WES操作系統(tǒng)電池供電方案設(shè)計(jì)

隨著32位RISC系統(tǒng)處理能力的增強(qiáng)，臺(tái)式機(jī)x86架構(gòu)也正在逐步降低對(duì)電能的需求。如今，這兩種平臺(tái)都可以用來設(shè)計(jì)電池供電的移動(dòng)設(shè)備。不過，當(dāng)臺(tái)式機(jī)應(yīng)用程序真正用于移動(dòng)設(shè)備時(shí)，還需要在某些方面進(jìn)行特別考慮，而Window Embedded Standard操作系統(tǒng)的出現(xiàn)則解決了這一問題。

　　Window Embedded Standard(簡(jiǎn)稱WES)不只是臺(tái)式機(jī)操作系統(tǒng)的翻版，它是一種不同的環(huán)境，具有專門針對(duì)低功耗、移動(dòng)和不連續(xù)操作而設(shè)計(jì)的新功能。本文將介紹如何高效地使用這些功能。

　　臺(tái)式機(jī)和移動(dòng)設(shè)備是不同的

　　從安全性角度來看，人們可能丟失移動(dòng)設(shè)備，從而造成其中的數(shù)據(jù)安全受到威脅。蜂窩電話中可能有許多電話號(hào)碼。一個(gè)WES設(shè)備可能含有美國(guó)國(guó)家電話簿。而且有類數(shù)據(jù)特別重要，即生物識(shí)別數(shù)據(jù)。帳號(hào)或電話號(hào)碼被盜，可以修改;而一旦生物識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)遭到破壞，那么問題非同小可。

　　針對(duì)“靜止數(shù)據(jù)”的安全性，WES提供磁盤級(jí)、目錄級(jí)或文件級(jí)的數(shù)據(jù)加密技術(shù)，因?yàn)镋FS(加密的文件系統(tǒng))是基本NTFS文件系統(tǒng)的組成部分。雖然WES沒有采用Vista級(jí)的“Bitlocker”加密，但卻采用了其他方法來建立等效的安全系統(tǒng)。

　　另外該系統(tǒng)還提供多種第三方的‘整盤’加密解決方案，其中有些方案甚至符合FIP140-2標(biāo)準(zhǔn)，也有一些方案與硬盤技術(shù)集成在一起。

　　所有這些安全解決方案都要從身份驗(yàn)證開始，移動(dòng)設(shè)備的身份欺騙是一種真正的威脅。我們希望移動(dòng)設(shè)備能在安全區(qū)域之外使用，因此我們需要知道它是否真的是那臺(tái)‘給家里打電話’的設(shè)備。

　　對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來說可能還有另外一種‘欺騙’——可以和目標(biāo)設(shè)備切換的克隆或?qū)\生設(shè)備。也許一位不知情的伙伴無(wú)意中會(huì)把這臺(tái)‘邪惡的孿生設(shè)備’帶進(jìn)安全地區(qū)，還有可能移動(dòng)設(shè)備中的硬盤被取出來放進(jìn)另一臺(tái)電腦中進(jìn)行分析和攻擊。

　　需要注意，良好的用戶安全三要素(你有什么——標(biāo)記，你是誰(shuí)——生物識(shí)別，你知道什么——口令)不足以戰(zhàn)勝這類欺騙威脅。取得合法認(rèn)證的用戶仍能通過泄密設(shè)備登錄到網(wǎng)絡(luò)(例如，利用安裝好的鍵盤記錄器)，從而破壞安全。設(shè)備本身(不僅是硬盤上的軟件)需要成為網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)的安全路徑的一部分。這方面最好要用TCG(可信計(jì)算機(jī)組)規(guī)定的一些硬件解決方案來實(shí)現(xiàn)。

　　像Atmel的TPM(可信平臺(tái)模塊)等硬件組件執(zhí)行重要功能，尤其是“安全啟動(dòng)”，其得到了第三方整盤加密文件系統(tǒng)的支持。這里的想法是，隨著引導(dǎo)軟件的加載，將產(chǎn)生唯一的軟件和設(shè)備身份哈希碼。這個(gè)哈希碼被存儲(chǔ)在模塊深處，即使用戶或管理者都無(wú)法獲知。只有系統(tǒng)知道要啟動(dòng)什么軟件，并且軟件知道只能在這個(gè)硬件上運(yùn)行。

　　TPM模塊還為口令、哈希過的口令、密鑰和證書提供安全存儲(chǔ)庫(kù)。‘靜止’保存在RAM中或磁盤扇區(qū)上的數(shù)據(jù)(比如口令)可以被WINHEX等商用工具提取出來并還原出本來面目。如果這些數(shù)據(jù)位于沒有被基本NTFS加密的扇區(qū)(例如脫機(jī)處理區(qū)、臨時(shí)區(qū)、交換區(qū)或打印區(qū))，那么可能就是明文。

　　但即使經(jīng)過了加密，通過使用快速的離線計(jì)算機(jī)也能哈希數(shù)百萬(wàn)個(gè)明文字符串，直到它們‘匹配哈希結(jié)果’，從而獲得口令或密鑰。保證重要的密鑰數(shù)據(jù)安全的最佳方法是將它存儲(chǔ)在芯片最深處，因?yàn)槟抢镉写鄹臋z測(cè)和響應(yīng)電路，可以保護(hù)數(shù)據(jù)免于遭受入侵。

　　即使不是國(guó)家安全方面的應(yīng)用，也經(jīng)常需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)保護(hù)功能，例如高清媒體。許多移動(dòng)x86設(shè)備正在規(guī)劃中，而高清視頻的回放通常是這些設(shè)備的目標(biāo)應(yīng)用之一。

　　事實(shí)上，所有商業(yè)高清視頻內(nèi)容都受強(qiáng)大的DRM(如索尼的藍(lán)光技術(shù))保護(hù)，但不管是在實(shí)驗(yàn)室還是法庭，經(jīng)常能看到內(nèi)容所有者和那些在不支付版稅的情況下拷貝并分發(fā)內(nèi)容的人進(jìn)行“斗爭(zhēng)”。目前為止，通過使用智能和容易更新的安全VM(虛擬機(jī))，以及類似WIPO著作權(quán)條約(1996年)1等法律，高清內(nèi)容所有者似乎勝算較大。對(duì)于建立在嵌入式設(shè)備中且必須跨國(guó)界使用的軟件來說，爭(zhēng)論尚未結(jié)束?？梢栽赑C機(jī)上運(yùn)行的下載版“破解”軟件,也許在挪威法庭2上仍然是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。一道禁令，完全可以在國(guó)界線上阻止裝有侵權(quán)軟件的設(shè)備，但這會(huì)造成制造商和進(jìn)口商嚴(yán)重的現(xiàn)金流問題。

　　美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)的“Molecular Expressions”在檢查Digital MicroVAX計(jì)算機(jī)上的切割線通道(scribe lane)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了一條消息，消息文本是條俄語(yǔ)短語(yǔ)：“VAX——如果你真在乎，就去偷最好的東西。”這句話經(jīng)常出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代的黑帽白帽黑客大戰(zhàn)中。

　　這些DRM方案通常要求多方面的設(shè)備認(rèn)證，從媒體到播放器，再到計(jì)算機(jī)，然后到顯示圖片的顯示設(shè)備。芯片保護(hù)身份(如TCG批準(zhǔn)的模塊)對(duì)這種系統(tǒng)來說是必需的。像Vista一樣的WES可以與這種軟件一起工作，并可與DMC1998兼容。微軟正在努力防止Linux被“Tivo化”3。

　　移動(dòng)WES設(shè)備的設(shè)計(jì)師應(yīng)該仔細(xì)考慮人機(jī)界面(HMI)問題。即使有Atom芯片組的圖形處理能力，并得到了微軟現(xiàn)成驅(qū)動(dòng)程序的強(qiáng)大支持，設(shè)備仍可能因顯示器尺寸限制而需要重新對(duì)某些HMI進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)然，普通的“XP”桌面是可用的，并且可以被賦于不同的顏色主題，如果需要的話還可以對(duì)圖形和功能作重大修改。

　　想要為其設(shè)備完整設(shè)計(jì)定制接口的人都應(yīng)該好好看看Siverlight。Siverlight主要用于微軟所謂的RIA(豐富交互式應(yīng)用)。Silverlight是在.NET 3.5下的Visual studio中開發(fā)的，可以在單一IDE中提供到數(shù)據(jù)庫(kù)和編程語(yǔ)言的直接接口。.NET 3.5是WES提供的一個(gè)新功能，并不是老版XP embedded的一部分。

　　但Silverlight是一種基于瀏覽器的技術(shù)，因此可能不適合移動(dòng)手持設(shè)備。在本例中，首選接口可以是Windows Presentation Foundation(WPF)。WPF可以提供Silverlight的所有功能——嵌入式視頻、動(dòng)畫、可擴(kuò)展矢量圖像等，但所有這些功能的實(shí)現(xiàn)都不需要使用瀏覽器。

　　最后，有關(guān)移動(dòng)設(shè)備的另一個(gè)細(xì)節(jié)：它們一般都用電阻觸摸屏，不用鼠標(biāo)或軌跡球。這是一種不同的接口——比如沒有’hover’特性。Windows Mobile和Windows CE都習(xí)慣于利用屏幕上的點(diǎn)擊保持、點(diǎn)擊拖放和雙擊操作提供需要的功能，但這些功能必須嵌入觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序，而這些驅(qū)動(dòng)程序?qū)γ考矣|摸屏供應(yīng)商來說都是不同的，并不是現(xiàn)成WES的一部分。你需要自己來創(chuàng)建這種驅(qū)動(dòng)程序，或者從OEM供應(yīng)商處獲取。

　　需要提醒大家的是，這種驅(qū)動(dòng)程序如果做得不好的話，可能極耗資源和功率。最好使用優(yōu)秀的低功耗、中斷驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)來創(chuàng)建這些驅(qū)動(dòng)程序。

　　聯(lián)網(wǎng)功能

　　對(duì)于一個(gè)真正的移動(dòng)設(shè)備來說，聯(lián)網(wǎng)功能是有差異的。筆記本電腦雖然也是可移動(dòng)的，但通常在一個(gè)固定地點(diǎn)工作，并保持一條到單個(gè)WiFi接入點(diǎn)的鏈接。然而，手持式WES設(shè)備可能需要在移動(dòng)中使用(比如在倉(cāng)庫(kù)中攜帶RFID閱讀器/平板電腦的工人)，可能從一個(gè)接入點(diǎn)‘跳到’另一個(gè)接入點(diǎn)，同時(shí)還要保持會(huì)話的連接性和安全性。

　　Windows Communication Foundation(WCF)可以提供這種靈活性。WCF是.NET框架的一部分，可用于搭建互相通信的應(yīng)用程序。WCF內(nèi)置于Vista中，開發(fā)WCF設(shè)備的OEM商可以進(jìn)行下載和安裝。

　　WCF是微軟針對(duì)通信的全面解決方案，但該領(lǐng)域并非只有微軟一家大公司。思科幾乎壟斷了接入點(diǎn)市場(chǎng)，他們的各種標(biāo)準(zhǔn)(著名的CCX)也是OEM設(shè)備開發(fā)環(huán)境中的一個(gè)要素。幸運(yùn)的是，這些通信技術(shù)都基于與XP/Vista兼容這樣一個(gè)共同點(diǎn)，因此可以與WES系統(tǒng)一起作為即插即用驅(qū)動(dòng)程序安裝。

　　OEM廠商應(yīng)注意，對(duì)移動(dòng)設(shè)備來說，供應(yīng)商標(biāo)準(zhǔn)也許還不夠。針對(duì)不同類型的醫(yī)療設(shè)備、DoD信息和各種安全(經(jīng)濟(jì))事務(wù)都有嚴(yán)格的工業(yè)和政府標(biāo)準(zhǔn)。同樣幸運(yùn)的是，所有這些標(biāo)準(zhǔn)都是用Windows PC設(shè)備開發(fā)和驗(yàn)證的，因此OEM商適應(yīng)WES設(shè)備通常很容易。

　　然而，所有答案不在軟件中。移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)師尤其需要理解他的設(shè)備處于通信情景中的哪個(gè)環(huán)節(jié)。例如，筆記本電腦幾乎都是USB主機(jī)。然而，移動(dòng)設(shè)備可能是USB從機(jī)，也可能同時(shí)具有主機(jī)和從機(jī)的功能。這類變化可能需要BIOS做出調(diào)整。

　　功耗

　　功率使用，更具體地說是每次單元操作的能耗，對(duì)電池供電設(shè)備而言非常關(guān)鍵。最終，我們需要的是在最小電池成本和體積下的“使用天數(shù)(DOU)”。時(shí)鐘速率或MIPS的測(cè)量并不能很好地指示一個(gè)設(shè)備的‘DOU’。功耗的測(cè)量并不嚴(yán)格與DOU相關(guān)。每瓦的MIPS有一定程度的關(guān)聯(lián)，但前提是恒定連續(xù)的使用——對(duì)移動(dòng)設(shè)備來說很少這樣。但真正有價(jià)值的是每次操作的瓦特秒(爾格)。

　　移動(dòng)應(yīng)用是中斷和事件驅(qū)動(dòng)型應(yīng)用。例如，移動(dòng)設(shè)備可能有一個(gè)內(nèi)置的RFID閱讀器。它的電池壽命可能不是以小時(shí)計(jì)，而是以閱讀次數(shù)計(jì)。如果設(shè)計(jì)合理的話，這種設(shè)備平時(shí)應(yīng)該幾乎不耗電，除非要求去讀取標(biāo)簽。然后，它應(yīng)觸發(fā)工作、發(fā)出射頻脈沖、讀取返回的數(shù)據(jù)、排除錯(cuò)誤讀數(shù)、應(yīng)用一些商業(yè)邏輯，再將數(shù)據(jù)傳送給本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，中間可能需要啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接。

　　正如你看到的那樣，對(duì)硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的整合努力，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的每次操作爾格值。進(jìn)一步的爾格/操作優(yōu)化直接取決于執(zhí)行的操作和采用的網(wǎng)絡(luò)。例如，簡(jiǎn)短的SMS通過CDMA或GPRS發(fā)送可能具有很高的能效(每字節(jié)納爾格)。而較大的文檔，比方電子郵件或圖形，在用Wi-Fi傳送時(shí)可能具有最高的效率(每兆字節(jié)爾格值)。WES向應(yīng)用程序設(shè)計(jì)師提供了這樣的平臺(tái)：能夠根據(jù)要求的帶寬、安全性和服務(wù)質(zhì)量有選擇地使用網(wǎng)絡(luò)。

　　帶ACPI的電源管理

　　現(xiàn)有的WES提供與XP Pro計(jì)算機(jī)電腦上一樣的高級(jí)配置與電源接口(ACPI)。通過這種內(nèi)置并且現(xiàn)成的ACPI，你可以獲得像休眠等許多基本功能。而且你可以從應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)額外的電源管理功能。ACPI級(jí)電源管理基于對(duì)運(yùn)行時(shí)間空閑的簡(jiǎn)單監(jiān)視，如表1所示4。

　　WES中包含的這種基本ACPI函數(shù)與筆記本電腦中使用的一樣，只是移動(dòng)設(shè)備電源管理的開始點(diǎn)?？刂艫CPI的‘定時(shí)器’設(shè)置值通常遠(yuǎn)大于用于表征實(shí)時(shí)設(shè)備事件驅(qū)動(dòng)操作的間隔時(shí)間。

　　擴(kuò)展電源管理

　　WES 2009有一個(gè)新特性，即一次休眠，多次啟動(dòng)(HORM)。HORM能讓系統(tǒng)迅速(標(biāo)稱值是1秒)啟動(dòng)至事先創(chuàng)建的休眠文件。例如，這一特性能讓自動(dòng)化系統(tǒng)在短暫的電源故障后迅速進(jìn)入工作狀態(tài)。

　　對(duì)一些設(shè)備來說，OEM商應(yīng)準(zhǔn)備好移動(dòng)過去基本的ACPI級(jí)電源管理功能，將它們集成進(jìn)應(yīng)用程序中。OEM或其一線供應(yīng)商，可以擴(kuò)展BIOS來提供API，以便將CPU甚至相關(guān)的電子器件轉(zhuǎn)換為更低功耗狀態(tài)。

　　有趣的是，對(duì)我們來說是連續(xù)操作的短暫毫秒時(shí)間內(nèi)，有足夠的空間實(shí)現(xiàn)功耗節(jié)省。例如，MPEG回放的每幀要求多種耗用功率：一種是將數(shù)據(jù)送出磁盤，一種是解碼，一種是填充幀緩存，然后是很低功耗(但屏幕背光一直是開著的)以等待下一幀。

　　MPEG幀與幀之間的這種可變功耗在高速電流測(cè)量示波器上是真實(shí)可見的。

　　電池充電

　　耗能只是問題的一半，首先必須給電池充電。鋰化學(xué)原料具有一定的危險(xiǎn)性，一般是使用智能電池?？刂齐姵爻潆娨笤L問I2C或SPI總線接口，并且是從應(yīng)用層一直到管理電池的充放電過程。電池管理是一個(gè)艱巨的軟硬件設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，而與操作系統(tǒng)的集成是任何移動(dòng)設(shè)備成功的基礎(chǔ)。

　　圖1：“筆記本電腦”與“移動(dòng)設(shè)備”設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的比較。