WinCE在嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用思考

 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)用場合，出于對產(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)目的性或針對性很強(qiáng)，具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點，這也是與通用計算機(jī)系統(tǒng)的最主要區(qū)別。嵌入式技術(shù)與實時性有著必然的聯(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)帶來極大方便。單片機(jī)的功能強(qiáng)大，從信號采集、處理到傳輸都能由單片機(jī)來完成。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)時代的來臨，許多電子設(shè)備需要聯(lián)網(wǎng)和更智能化、更強(qiáng)的計算能力，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)越來越不能滿足應(yīng)用對象的需求，開發(fā)工作也變得越來越復(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，容易測試，可實現(xiàn)模塊化編程，同時由多個人共同完成1個任務(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實時操作系統(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，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是一個功能強(qiáng)大的開放的32位實時嵌入式操作系統(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

Windows CE是一個搶先式多任務(wù)并具有強(qiáng)大通信能力的嵌入式操作系統(tǒng)。它是一個全新的、可移植的、實時的、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)的簡化版，也不是從這些系統(tǒng)移植過來的。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。微軟為每個支持的處理器家族提供完整的系統(tǒng)庫。Windows CE可以通過OEM適配層OAL(OEM Adaptation Layer)適配到任何硬件平臺。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） 實時性

Windows CE 2.1及其以前的版本實時性能不強(qiáng)，但Windows CE 3.0及以后的版本實時性能得到明顯改善。Windows CE 3.0的實時性能主要通過以下技術(shù)實現(xiàn)：支持嵌套中斷，高優(yōu)先級的中斷并不需要等待低優(yōu)先級的中斷服務(wù)例程（ISR）完成；256個線程優(yōu)先級，可以靈活調(diào)度嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)；通過固定高優(yōu)先級中斷服務(wù)線程（IST）的最大調(diào)度延遲改善線程響應(yīng)時間；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)時間非常短；支持信號量。在基于Windows CE的參考平臺上，使用Hitachi SH3微處理器，系統(tǒng)可以在2~5μs內(nèi)啟動一個中斷服務(wù)例程（ISR），在 90~170μs內(nèi)啟動相應(yīng)的中斷服務(wù)線程。如果考慮其它因素，如CPU類型、時鐘頻率、總線速度等的影響，許多實際的基于Windows CE平臺的響應(yīng)時間更短。

（4） 模塊化

由于存儲器資源在移動和嵌入式設(shè)備中非常有限，Windows CE設(shè)計成一個模塊化操作系統(tǒng)，設(shè)計者只需選擇那些需要的模塊以滿足指定平臺的存儲器要求。Windows CE的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括4個模塊：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；Filesys用于永久存儲，包括文件系統(tǒng)、注冊表和數(shù)據(jù)庫；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)。每個模塊又分成許多小組件。裁減Windows CE時，可以只選擇那些需要的組件。

（5） Win32兼容性

Windows CE采用與Windows 95/NT相同的編程模型，它的API是Win32 API的一個子集，大約有600個API函數(shù)，可以實現(xiàn)所有的嵌入式應(yīng)用。CE只支持UNICODE碼，CE API刪除了Win32 API中包含ANSI字符串參數(shù)的函數(shù)。CE還支持當(dāng)前流行的軟件技術(shù)和運(yùn)行庫，如MFC(Microsoft Foundation Class)、ATL(Active Template Library)、EVC(Embedded Visual C )、EVB(Embedded Visual Basic)。Win32的兼容性可以容易地把現(xiàn)成的Windows應(yīng)用程序移植到Windows CE中。目前有許多開發(fā)人員精通Windows編程技術(shù)，他們只需學(xué)習(xí)很少的知識就可以開發(fā)Windows CE應(yīng)用程序。

PC機(jī)技術(shù)的發(fā)展必然出現(xiàn)兩極分化：一方面PC機(jī)功能將進(jìn)一步加強(qiáng)，達(dá)到以前工作站和小型機(jī)水平；另一方面，面向普通消費者和特定用途的智能化電子設(shè)備將會大量涌現(xiàn)。后者將會普遍采用類似Windows CE的嵌入式操作系統(tǒng)。

4 Windows CE在嵌入式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

嵌入式操作系統(tǒng)是一種應(yīng)用廣泛的系統(tǒng)軟件，工業(yè)控制是它的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，在這一領(lǐng)域里已有一些比較成功的嵌入式操作系統(tǒng)。但是，隨著應(yīng)用對象的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步，實際應(yīng)用對工業(yè)控制系統(tǒng)的功能和性能提出了許多新的要求。例如，適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，熟悉和友好的用戶界面，統(tǒng)一的編程界面，強(qiáng)大的通信功能和多媒體功能等，這些嵌入式操作系統(tǒng)很難滿足工業(yè)應(yīng)用的新需要。由于Windows CE 2.1及以前版本的實時性較差，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用較少，主要應(yīng)用在移動式（或便攜式）產(chǎn)品和信息家電領(lǐng)域。Windows CE 3.0的出現(xiàn)極大地改善了它的實時性能，為Windows CE進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

雖然Windows CE 3.0作為嵌入式系統(tǒng)平臺在工業(yè)控制領(lǐng)域還未被廣泛采用，但前景非常廣闊。許多著名的工業(yè)控制器生產(chǎn)商已經(jīng)開發(fā)出基于Windows CE 3.0的工業(yè)控制產(chǎn)品，如西門子AG公司的多功能操作面板MP系列，Cybectec公司的變電站現(xiàn)代化平臺SMP(Substation Modernization Platform)等。工業(yè)控制操作系統(tǒng)需要嚴(yán)格的實時處理功能，高可靠性，良好的開放性，對人機(jī)界面、開發(fā)環(huán)境、可操作性、成本等也有特別的要求。

（1） 實時性

實時性是指能夠在限定時間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能，并對外部的異步事件作出反應(yīng)的能力。實時性的強(qiáng)弱以完成規(guī)定功能和作出響應(yīng)時間的長短來衡量。提高硬件的處理能力可以在一定程度上提高計算機(jī)控制系統(tǒng)的實時性，但是當(dāng)硬件確定以后，控制系統(tǒng)的實時性能主要由操作系統(tǒng)來決定。無論從汽車制造到工業(yè)自動化，還是從電子通信到交通運(yùn)輸，Windows CE 3.0均可為具備確定性響應(yīng)能力的應(yīng)用程序提供內(nèi)建實時支持。

（2） 可靠性

工業(yè)控制系統(tǒng)對可靠性要求很高，計算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)生故障或死機(jī)對于企業(yè)安全高效生產(chǎn)帶來不利的影響。可靠性主要包含兩個方面的含義：一是控制計算機(jī)本身要連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，二是系統(tǒng)檢查出故障后要有保持安全狀態(tài)的能力。雖然軟硬件抗干擾技術(shù)、熱冗余技術(shù)可以在一定程度上提高工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性，但是操作系統(tǒng)的可靠性仍然影響著工業(yè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

穩(wěn)定性方面，在實時控制操作系統(tǒng)中，一般要提供源代碼或者提供許可證，由控制器生產(chǎn)商來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。控制器生產(chǎn)商根據(jù)應(yīng)用需要定制Windows CE操作系統(tǒng)，經(jīng)過一段時間的完善和測試以后投入使用。測試的方式和時間由生產(chǎn)商確定。通過這種方式定制的操作系統(tǒng)一般情況下可以穩(wěn)定運(yùn)行，但微軟公司既沒有保證Windows CE連續(xù)運(yùn)行的時間，也不公開源代碼。從這個意義上說，Windows CE的穩(wěn)定性受到質(zhì)疑。此外，在工控設(shè)備中，因為產(chǎn)品缺陷而造成事故，廠商要承擔(dān)賠償責(zé)任。對操作系統(tǒng)也一樣。因此，微軟對這一問題的態(tài)度，也是Windows CE能否很好地應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域的因素之一。

從故障角度來看，實時操作系統(tǒng)在應(yīng)用中是以內(nèi)核模式工作的，應(yīng)用的故障會立刻造成系統(tǒng)崩潰。Windows CE內(nèi)核具有內(nèi)存管理功能，可以檢查出應(yīng)用造成的系統(tǒng)異常，抑制由于應(yīng)用不正常直接破壞系統(tǒng)的危險性。所以Windows CE比一般的實時系統(tǒng)健壯。

（3） 人機(jī)界面

不同對象對工業(yè)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面HMI（Human Machine Interface）要求差別很大。在一般的實時嵌入式操作系統(tǒng)中，圖形功能弱，雖然也有提供圖形庫的，但沒有更強(qiáng)的功能。Window CE 不僅支持圖形和窗口，具有多媒體功能，而且還可以利用豐富靈活的控件庫在Windows CE環(huán)境下為嵌入式應(yīng)用建立各種圖形用戶界面。Windows CE 支持256色，顯示分辨率可以設(shè)定，支持觸摸屏。因此，Windows CE 完全可以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)對人機(jī)界面的要求。

（4） 開放性

Windows CE具有良好的通信能力，廣泛支持各種通信硬件、局域網(wǎng)連接以及撥號連接，并提供與PC、內(nèi)部網(wǎng)以及Internet的連接，包括用于應(yīng)用級數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備至設(shè)備間的互連。Windows CE具有良好的可擴(kuò)展性，用戶可根據(jù)實際需要定制合適的硬件，開發(fā)自己的模塊和組件，集成到運(yùn)行Windows CE的設(shè)備上。