微軟嵌入式操作系統(tǒng)的分析和比對(上)

摘要： 文章介紹了微軟的嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品線，分析了WinCE 6.0和.NET Micro framework技術特點。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的要求，還比較了微軟和嵌入式Linux、 VxWorkss的差異和各自特色。

　　關鍵詞： 嵌入式操作系統(tǒng);WinCE;Windows Mobile;單片機;.NET Micro framework

引言

　　在嵌入式操作系統(tǒng)領域，微軟的Windows Mobile正在智能手機市場快速增長，“2007 Windows 硬件工程大會”及“2007 移動與嵌入式開發(fā)者大會”的資料顯示，全球55個國家的110個運營商采用Windows Mobile，近50家設備制造商生產(chǎn)了100多款Windows Mobile手機和便攜式設備。微軟的其他嵌入式軟件發(fā)展也非?？欤?1%的零售商考慮使用基于Windows Embedded的POS (銷售點)系統(tǒng)，2005年有60%的瘦客戶端運行著WinCE。微軟最新發(fā)表的面向單片機的.NET Micro Framework在2006發(fā)布后，今年3月在美國的ESC(嵌入式系統(tǒng)大會)又發(fā)表了一個擴展版本。由此可見，微軟的嵌入式操作系統(tǒng)正在成為商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)的重要選擇。

　　但是比較起不少已經(jīng)有20多年歷史的老牌嵌入式操作系統(tǒng)公司，微軟還是一個新兵，整個產(chǎn)品線還在發(fā)展和豐富之中。

　　微軟嵌入式產(chǎn)品發(fā)展歷史

　　在探討微軟的嵌入式操作系統(tǒng)技術細節(jié)之前，讓我們先了解一下其名稱、相互關系和發(fā)展歷史。微軟從96年發(fā)表WinCE第一個版本，到目前為止，可以看到有兩個主要嵌入式操作系統(tǒng)品牌。其一是針對移動終端的操作系統(tǒng)Windows Mobile，在5.0 版本之前，Windows Mobile分為針對智能手機的版本W(wǎng)indows Mobile for SmartPhone，針對PDA 手機的版本W(wǎng)indows Mobile for Pocket PC Phone，針對PDA 的版本W(wǎng)indows Mobile for Pocket PC。

　　其二是微軟的嵌入式操作系統(tǒng)平臺Windows Embedded ，這個平臺目前包括微軟核心的嵌入式實時操作系統(tǒng)-Windows CE(簡稱WinCE), 它可以支持各種便攜設備和廣泛的嵌入式應用。嵌入式XP—Windows Embedded XP(簡稱XPE)，是模塊化的XP版本，支持各種嵌入式應用。嵌入式POS系統(tǒng)-Windows Embedded for POS(簡稱WEPOS)，一個專門為零售終端定制的嵌入式XP版本。

　　微軟這些嵌入式操作系統(tǒng)里面實際上只有兩個內核，一個是WinCE 內核，包括Windows Mobile也是使用這個內核，目前Windows Mobile 5.0 和6.0版本使用的都是WinCE 5.x 版本的內核。該版本2004年推出，是目前廣泛使用的一個產(chǎn)品。WinCE 目前的最新版本是6.0，2006年底正式發(fā)布。另外一個內核是XPE和WEPOS 使用的Windows XP的核心。

　　由此可見微軟在嵌入式系統(tǒng)的策略，即WinCE 和Windows Mobile 是具有硬實時的嵌入式操系統(tǒng)，目標是移動和通用的嵌入式設備，如手機、導航、PMP、機頂盒、工業(yè)控制設備和醫(yī)療儀器等。Windows Embedded XP 是一個非實時的可以嵌入的操作系統(tǒng)，目標是瘦客戶機、零售機器、工廠生產(chǎn)線控制和技術外設存儲和顯示設備。另外，微軟最新推出的.NET Micro Framework是針對微型設備和單片機市場的一個新產(chǎn)品，它補償WinCE不能支持的更小型的嵌入式應用。

　微軟嵌入式平臺核心-WinCE 技術特色

　　WinCE 是一款典型的嵌入式操作系統(tǒng)，具有層次化和模塊化的體系結構。WinCE分為硬件、OEM(委托制造)、操作系統(tǒng)和應用軟件四個清晰的層次，硬件層即WinCE 可以支持不同的微處理器和外設，如x86、ARM、XScale 等，OEM層是指引導程序(boot loader)、設備驅動等，操作系統(tǒng)層是內核模塊、圖形模塊、文件和存儲模塊、設備管理和加載系統(tǒng)的服務模塊組成，應用軟件層是WinCE自身的應用軟件，如MS Office、Media Player、IE和第三方應用軟件。應用軟件層和操作系統(tǒng)層有一個Win32 本地API和基于.Net Compact Framework的被管理代碼。

　　WinCE內核

　　WinCE 是微內核操作系統(tǒng)，這是目前嵌入式操作系統(tǒng)都在使用的先進的內核技術，例如，VxWorks、QNX和最新的L4內核都實現(xiàn)了微內核技術。微內核是指在內核里面只實現(xiàn)一些基本服務，如進程調度、進程間通信和中斷處理等，其他的服務和功能都放在內核外。顯然，微內核的好處是易于移植到不同的處理器和硬件平臺，內核外的服務如設備驅動和文件管理模塊是運行在不同的地址空間，這樣相較于整個系統(tǒng)都是平板結構的實時內核(如uc/os-II、nucleus、threadx)要更加安全和可靠。微內核的核心也非常小巧，一般幾K~幾十K字節(jié)。當然事物永遠是辨正的兩個方面，微內核系統(tǒng)因為要經(jīng)常在內核態(tài)和用戶態(tài)之間轉換，所以系統(tǒng)的某些性能和實時響應能力可能要比平板結構的實時內核要低(不同的性能指標取決于不同的微內核系統(tǒng)的設計)。

　　同Windows一樣，WinCE每個運行程序都是一個進程，WinCE 5.0 版本支持32個進程，每個進程有32M的虛擬地址空間，WinCE 6.0 則可以支持3.2萬個進程，每個進程有2G的虛擬地址空間。WinCE 是一個基于搶占的多線程操作系統(tǒng)。在線程這一級，WinCE 可以實現(xiàn)類似嵌入式操作系統(tǒng)任務的調度、通訊、同步功能。為了支持可以搶占的硬實時調度，WinCE 已經(jīng)實現(xiàn)了優(yōu)先級反轉機制(priority inversion)。

　　6.0版本的WinCE內核相較以前的5.0有了很大的改進，重要的一點就是把一部分關鍵文件、圖形管理和驅動程序放到內核里面，好處是減少了模塊在用戶態(tài)和內核態(tài)切換的開銷，還減少了應用程序訪問這些模塊調用的開銷。WinCE 6.0的內核結構見圖1。

圖1 WinCE 6.0的內核結構

WinCE 的BSP

　　嵌入式操作系統(tǒng)是運行在不同的微處理器上，如手機和移動設備大量使用的ARM體系結構的CPU，市場上有三星ARM2410/2430、TI OMAP730/1710/2430和Marvel XScale體系的PXA270等，除此之外，還有數(shù)字電視、IP機頂盒系統(tǒng)使用的MIPS體系結構，如東芝、博通、IDT等公司的芯片。當然，x86在各種通用嵌入式系統(tǒng)方面也有大量的應用。

　　微軟的嵌入式操作系統(tǒng)也是使用BSP(Board Support Package)的概念支持各種CPU和硬件平臺的移植工作，在WinCE 5.0里已經(jīng)有包括三星2410、Marvel PXA270等許多流行的BSP，微軟的OEM廠商如研華、飛思卡爾、NXP等也提供他們移植的OEM BSP。WinCE 6.0將會在CE5.0支持ARM V4基礎上支持ARM V6，包括三星、飛思卡爾的ARM11核的SoC都將得到支持。在x86方面，微軟依托在桌面系統(tǒng)的強勢，得到了眾多IPC(工業(yè)PC)和EPC(嵌入式PC)廠家的擁戴和支持。

　　在BSP結構方面，新的WinCE6.0的內核和OAL是完全獨立的兩個模塊，好處是在修改BSP后，內核不需要重新構建了，減少了多次構建、測試和發(fā)布內核的過程，提高了系統(tǒng)的可靠性。這種結構還可以讓微軟發(fā)布針對OEM的內核，而OEM可以因為自身知識產(chǎn)權的考慮，以二進制方式向最終用戶發(fā)布BSP(如圖2)。WinCE自身包含OEM BSP 定制和發(fā)布工具，這樣OEM可以很方便地發(fā)行自己的BSP SDK包。

圖2 內核和BSP的結構

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