摘要：從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件要求、設(shè)計(jì)開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域等方面詳細(xì)介紹了美國(guó)微軟公司最新的３２位Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ操作系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng) 模塊化設(shè)計(jì)

１ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系統(tǒng)簡(jiǎn)介

Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ（以下簡(jiǎn)稱ＣＥ）是美國(guó)微軟公司專門為各種移動(dòng)和便攜電子設(shè)備、個(gè)人信息產(chǎn)品、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)等非臺(tái)式或筆記本電腦領(lǐng)域設(shè)計(jì)的一種３２位高性能操作系統(tǒng)。它具有一個(gè)簡(jiǎn)捷、高效的完全搶先式多任務(wù)操作核心，支持強(qiáng)大的通信和圖形顯示功能，能夠適應(yīng)廣泛的系統(tǒng)需求。ＣＥ操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括：

·兼容于微軟公司的視窗（Ｗｉｎｄｏｗｓ）ＰＣ電腦操作系統(tǒng)，支持超過１０００個(gè)常用的３２位視窗應(yīng)用程序接口函數(shù)（Ｗｉｎ３２ＡＰＩ），支持高分辨率真彩色顯示，為應(yīng)用軟件提供了強(qiáng)大的運(yùn)行平臺(tái)。

·對(duì)硬件沒有任何特殊要求，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者根據(jù)所開發(fā)產(chǎn)品的要求自由選擇硬件，同時(shí)提供最廣泛的硬件設(shè)備支持，包括通信接口、顯示和打印設(shè)備、輸入輸出設(shè)備、音頻設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備等。

·支持多達(dá)數(shù)十種不同的３２位微處理器芯片，包括Ｉｎｔｅｌ和ＡＭＤ公司的Ｘ８６系列、摩托羅拉公司的ＰｏｗｅｒＰＣ、日立公司的ＳＨ３系列、東芝公司的ＭＩＰＳ系列以及ＰＨＩＬＩＰＳ、ＮＥＣ公司的處理器產(chǎn)品等。

·采用模塊化結(jié)構(gòu)，配置靈活，運(yùn)行時(shí)僅需很少的存儲(chǔ)器（ＲＡＭ）資源，并且是目前唯一的可以從ＲＯＭ（只讀存儲(chǔ)器）中直接啟動(dòng)的３２位操作系統(tǒng)，能夠滿足具有嚴(yán)格硬件資源限制的系統(tǒng)要求。

由于其本身具有的出色性能，ＣＥ系統(tǒng)自１９９６年底面世之后，迅速在國(guó)外最新一代的工業(yè)和家用電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。在美國(guó)，僅基于ＣＥ系統(tǒng)的掌上電腦產(chǎn)品銷量就已超過了２００萬臺(tái)。本文將從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件要求、設(shè)計(jì)開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域等４個(gè)方面對(duì)ＣＥ系統(tǒng)作全面的介紹。

２ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ＣＥ操作系統(tǒng)由一些獨(dú)立的模塊組成，每一個(gè)模塊提供特定的系統(tǒng)功能，大的模塊又可以分成為幾個(gè)組件。這種組件式結(jié)構(gòu)能使ＣＥ系統(tǒng)變得非常緊湊，僅需使用很少的硬件資源就可運(yùn)行。最主要的系統(tǒng)模塊有四個(gè)，它們是：

· 內(nèi)核

內(nèi)核是整個(gè)操作系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)最基本的操作系統(tǒng)功能，包括內(nèi)存管理，進(jìn)程管理和必需的文件管理。ＣＥ系統(tǒng)的內(nèi)核繼承了微軟公司視窗操作系統(tǒng)的大部分出色性能，能夠提供虛擬內(nèi)存管理、進(jìn)程調(diào)度、多任務(wù)管理、多線程管理以及中斷處理、異常處理等系統(tǒng)級(jí)服務(wù)。ＣＥ系統(tǒng)強(qiáng)大的搶先式多任務(wù)處理機(jī)制允許多達(dá)３２個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序（即所謂進(jìn)程）同時(shí)運(yùn)行，而多線程機(jī)制又支持每個(gè)進(jìn)程擁有自己下屬的多個(gè)運(yùn)行分支（即所謂線程）。此外，ＣＥ系統(tǒng)還允許每個(gè)進(jìn)程擁有不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程可以比優(yōu)先級(jí)低的進(jìn)程擁有更高的系統(tǒng)資源使用權(quán)限。這種多任務(wù)特性使ＣＥ系統(tǒng)非常適用于需要實(shí)時(shí)處理功能的嵌入式系統(tǒng)，它使應(yīng)用程序能夠同時(shí)運(yùn)行幾個(gè)分支以處理不同的突發(fā)任務(wù)。

· 持久性存儲(chǔ)模塊

持久性存儲(chǔ)模塊通過對(duì)ＣＥ系統(tǒng)中對(duì)象存儲(chǔ)（ｏｂｊｅｃｔ ｓｔｏｒｅ）功能的支持，為用戶和應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。對(duì)象存儲(chǔ)包含三種類型：文件系統(tǒng)、ＣＥ數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)注冊(cè)表。文件系統(tǒng)使用文件分配表（ＦＡＴ）來管理用戶安裝或創(chuàng)建的可執(zhí)行程序或數(shù)據(jù)文件，最多支持９個(gè)ＦＡＴ分區(qū)，并具有鏡像處理和安全功能，能預(yù)防在掉電或其他緊急情況下丟失數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫提供結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問功能。系統(tǒng)注冊(cè)表用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序需要快速訪問的系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)以及其它信息。

· 繪圖、窗口、事件子系統(tǒng)簡(jiǎn)稱ＧＷＥＳ）

ＧＷＥＳ是用戶、應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間的圖形化操作界面，負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)與用戶之間的人機(jī)交互接口。ＧＷＥＳ處理輸入的方式是將按鍵、手寫式輸入裝置的移動(dòng)、菜單或按鈕等控件的選擇等用戶輸入事件轉(zhuǎn)換為消息，然后再傳遞給應(yīng)用程序；處理輸出的方式是在顯示設(shè)備或打印機(jī)上顯示或打印窗口、圖形、文本等信息。ＧＷＥＳ的核心是窗口，所有的應(yīng)用程序都需要通過窗口從操作系統(tǒng)中接收信息，而所有的輸入事件都要經(jīng)操作系統(tǒng)翻譯為消息后通過窗口傳遞給應(yīng)用程序。圖１為ＧＷＥＳ的結(jié)構(gòu)。

· 通信模塊

通信模塊為運(yùn)行ＣＥ系統(tǒng)的設(shè)備提供對(duì)多種通信硬件和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的支持，包括串／并行數(shù)據(jù)端口、紅外數(shù)據(jù)端口、電話應(yīng)用程序接口（ＴＡＰＩ）以及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。ＣＥ系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能十分強(qiáng)大，支持局域網(wǎng)（ＬＡＮ）、傳輸控制協(xié)議／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ協(xié)議ＴＣＰ／ＩＰ、遠(yuǎn)程訪問服務(wù)ＲＡＳ、網(wǎng)間控制報(bào)文協(xié)議（ＩＣＭＰ）、超文本傳輸協(xié)議（ＨＴＴＰ）、文件傳輸協(xié)議（ＦＴＰ）等所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

以上介紹的４個(gè)模塊提供了最主要的操作系統(tǒng)功能。除此之外，ＣＥ系統(tǒng)還有其它一些可選擇的模塊，包括：設(shè)備管理器和可安裝型設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊、多媒體聲音支持模塊、組件對(duì)象模型（ＣＯＭ）支持模塊、系統(tǒng)外殼（Ｓｈｅｌｌ）等。對(duì)于ＣＥ系統(tǒng)而言，每一個(gè)模塊都提供一種完整的功能。在最終的應(yīng)用系統(tǒng)中，這些功能不一定都會(huì)被使用。ＣＥ系統(tǒng)不要求用戶包含所有的功能，如果某項(xiàng)功能不需要的話，整個(gè)模塊就可以被省略。

這種基于模塊和組件的結(jié)構(gòu)使ＣＥ系統(tǒng)具有了高度的可伸縮性，它允許用戶在設(shè)計(jì)自己的操作系統(tǒng)時(shí)自由選擇需要的模塊或組件。這樣，系統(tǒng)開發(fā)者就能夠方便地根據(jù)具體的硬件要求定制出合適的操作系統(tǒng)，使其中僅包含設(shè)備運(yùn)行所必須的功能模塊，從而不必為支持其它不需要的硬件或功能付出額外代價(jià)。通過采用這種方式，ＣＥ系統(tǒng)在支持目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)硬件設(shè)備及接口標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)又保證了最大的靈活性和系統(tǒng)效率，因此能夠適應(yīng)廣泛的用戶系統(tǒng)的要求。

３ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系統(tǒng)的硬件要求

ＣＥ操作系統(tǒng)不需要任何特定的硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)際的硬件系統(tǒng)完全由用戶根據(jù)需要自由設(shè)計(jì)。從理論上說，一臺(tái)以ＣＥ系統(tǒng)為基礎(chǔ)的設(shè)備必須有一個(gè)處理器，有內(nèi)存及內(nèi)部時(shí)鐘以便處理進(jìn)度，除此之外再?zèng)]有其他的硬件要求。不過在實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)系統(tǒng)都需要有周邊設(shè)備才能完成其功能。如前所述，ＣＥ系統(tǒng)提供了廣泛的硬件兼容性，支持幾乎所有的外圍設(shè)備、其它設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。為了進(jìn)一步減少對(duì)內(nèi)存資源的需求，ＣＥ系統(tǒng)在采用模塊化設(shè)計(jì)的同時(shí)還大量使用了動(dòng)態(tài)鏈接庫（Ｄｙｎａｍｉｃ－Ｌｉｎｋ Ｌｉｂｒａｒｙ），許多功能函數(shù)都包含在動(dòng)態(tài)鏈接庫中，僅當(dāng)應(yīng)用程序需要時(shí)才調(diào)入內(nèi)存，平時(shí)則以文件形式保存在存儲(chǔ)器內(nèi)。

作為一個(gè)小而靈活的操作系統(tǒng)，以ＣＥ為基礎(chǔ)的系統(tǒng)所需內(nèi)存大小完全依賴于系統(tǒng)選用的模塊和組件。表１列出了幾種有代表性的基于ＣＥ的操作系統(tǒng)配置以及對(duì)存儲(chǔ)器資源的要求。其中，ＭｉｎＩｎｐｕｔ表示最小輸入采集系統(tǒng)，ＭｉｎＧＤＩ表示最小圖形系統(tǒng)，ＭｉｎＣｏｍｍ表示最小通信系統(tǒng)，Ｈ／ＰＣＵＩ表示手持電腦用戶操作系統(tǒng)。表格中，ＲＯＭ欄表示系統(tǒng)需要的永久存儲(chǔ)空間，ＲＡＭ欄表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)占用的系統(tǒng)內(nèi)存，ＳＴＡＣＫ欄表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)占用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

表1 幾種基于CF的操作系統(tǒng)配置與資源占用情況

可以看出，相對(duì)于它強(qiáng)大的功能，ＣＥ操作系統(tǒng)對(duì)于硬件資源的要求非常低。一個(gè)只包含內(nèi)核、通信端口，不需要顯示功能的基本系統(tǒng)僅需不到４００Ｋ的ＲＯＭ和３０Ｋ ＲＡＭ即可運(yùn)行，而一個(gè)完整配置的掌上電腦操作系統(tǒng)也只需大約２Ｍ ＲＯＭ和１Ｍ ＲＡＭ。當(dāng)然，最終的系統(tǒng)配置還必須考慮應(yīng)用程序運(yùn)行和用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要。

４ 基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)行ＣＥ的嵌入式系統(tǒng)需要經(jīng)過以下步驟：

（１）明確設(shè)計(jì)目的，確認(rèn)系統(tǒng)功能，選擇合適的微處理器芯片和周邊設(shè)備；

（２）完成硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)；

（３）選擇ＣＥ功能模塊，定制操作系統(tǒng)，并改編部分代碼使之與硬件平臺(tái)相配合；

（４）編寫應(yīng)用軟件。

典型的基于ＣＥ的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖２所示。其中，設(shè)備管理器提供對(duì)可安裝設(shè)備的支持，允許在系統(tǒng)中安裝諸如ＰＣ卡存儲(chǔ)器和調(diào)制解調(diào)器之類的設(shè)備以擴(kuò)充功能；附加技術(shù)模塊指由ＣＥ操作系統(tǒng)提供的一些可選擇的專用功能模塊，如ＪＡＶＡ語言（一種網(wǎng)絡(luò)編程語言）支持模塊、手寫筆輸入識(shí)別模塊等；外殼模塊為系統(tǒng)提供一個(gè)與ＰＣ電腦上的視窗操作系統(tǒng)類似的圖形化操作界面。

對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言，需要自行開發(fā)的是應(yīng)用程序和直接與硬件有關(guān)的部分，包括硬件系統(tǒng)本身、硬件抽象層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其中，硬件抽象層是指建立在硬件設(shè)備與系統(tǒng)內(nèi)核之間的一層代碼，主要任務(wù)是為內(nèi)核管理具體硬件設(shè)備的時(shí)鐘、中斷和實(shí)施電源管理提供支持。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)支持操作系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)硬件的訪問。硬件抽象層和驅(qū)動(dòng)程序都需要針對(duì)具體的硬件設(shè)備編寫。一般硬件設(shè)備制造廠商會(huì)為設(shè)備提供驅(qū)動(dòng)軟件支持，如果有專門為ＣＥ系統(tǒng)編寫的驅(qū)動(dòng)程序，只需將其加入到操作系統(tǒng)的相應(yīng)模塊中就可使用。如果沒有，則應(yīng)根據(jù)廠商提供的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包編寫。通常這些開發(fā)包中已經(jīng)包含了完成各種硬件操作的標(biāo)準(zhǔn)代碼，開發(fā)者的工作只是將其與相應(yīng)的ＣＥ系統(tǒng)ＡＰＩ函數(shù)對(duì)應(yīng)起來。在ＣＥ系統(tǒng)中，所有涉及硬件的操作都通過調(diào)用相應(yīng)的ＡＰＩ接口函數(shù)來完成，而硬件抽象層和驅(qū)動(dòng)程序就是要為這些ＡＰＩ函數(shù)提供支持，將其翻譯為直接對(duì)目標(biāo)硬件進(jìn)行的底層操作。通過這種方式，ＣＥ系統(tǒng)將應(yīng)用程序與具體的硬件設(shè)備進(jìn)行了隔離，應(yīng)用程序只需調(diào)用ＡＰＩ函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的訪問。這樣，程序員在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)就沒有必要編寫任何直接針對(duì)硬件的代碼，因此不必考慮具體的硬件特性，而應(yīng)用程序也具有了不依賴于具體硬件設(shè)備的獨(dú)立性。

微軟公司提供了專門的Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ平臺(tái)編輯器軟件來幫助開發(fā)者完成定制操作系統(tǒng)和編寫硬件抽象層的工作。該編輯器是一個(gè)可以在ＰＣ電腦上運(yùn)行的工具軟件包，其中包含完整的帶有集成開發(fā)工具的Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ操作系統(tǒng)，并附帶了編程指南、應(yīng)用程序接口（ＡＰＩ）參考等資料和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工具箱。用戶可以使用其中的操作系統(tǒng)編輯器、匯編編輯器和經(jīng)過優(yōu)化的Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋編輯器進(jìn)行開發(fā)，并將最終生成的操作系統(tǒng)編譯為能夠被處理器芯片識(shí)別的二進(jìn)制代碼文件，以便在目標(biāo)系統(tǒng)中使用。除啟動(dòng)和初始化部分外，ＣＥ系統(tǒng)的其他部分可以直接以文件形式存儲(chǔ)。ＣＥ平臺(tái)編輯器中還帶有遠(yuǎn)程調(diào)試工具，只要硬件開發(fā)系統(tǒng)支持并留出調(diào)試端口，就可以將編輯好的操作系統(tǒng)從ＰＣ電腦中下載到硬件平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試，并在ＰＣ電腦上觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和內(nèi)存資源使用情況等信息。

由于ＣＥ操作系統(tǒng)支持１０００多個(gè)與Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)兼容的ＡＰＩ函數(shù)，使在基于ＣＥ的嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的程序可以擁有與ＰＣ電腦中的程序同樣復(fù)雜和強(qiáng)大的功能。微軟公司提供了專門用于編寫ＣＥ程序的Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋和Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ附件工具包以及ＣＥ平臺(tái)模擬器，讓程序員能夠直接利用這兩種熟悉的編程語言在ＰＣ電腦上編寫和調(diào)試ＣＥ系統(tǒng)中的程序。此外，盡管編寫ＣＥ系統(tǒng)的應(yīng)用程序與編寫ＰＣ平臺(tái)的３２位Ｗｉｎｄｏｗｓ應(yīng)用程序有一些區(qū)別，但其中進(jìn)程、線程、視窗的概念以及ＡＰＩ函數(shù)、資源、控件都與Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)非常相似，因此任何具有Ｗｉｎｄｏｗｓ編程經(jīng)驗(yàn)的程序員都能夠很容易地掌握ＣＥ編程。

５ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

目前國(guó)外已經(jīng)有大量基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系統(tǒng)的設(shè)備面市，所涉及的領(lǐng)域包括家用電器、娛樂設(shè)備、專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、便攜電腦以及個(gè)人通信產(chǎn)品等。微軟公司于１９９９年３月在中國(guó)深圳提出了維納斯計(jì)劃，其核心內(nèi)容就是推廣基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ系統(tǒng)的信息家電產(chǎn)品。目前已經(jīng)有許多符合這一概念的產(chǎn)品面世，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的便攜式網(wǎng)絡(luò)終端ＷｅｂＰａｄ，能夠隨時(shí)與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)瀏覽和收發(fā)電子郵件。類似的產(chǎn)品還包括網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒和網(wǎng)絡(luò)電話。在家庭娛樂市場(chǎng)方面，日本世嘉公司于１９９８年底推出了運(yùn)行ＣＥ系統(tǒng)的Ｄｒｅａｍｃａｓｔ電視游戲機(jī)，其擁有的強(qiáng)大的處理器運(yùn)算能力和圖形功能甚至超過了桌面電腦產(chǎn)品，除進(jìn)行游戲之外還能播放ＤＶＤ、瀏覽互聯(lián)網(wǎng)或運(yùn)行基于ＣＥ系統(tǒng)的應(yīng)用程序。在專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方面，使用ＣＥ系統(tǒng)的有打包和郵件跟蹤設(shè)備、超市收銀機(jī)終端、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、車載導(dǎo)航電子設(shè)備以及工業(yè)控制系統(tǒng)等。在便攜電腦市場(chǎng)方面，運(yùn)行ＣＥ系統(tǒng)的設(shè)備包括掌上電腦、個(gè)人商務(wù)通產(chǎn)品和車載移動(dòng)電腦系統(tǒng)。掌上電腦是最近幾年興起的新型便攜信息產(chǎn)品，一般都配備筆輸入裝置，具有文字處理、電子記事和網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能，可以與桌面電腦進(jìn)行對(duì)接交換數(shù)據(jù)，而重量不到傳統(tǒng)筆記本電腦的一半。在國(guó)外，流行的掌上電腦操作系統(tǒng)有Ｐａｌｍ ＯＳ和Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ兩種，而國(guó)內(nèi)則主要是中文Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ。常見的惠普、聯(lián)想等公司的產(chǎn)品都使用了最新的中文ＣＥ２．１１版本，其中還引入了漢王筆輸入識(shí)別技術(shù)和金山詞霸英漢雙向翻譯系統(tǒng)。在個(gè)人通信市場(chǎng)方面，已經(jīng)有大量?jī)?nèi)置ＣＥ系統(tǒng)、能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問和收發(fā)電子郵件的移動(dòng)電話產(chǎn)品出現(xiàn)。

總結(jié)以上介紹可以得出結(jié)論，由于ＣＥ操作系統(tǒng)具有強(qiáng)大的功能、廣泛的兼容性、靈活的適用性、最小的硬件資源要求和完善的開發(fā)工具支持，因此是設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的理想選擇。２１世紀(jì)將是人類社會(huì)全面走向網(wǎng)絡(luò)化、信息化的時(shí)代，電子產(chǎn)品小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)已不可避免。面對(duì)這一浪潮，將先進(jìn)的操作系統(tǒng)性能和強(qiáng)大的通信能力高度集成在一起的ＣＥ系統(tǒng)無疑具有美好的應(yīng)用前景。