Windows CE操作系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著應(yīng)用對象的擴(kuò)大和微電子技術(shù)、軟件技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)逐漸從單片機(jī)發(fā)展到高性能嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。WindowsCE是微軟公司嵌入式、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)，它是一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)，它是精簡的Windows 95，Windows CE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。

Windows CE作業(yè)系統(tǒng)是Windows家族中最新的成員，專門設(shè)計(jì)給掌上型電腦（HPCs）所使用的電腦環(huán)境。這樣的作業(yè)系統(tǒng)可使完整的可攜式技術(shù)與現(xiàn)有的Windows桌面技術(shù)整合工作。 Windows CE 被設(shè)計(jì)成針對小型設(shè)備（它是典型的擁有有限內(nèi)存的無磁盤系統(tǒng)）的通用操作系統(tǒng)，Windows CE 可以通過設(shè)計(jì)一層位于內(nèi)核和硬件之間代碼來用設(shè)定硬件平臺(tái)。Windows CE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口和與處理器無關(guān)等特點(diǎn)。Windows CE不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，并且在Windows CE平臺(tái)上可以使用Windows 95/98上的編程工具（如Visual Basic、Visual C++等）、使用同樣的函數(shù)、使用同樣的界面風(fēng)格，使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺(tái)上繼續(xù)使用。

本文著重分析Windows CE 3.0的實(shí)時(shí)性、通用性、模塊化、Win32兼容等性能特點(diǎn)。根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)對系統(tǒng)平臺(tái)的一般要求，例如實(shí)時(shí)性、可靠性、圖形界面以及開發(fā)環(huán)境成本等，分析Windows CE在工業(yè)控制領(lǐng)域的優(yōu)缺點(diǎn)以及Windows CE在工業(yè)控制中有很好的應(yīng)用前景。

1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是指有特定功能或用途的計(jì)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(jì)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(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，這也是與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最主要區(qū)別。嵌入式技術(shù)與實(shí)時(shí)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(gè)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(hào)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(shí)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(jì)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(jì)的主流。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(shí)現(xiàn)模塊化編程，同時(shí)由多個(gè)人共同完成1個(gè)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(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)。

3 Windows CE 3.0實(shí)時(shí)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(shí)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(tái)，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(gè)功能強(qiáng)大的開放的32位實(shí)時(shí)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(diǎn)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(diǎn)

Windows CE是一個(gè)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(gè)全新的、可移植的、實(shí)時(shí)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。

WinCE3.0是微軟的Windows Compact Edition，是一個(gè)通用版本，并不針對掌上產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)PC、家電和工控設(shè)備上也可以安裝運(yùn)行，但要做許多客戶化工作，當(dāng)然也可以做掌上電腦。 微軟鼓勵(lì)大家在任何硬件平臺(tái)（WinCE3.0支持5系列CPU: x86, PowerPC, ARM ,MIPS,SH3/4） 上使用（為了和VxWorks,Linux等競爭），所以早期的WINCE運(yùn)行在不同的硬件平臺(tái)上，而且可以更換顯示方向，以便為不同的平臺(tái)服務(wù)。

（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(gè)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(tái)。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(shí)時(shí)性

Windows CE 2.1及其以前的版本實(shí)時(shí)性能不強(qiáng)，但Windows CE 3.0及以后的版本實(shí)時(shí)性能得到明顯改善。Windows CE 3.0的實(shí)時(shí)性能主要通過以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)：支持嵌套中斷，高優(yōu)先級(jí)的中斷并不需要等待低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)例程（ISR）完成；通過固定高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)線程（IST）的最大調(diào)度延遲改善線程響應(yīng)時(shí)間；使用Hitachi SH3微處理器，系統(tǒng)可以在2~5μs內(nèi)啟動(dòng)一個(gè)中斷服務(wù)例程（ISR），在 90~170μs內(nèi)啟動(dòng)相應(yīng)的中斷服務(wù)線程。如果考慮其它因素，如CPU類型、時(shí)鐘頻率、總線速度等的影響，許多實(shí)際的基于Windows CE平臺(tái)的響應(yīng)時(shí)間更短。

（4） 模塊化

由于存儲(chǔ)器資源在移動(dòng)和嵌入式設(shè)備中非常有限，Windows CE設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊化操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者只需選擇那些需要的模塊以滿足指定平臺(tái)的存儲(chǔ)器要求。Windows CE的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括4個(gè)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）。Filesys用于永久存儲(chǔ)，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(gè)模塊又分成許多小組件。裁減Windows CE時(shí)，可以只選擇那些需要的組件。

圖1 Windows CE的基本結(jié)構(gòu)

（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(gè)子集，大約有600個(gè)API函數(shù)，可以實(shí)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)。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(shí)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(fèi)者和特定用途的智能化電子設(shè)備將會(huì)大量涌現(xiàn)。后者將會(huì)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(shí)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。

雖然Windows CE 3.0作為嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)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(tái)SMP等。工業(yè)控制操作系統(tǒng)需要嚴(yán)格的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性是指能夠在限定時(shí)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(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱以完成規(guī)定功能和作出響應(yīng)時(shí)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，但是當(dāng)硬件確定以后，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)時(shí)支持。

（2） 可靠性

工業(yè)控制系統(tǒng)對可靠性要求很高，計(jì)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?？煽啃灾饕瑑蓚€(gè)方面的含義：一是控制計(jì)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。

從故障角度來看，實(shí)時(shí)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(huì)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(xiǎn)性。所以Windows CE比一般的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(hào)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(jí)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(shí)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。

（5） 開發(fā)成本和開發(fā)環(huán)境

工業(yè)控制設(shè)備的生產(chǎn)批量小，開發(fā)環(huán)境所占比重大，所以易用、廉價(jià)的開發(fā)環(huán)境對控制設(shè)備生產(chǎn)商十分關(guān)鍵。Windows CE的開發(fā)成本低，生成和調(diào)試工具方便易用。Windows CE Platform Builder 3.0提供了迅速創(chuàng)建Windows CE嵌入式系統(tǒng)需要的全部軟件工具。Platform Builder主要包括Windows CE Add-on Pack（插件包）、各種調(diào)試工具及Embedded Visual Tools（由面向嵌入式系統(tǒng)開發(fā)而進(jìn)行優(yōu)化的Embedded Visual Basic和Embedded Visual C++組成）。

針對不同的系統(tǒng)，WindowsCE使用了不同的開發(fā)技術(shù)： Windows CE 使用的 VC++ 5.0 開發(fā)系統(tǒng)嵌入式工具包，提供系統(tǒng)庫、工具、文本和樣本代碼，從而使 OEMs 能夠?qū)μ囟ǖ挠布脚_(tái)使 Windows CE 標(biāo)準(zhǔn)定制。嵌入式工具包也包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)包（DDK）和軟件開發(fā)包（SDK） ，DDK 提供了關(guān)于寫驅(qū)動(dòng)器的附加文本，SDK 提供庫、頭文件、樣本代碼、文本以允許，開發(fā)者對基于 Windows CE 的平臺(tái)進(jìn)行寫操作。 Windows CE 提供了相同的程序界面，以用來為其它的視窗操作系統(tǒng)開發(fā)功能，例如，Windows CE 版本 1.01支持大約1000個(gè)微軟的Win 32 API 函數(shù)的其中500個(gè)。這就意味著大量不同類的工具，第三方書籍，關(guān)于 Win 32 開發(fā)者訓(xùn)練教程，可以替代或?yàn)?Windows CE 系統(tǒng)的開發(fā)者所用。 而實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開發(fā)者能夠使用 VDFF 5.0 的嵌入式工具包，以把操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到特定的平臺(tái)，并為這個(gè)平臺(tái)開發(fā)附加設(shè)備驅(qū)動(dòng)器和實(shí)時(shí)功能。

5 結(jié)論

到目前為止，工業(yè)控制系統(tǒng)中的自動(dòng)化設(shè)備仍然受專用硬件或工業(yè)化PC平臺(tái)的限制。專用硬件通常十分耐用，并能抗惡劣環(huán)境，但是只能用于單一的、特定的用途。雖然工業(yè)化PC比專用硬件更具有靈活性，但是由于振動(dòng)、灰塵、潮濕、高溫以及其它環(huán)境問題的影響，工業(yè)化PC平臺(tái)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障和數(shù)據(jù)丟失。Windows CE操作系統(tǒng)是一個(gè)適合下一代互連工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的理想小體積嵌入平臺(tái)。由于采用MSMQ（Microsoft Message Queuing）這樣的先進(jìn)應(yīng)用服務(wù)，使Windows CE實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)現(xiàn)場IT設(shè)施的全面集成成為可能。它還具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性能，支持確定性的響應(yīng)時(shí)間控制。Windows CE能從閃存啟動(dòng)，從而避免了暴露在灰塵、高溫和震動(dòng)環(huán)境下，使它可以適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。基于Windows CE的嵌入式控制系統(tǒng)提供統(tǒng)一的、可伸縮的解決方案，將專用硬件的耐用性與PC的靈活性結(jié)合在一起。因此Windows CE在工業(yè)控制領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。