micro Framework 是微軟面向嵌入式系統(tǒng)中微型設備和單片機(MCU)市場的一個新的產(chǎn)品，是WinCE, Windows Mobile和Windows XP Embedded 在嵌入式市場的一個補充。.NET Micro Framework應用可能是小型工業(yè)網(wǎng)關(guān)、家庭能源管理裝置、遙控器，也可以是Windows Vista PC 的sideshow(枝節(jié))設備，如筆記本電腦的副屏(可以播放MP3、顯示日歷、行程等)等，如圖3所示。微軟.NET Micro Framework 目前支持基于32位微處理器ARM7和9的硬件平臺，已經(jīng)移植好的參考硬件平臺有飛思卡爾iMXS、DIGi Connet ME和EmbeddedFusion。

　　.NET Micro Framework 把通用的I/O設備，如UI、GPIO、SPI、Comm等做好一個類庫(見圖4)，其他和應用相關(guān)的硬件設備由合作伙伴(如DIGi)完成，值得注意的是，.NET Micro Framework還可以運行在一個小RTOS(實時操作系統(tǒng))上，如DIGI平臺運行的是Threadx RTOS, 微軟認證的合作伙伴使用微軟提供的porting kit把這些設備類庫移植好，這樣使得嵌入式工程師能在不了解單片機硬件的前提下開發(fā)單片機的應用。.NET Micro Framework 里面有一個重要的部件叫CLR—可以理解為是個運行代理，它的作用是個實時的編譯器，負責執(zhí)行被用戶提交的管理代碼，CLR還負責內(nèi)存和線程管理，如圖4所示類庫以上的應用層都是被管理代碼(managed code)，下面還是C/C++本地代碼(native code)，這樣整個.NET Micro Framework代碼非常的小，大約是250~500K。(WinCE 大約是1~12M左右)。需要指出的是，.NET Compact Framework不是一個傳統(tǒng)意義的實時多線程操作系統(tǒng)，但是它可以支持多線程的操作，可以滿足一定范圍上實時要求，如通過設置UI是主線程滿足一定的顯示面板輸入響應的要求，通過看門狗定時器和中斷方式滿足和實時設備接口數(shù)據(jù)通訊的要求。.NET Compact Framework的編程方式更接近微軟的桌面圖形編程界面，如，同樣使用delegate、callback處理外部事件。

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　　.NET Micro Framework的SDK是開放給所有用戶的，但是要得到porting kit需要得到微軟的認證。信息產(chǎn)業(yè)部集成電路和軟件促進中心(CSIP)是微軟授權(quán)的.NET Micro Framework在中國的技術(shù)培訓和合作伙伴。

　　.NET Micro Framework面向的是一個對于微軟來講全新的市場，可以說這種開發(fā)方式是對這個市場久已習慣的嵌入式軟件開發(fā)方式的一次革命性的改變，從技術(shù)發(fā)展趨勢看，無疑是一個正確的方向。在最近的技術(shù)大會上，微軟.NET Micro Framework產(chǎn)品經(jīng)理和主要設計者Colin Miller非常有信心的給大家分享了微軟.NET Micro Framework下個版本開發(fā)計劃，比如支持TCP/IP、USB、 BT/ZIGBEE、CAN總線和文件系統(tǒng)等等。但是應該看到，由于嵌入式系統(tǒng)的特殊性和多樣性，微軟目前支持的平臺還比較少，合作伙伴的設計和應用還待成熟和完善，.NET Micro Framework在國內(nèi)的發(fā)展還需要一定的時間。

圖4 .NET Micro Framework的結(jié)構(gòu)圖

　　微軟產(chǎn)品和其他RTOS比較

　　嵌入式系統(tǒng)畢竟不是桌面系統(tǒng)，用戶需求的差異和環(huán)境差異很大，平臺的變化也多，用戶的選擇余地就大。為了方便用戶比較和選擇一個合適的嵌入式操作系統(tǒng)，微軟官方網(wǎng)站上提供了第三方的評測報告供用戶閱讀和分析;國內(nèi)外基于微軟的嵌入式成熟應用也可以供參考;微軟中國的市場和教育普及工作也對用戶了解微軟嵌入式操作系統(tǒng)大有幫助。下面僅對目前國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)比較流行的嵌入Linux 和VxWorks 進行分析，比較他們和微軟嵌入式操作系統(tǒng)的差異和各自特色。

　　嵌入式Linux

　　最近結(jié)束的LinuxWorld China 2007 大會上，Linux基金會執(zhí)行總監(jiān)Jim Zemlin展望未來時再次強調(diào)，嵌入式和移動應用是除標準、虛擬計算和桌面外的一個重要的發(fā)展領(lǐng)域。比較微軟和其他的嵌入式操作系統(tǒng)，Linux和嵌入式Linux(經(jīng)過嵌入式優(yōu)化的Linux商業(yè)和非商業(yè)版本)的優(yōu)勢在于：1，開放性，Linux100%源代碼公開;2，廣泛性和成功的開發(fā)模式，全球化的社區(qū)開發(fā)和維護方式已經(jīng)被驗證是一種高效率和成功的軟件開發(fā)模式;3，各種CPU和最新的硬件器件和系統(tǒng)的支持;4，豐富的開源資源和第三方應用軟件。

　　Linux的缺點是，第一，實時性。Linux本身并不是為嵌入式系統(tǒng)而設計的，從操作系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計偏重于可靠性和網(wǎng)絡的效率，雖然商業(yè)嵌入式Linux公司如MontaVista 在2.4內(nèi)核上實現(xiàn)了可搶占的實時調(diào)度，開源社區(qū)也有了2.6 RT補丁，但是比較WinCE 和VxWorks 實時性都略遜一籌，來自南京大學的文章中有一個可以參考數(shù)據(jù)表格，見表1。

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　　第二，開發(fā)工具。Linux的開發(fā)工具一直是一個軟肋，從開源社區(qū)分工講。內(nèi)核和工具鏈是兩個完全獨立的部分，內(nèi)核的開發(fā)和維護人員主要依賴于命令行工具?？上驳氖?，開源的Eclipse框架已經(jīng)成為包括嵌入式Linux 在內(nèi)的傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，基于Eclipse的商業(yè)嵌入式軟件如DevRocket、Workbench和Linuxscope也正在成熟。但是相對微軟的Visual Studio 2005，應該說中國的用戶更加熟悉微軟的開發(fā)工具。

　　第三，完整應用軟件方案，嵌入式系統(tǒng)要求的是有針對性的應用軟件方案，嵌入式Linux雖然已經(jīng)有完整的操作系統(tǒng)組件，但是缺少針對具體應用的軟件方案，舉個智能手機的例子，微軟的Windows Mobile for SmartPhone基本含有了手機硬件驅(qū)動(BSP)、內(nèi)核、TCP/IP、文件系統(tǒng)基本組件、手機軟件和多媒體辦公軟件等豐富的應用軟件，這些基本涵蓋了整個智能手機所需要的全部軟件。但是相比較而言，嵌入式Linux的方案就顯得單薄多，雖然借助于包括Trolltech(奇趣) 的qtopia在內(nèi)的手機應用軟件或者Access 的整套手機Linux軟件方案，Linux手機軟件仍缺少完整性和成熟性，這點對于包括中國手機企業(yè)在內(nèi)的2~3線的手機制造和設計公司帶來一定的壓力。

　　第四，商業(yè)化產(chǎn)品和服務。比較微軟，Linux和嵌入式Linux的商業(yè)公司規(guī)模小而且沒有標準化，雖然社區(qū)具有豐富的開發(fā)和創(chuàng)意的資源，但是社區(qū)沒有義務提供商業(yè)的服務和承諾。

　　風河的VxWorks

　　VxWorks是傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)中的佼佼者，特別是在通信、國防和工業(yè)控制領(lǐng)域具有較強的優(yōu)勢。VxWorks是基于微內(nèi)核技術(shù)的實時內(nèi)核，從設計和實際的使用情況看，完全可以滿足硬實時性的要求，這點較Linux有較強的優(yōu)勢。相較于WinCE，VxWorks的實時性要更好一點，設備管理和驅(qū)動要簡練和高效些。VxWorks6.1的版本之后還提供基于MMU內(nèi)存保護和錯誤管理的機制(目前CE和.NET MicroFramework 還不支持)，使系統(tǒng)的可靠性更有保證。VxWorks系統(tǒng)的配置靈活，代碼尺寸相較于WinCE和Linux要小得多，基本系統(tǒng)甚至比.NET Micro Framework還要小，這樣適合更低配置和成本要求的嵌入式設備。

　　VxWorks的網(wǎng)絡功能強大，風河公司和第三方都有大量的網(wǎng)絡協(xié)議和應用軟件支撐，VxWorks的API 是POSIX 兼容，這樣通信行業(yè)的標準代碼就很容易移植進來了(Linux 有相同的特點)，這可以說是WinCE的一個弱點。

　　但是，VxWorks 在消費電子和手持移動設備方面應用比較微軟操作系統(tǒng)甚至Linux都相對少得多，從技術(shù)和商業(yè)層面看，筆者認為主要是這樣幾個原因：1，VxWorks是從內(nèi)核發(fā)展成為一個比較完整的嵌入式OS，但是API和圖形系統(tǒng)并不是十分標準和流行，單靠VxWorks自己的產(chǎn)品和松散的第三方資源還很難形成完整和公認的消費電子中間件。2，VxWorks早期是采用開發(fā)授權(quán)加上版稅的方式收取費用，這種方式不能為強調(diào)成本控制的OEM/ODM(委托制造/委托設計)廠商所接受，比如在過去的5年里，中國臺灣OEM/ODM生產(chǎn)的家用無線網(wǎng)絡產(chǎn)品多數(shù)都轉(zhuǎn)到Linux平臺，手機和GPS轉(zhuǎn)到上市比較快的WinCE和Window Mobile平臺。OEM/ODM不能接受為售價只有15~25美元的無線路由器再支付哪怕是1美元(甚至更少)的版稅了。

　　當然，風河公司已經(jīng)充分意識到這個問題，并在過去幾年改變了商業(yè)模式，比如以收取年費的方式取代版稅模式，同時風河正式采用雙OS的策略，進軍嵌入式Linux 市場，推出風河通信和消費電子用Linux 平臺，以期和微軟抗衡，這是因為它的實質(zhì)也是一個基于開源的嵌入式Linux版本。

　　結(jié)語

　　從前面的分析我們不難看出，微軟嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品線完整，開發(fā)工具成熟，產(chǎn)品的市場定位明確，可以為OEM/ODM提供從操作系統(tǒng)到應用的全面解決方案和到后臺服務器的無縫連接方案。面對強手如林、需求獨特的嵌入式世界，微軟面臨的挑戰(zhàn)和困難要比其他領(lǐng)域大得多。中國是世界消費電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費大國，手機、GPS、多媒體移動終端、電視、機頂盒這些嵌入式裝置都是微軟嵌入式操作系統(tǒng)的重要目標市場。最近，“2007 Windows 硬件工程大會”及“2007 移動與嵌入式開發(fā)者大會”和.NET Micro Framework大會在北京召開，說明了微軟對中國嵌入式市場的重視，以及中國用戶對微軟嵌入式操作系統(tǒng)的關(guān)注。微軟的嵌入式操作系統(tǒng)將為絢麗多彩的嵌入式世界增添一朵奇葩。

　　參考文獻：

　　1. 何宗鍵，‘WinCE 嵌入式系統(tǒng)’，北京航空航天大學出版社.

　　2. 李慶誠、唐德凱，‘嵌入式操作系統(tǒng)實時性對比與評價’，單片機和嵌入式系統(tǒng)雜志，2007.6.

　　3. Dedicated System, RTOS state of art www.microsoft.com

　　4. MEDC 2007移動和嵌入式開發(fā)者大會會議手冊.

　　5. 杜偉，‘微軟嵌入式技術(shù)發(fā)展趨勢’，2007年北京高校嵌入式教學會議。

　　6. 何小慶、比爾