WinCE 的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是嵌入式操作系統(tǒng)中一個(gè)重要部分，它是外設(shè)和應(yīng)用軟件的接口，追隨了微軟的一貫風(fēng)格。WinCE的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序規(guī)范和豐富，需要特別指出的是，WinCE 5.0所有的驅(qū)動(dòng)程序全部是采用動(dòng)態(tài)加載方式，即在操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動(dòng)以后對(duì)硬件外設(shè)(如USB、LCD)加載，驅(qū)動(dòng)程序依然運(yùn)行在內(nèi)核空間。簡(jiǎn)單來講，這種驅(qū)動(dòng)程序是在用戶態(tài)和我們熟悉的Windows 系統(tǒng)的DLL方式?jīng)]有區(qū)別，其好處是程序員調(diào)試一個(gè)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候會(huì)很方便，和應(yīng)用程序的調(diào)試沒有差異，可以使用正常的函數(shù)調(diào)用，把驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作和數(shù)據(jù)顯示在屏幕上;再有，相對(duì)用戶自己開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序，可能有不穩(wěn)定和可靠的地方，運(yùn)行在用戶態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)更穩(wěn)定些。

　　但是問題和缺陷也顯而易見，就是因?yàn)轵?qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)加載和內(nèi)核的切換代表性能的損失，對(duì)于桌面系統(tǒng)這可能沒有太大的影響，但是在嵌入式系統(tǒng)，用戶對(duì)實(shí)時(shí)性能的要求要嚴(yán)格得多。為了解決這個(gè)問題，在新的WinCE6.0里面的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒎譃閮?nèi)核模式和用戶模式兩種，內(nèi)核模式側(cè)重效率，用戶模式側(cè)重穩(wěn)健和可靠。微軟力求保證驅(qū)動(dòng)程序的主體結(jié)構(gòu)沒有大的變化，微軟資料顯示大約有幾天的時(shí)間可以完成一個(gè)一般規(guī)模的驅(qū)動(dòng)的移植過程，微軟公司和微軟的增值代理都提供了相應(yīng)的課程。

　　WinCE開發(fā)工具

　　微軟工具新的策略是使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Visual Studio 2005平臺(tái)支持全部的微軟嵌入式操作系統(tǒng)系列的開發(fā)，歷史上支持過WinCE和Windows Mobile 開發(fā)的工具有：

　　*操作系統(tǒng)開發(fā)-Platform Builder，它的作用是構(gòu)建操作系統(tǒng)，設(shè)有配置和調(diào)試工具，CE6.0以后這個(gè)工具就不單獨(dú)存在，而是合并到Visual Studio 作為它的一個(gè)插件。

　　*應(yīng)用程序開發(fā)-eMbedded Visual C++，支持本地應(yīng)用程序開發(fā)C, C++, MFC(微軟基礎(chǔ)類), ATL(COM的目標(biāo)和Active X 控制)，這個(gè)工具在CE5.0版本以后已經(jīng)合并到Visual Studio 2005里面。

　　*Visual Studio 2005-微軟全新的開發(fā)工具已經(jīng)包含了Platform Builder, 值得特別提到的是Visual Studio 2005支持微軟托管的應(yīng)用代碼編寫和調(diào)試，即.NET Compact Framework，它是NET Framework專門針對(duì)WinCE優(yōu)化后的一個(gè)簡(jiǎn)化版本。在嵌入式設(shè)備上可以大幅提高軟件開發(fā)生產(chǎn)力，對(duì)于軟件越來越成為嵌入式設(shè)備的主要成本之一將會(huì)起到積極的作用，是一次編程多次使用的軟件重用理想的實(shí)現(xiàn)。Visual Studio 2005為了方便嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)而設(shè)計(jì)的支持不同硬件平臺(tái)的“軟仿真器”也給用戶留下很深的印象。

圖3 基于NET Compact Framework的汽車外接顯示裝置

　　面向微型設(shè)備的.Net Micro Framework

　　前面提到的.NET Compact Framework雖好，但因?yàn)橐劳蠾inCE平臺(tái)要求的硬件資源比較大，微軟的 .NET Micro Framework 是微軟面向嵌入式系統(tǒng)中微型設(shè)備和單片機(jī)(MCU)市場(chǎng)的一個(gè)新的產(chǎn)品，是WinCE, Windows Mobile和Windows XP Embedded 在嵌入式市場(chǎng)的一個(gè)補(bǔ)充。.NET Micro Framework應(yīng)用可能是小型工業(yè)網(wǎng)關(guān)、家庭能源管理裝置、遙控器，也可以是Windows Vista PC 的sideshow(枝節(jié))設(shè)備，如筆記本電腦的副屏(可以播放MP3、顯示日歷、行程等)等，如圖3所示。微軟.NET Micro Framework 目前支持基于32位微處理器ARM7和9的硬件平臺(tái)，已經(jīng)移植好的參考硬件平臺(tái)有飛思卡爾iMXS、DIGi Connet ME和EmbeddedFusion。

　　.NET Micro Framework 把通用的I/O設(shè)備，如UI、GPIO、SPI、Comm等做好一個(gè)類庫(見圖4)，其他和應(yīng)用相關(guān)的硬件設(shè)備由合作伙伴(如DIGi)完成，值得注意的是，.NET Micro Framework還可以運(yùn)行在一個(gè)小RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))上，如DIGI平臺(tái)運(yùn)行的是Threadx RTOS, 微軟認(rèn)證的合作伙伴使用微軟提供的porting kit把這些設(shè)備類庫移植好，這樣使得嵌入式工程師能在不了解單片機(jī)硬件的前提下開發(fā)單片機(jī)的應(yīng)用。.NET Micro Framework 里面有一個(gè)重要的部件叫CLR—可以理解為是個(gè)運(yùn)行代理，它的作用是個(gè)實(shí)時(shí)的編譯器，負(fù)責(zé)執(zhí)行被用戶提交的管理代碼，CLR還負(fù)責(zé)內(nèi)存和線程管理，如圖4所示類庫以上的應(yīng)用層都是被管理代碼(managed code)，下面還是C/C++本地代碼(native code)，這樣整個(gè).NET Micro Framework代碼非常的小，大約是250~500K。(WinCE 大約是1~12M左右)。需要指出的是，.NET Compact Framework不是一個(gè)傳統(tǒng)意義的實(shí)時(shí)多線程操作系統(tǒng)，但是它可以支持多線程的操作，可以滿足一定范圍上實(shí)時(shí)要求，如通過設(shè)置UI是主線程滿足一定的顯示面板輸入響應(yīng)的要求，通過看門狗定時(shí)器和中斷方式滿足和實(shí)時(shí)設(shè)備接口數(shù)據(jù)通訊的要求。.NET Compact Framework的編程方式更接近微軟的桌面圖形編程界面，如，同樣使用delegate、callback處理外部事件。

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　　.NET Micro Framework的SDK是開放給所有用戶的，但是要得到porting kit需要得到微軟的認(rèn)證。信息產(chǎn)業(yè)部集成電路和軟件促進(jìn)中心(CSIP)是微軟授權(quán)的.NET Micro Framework在中國的技術(shù)培訓(xùn)和合作伙伴。

　　.NET Micro Framework面向的是一個(gè)對(duì)于微軟來講全新的市場(chǎng)，可以說這種開發(fā)方式是對(duì)這個(gè)市場(chǎng)久已習(xí)慣的嵌入式軟件開發(fā)方式的一次革命性的改變，從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，無疑是一個(gè)正確的方向。在最近的技術(shù)大會(huì)上，微軟.NET Micro Framework產(chǎn)品經(jīng)理和主要設(shè)計(jì)者Colin Miller非常有信心的給大家分享了微軟.NET Micro Framework下個(gè)版本開發(fā)計(jì)劃，比如支持TCP/IP、USB、 BT/ZIGBEE、CAN總線和文件系統(tǒng)等等。但是應(yīng)該看到，由于嵌入式系統(tǒng)的特殊性和多樣性，微軟目前支持的平臺(tái)還比較少，合作伙伴的設(shè)計(jì)和應(yīng)用還待成熟和完善，.NET Micro Framework在國內(nèi)的發(fā)展還需要一定的時(shí)間。

圖4 .NET Micro Framework的結(jié)構(gòu)圖

　　微軟產(chǎn)品和其他RTOS比較

　　嵌入式系統(tǒng)畢竟不是桌面系統(tǒng)，用戶需求的差異和環(huán)境差異很大，平臺(tái)的變化也多，用戶的選擇余地就大。為了方便用戶比較和選擇一個(gè)合適的嵌入式操作系統(tǒng)，微軟官方網(wǎng)站上提供了第三方的評(píng)測(cè)報(bào)告供用戶閱讀和分析;國內(nèi)外基于微軟的嵌入式成熟應(yīng)用也可以供參考;微軟中國的市場(chǎng)和教育普及工作也對(duì)用戶了解微軟嵌入式操作系統(tǒng)大有幫助。下面僅對(duì)目前國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)比較流行的嵌入Linux 和VxWorks 進(jìn)行分析，比較他們和微軟嵌入式操作系統(tǒng)的差異和各自特色。

　　嵌入式Linux

　　最近結(jié)束的LinuxWorld China 2007 大會(huì)上，Linux基金會(huì)執(zhí)行總監(jiān)Jim Zemlin展望未來時(shí)再次強(qiáng)調(diào)，嵌入式和移動(dòng)應(yīng)用是除標(biāo)準(zhǔn)、虛擬計(jì)算和桌面外的一個(gè)重要的發(fā)展領(lǐng)域。比較微軟和其他的嵌入式操作系統(tǒng)，Linux和嵌入式Linux(經(jīng)過嵌入式優(yōu)化的Linux商業(yè)和非商業(yè)版本)的優(yōu)勢(shì)在于：1，開放性，Linux100%源代碼公開;2，廣泛性和成功的開發(fā)模式，全球化的社區(qū)開發(fā)和維護(hù)方式已經(jīng)被驗(yàn)證是一種高效率和成功的軟件開發(fā)模式;3，各種CPU和最新的硬件器件和系統(tǒng)的支持;4，豐富的開源資源和第三方應(yīng)用軟件。

　　Linux的缺點(diǎn)是，第一，實(shí)時(shí)性。Linux本身并不是為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，從操作系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏重于可靠性和網(wǎng)絡(luò)的效率，雖然商業(yè)嵌入式Linux公司如MontaVista 在2.4內(nèi)核上實(shí)現(xiàn)了可搶占的實(shí)時(shí)調(diào)度，開源社區(qū)也有了2.6 RT補(bǔ)丁，但是比較WinCE 和VxWorks 實(shí)時(shí)性都略遜一籌，來自南京大學(xué)的文章中有一個(gè)可以參考數(shù)據(jù)表格，見表1。

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　　第二，開發(fā)工具。Linux的開發(fā)工具一直是一個(gè)軟肋，從開源社區(qū)分工講。內(nèi)核和工具鏈?zhǔn)莾蓚€(gè)完全獨(dú)立的部分，內(nèi)核的開發(fā)和維護(hù)人員主要依賴于命令行工具。可喜的是，開源的Eclipse框架已經(jīng)成為包括嵌入式Linux 在內(nèi)的傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，基于Eclipse的商業(yè)嵌入式軟件如DevRocket、Workbench和Linuxscope也正在成熟。但是相對(duì)微軟的Visual Studio 2005，應(yīng)該說中國的用戶更加熟悉微軟的開發(fā)工具。

　　第三，完整應(yīng)用軟件方案，嵌入式系統(tǒng)要求的是有針對(duì)性的應(yīng)用軟件方案，嵌入式Linux雖然已經(jīng)有完整的操作系統(tǒng)組件，但是缺少針對(duì)具體應(yīng)用的軟件方案，舉個(gè)智能手機(jī)的例子，微軟的Windows Mobile for SmartPhone基本含有了手機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)(BSP)、內(nèi)核、TCP/IP、文件系統(tǒng)基本組件、手機(jī)軟件和多媒體辦公軟件等豐富的應(yīng)用軟件，這些基本涵蓋了整個(gè)智能手機(jī)所需要的全部軟件。但是相比較而言，嵌入式Linux的方案就顯得單薄多，雖然借助于包括Trolltech(奇趣) 的qtopia在內(nèi)的手機(jī)應(yīng)用軟件或者Access 的整套手機(jī)Linux軟件方案，Linux手機(jī)軟件仍缺少完整性和成熟性，這點(diǎn)對(duì)于包括中國手機(jī)企業(yè)在內(nèi)的2~3線的手機(jī)制造和設(shè)計(jì)公司帶來一定的壓力。

　　第四，商業(yè)化產(chǎn)品和服務(wù)。比較微軟，Linux和嵌入式Linux的商業(yè)公司規(guī)模小而且沒有標(biāo)準(zhǔn)化，雖然社區(qū)具有豐富的開發(fā)和創(chuàng)意的資源，但是社區(qū)沒有義務(wù)提供商業(yè)的服務(wù)和承諾。

　　風(fēng)河的VxWorks

　　VxWorks是傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)中的佼佼者，特別是在通信、國防和工業(yè)控制領(lǐng)域具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。VxWorks是基于微內(nèi)核技術(shù)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，從設(shè)計(jì)和實(shí)際的使用情況看，完全可以滿足硬實(shí)時(shí)性的要求，這點(diǎn)較Linux有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。相較于WinCE，VxWorks的實(shí)時(shí)性要更好一點(diǎn)，設(shè)備管理和驅(qū)動(dòng)要簡(jiǎn)練和高效些。VxWorks6.1的版本之后還提供基于MMU內(nèi)存保護(hù)和錯(cuò)誤管理的機(jī)制(目前CE和.NET MicroFramework 還不支持)，使系統(tǒng)的可靠性更有保證。VxWorks系統(tǒng)的配置靈活，代碼尺寸相較于WinCE和Linux要小得多，基本系統(tǒng)甚至比.NET Micro Framework還要小，這樣適合更低配置和成本要求的嵌入式設(shè)備。

　　VxWorks的網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，風(fēng)河公司和第三方都有大量的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用軟件支撐，VxWorks的API 是POSIX 兼容，這樣通信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)代碼就很容易移植進(jìn)來了(Linux 有相同的特點(diǎn))，這可以說是WinCE的一個(gè)弱點(diǎn)。

　　但是，VxWorks 在消費(fèi)電子和手持移動(dòng)設(shè)備方面應(yīng)用比較微軟操作系統(tǒng)甚至Linux都相對(duì)少得多，從技術(shù)和商業(yè)層面看，筆者認(rèn)為主要是這樣幾個(gè)原因：1，VxWorks是從內(nèi)核發(fā)展成為一個(gè)比較完整的嵌入式OS，但是API和圖形系統(tǒng)并不是十分標(biāo)準(zhǔn)和流行，單靠VxWorks自己的產(chǎn)品和松散的第三方資源還很難形成完整和公認(rèn)的消費(fèi)電子中間件。2，VxWorks早期是采用開發(fā)授權(quán)加上版稅的方式收取費(fèi)用，這種方式不能為強(qiáng)調(diào)成本控制的OEM/ODM(委托制造/委托設(shè)計(jì))廠商所接受，比如在過去的5年里，中國臺(tái)灣OEM/ODM生產(chǎn)的家用無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品多數(shù)都轉(zhuǎn)到Linux平臺(tái)，手機(jī)和GPS轉(zhuǎn)到上市比較快的WinCE和Window Mobile平臺(tái)。OEM/ODM不能接受為售價(jià)只有15~25美元的無線路由器再支付哪怕是1美元(甚至更少)的版稅了。

　　當(dāng)然，風(fēng)河公司已經(jīng)充分意識(shí)到這個(gè)問題，并在過去幾年改變了商業(yè)模式，比如以收取年費(fèi)的方式取代版稅模式，同時(shí)風(fēng)河正式采用雙OS的策略，進(jìn)軍嵌入式Linux 市場(chǎng)，推出風(fēng)河通信和消費(fèi)電子用Linux 平臺(tái)，以期和微軟抗衡，這是因?yàn)樗膶?shí)質(zhì)也是一個(gè)基于開源的嵌入式Linux版本。

　　結(jié)語

　　從前面的分析我們不難看出，微軟嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品線完整，開發(fā)工具成熟，產(chǎn)品的市場(chǎng)定位明確，可以為OEM/ODM提供從操作系統(tǒng)到應(yīng)用的全面解決方案和到后臺(tái)服務(wù)器的無縫連接方案。面對(duì)強(qiáng)手如林、需求獨(dú)特的嵌入式世界，微軟面臨的挑戰(zhàn)和困難要比其他領(lǐng)域大得多。中國是世界消費(fèi)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，手機(jī)、GPS、多媒體移動(dòng)終端、電視、機(jī)頂盒這些嵌入式裝置都是微軟嵌入式操作系統(tǒng)的重要目標(biāo)市場(chǎng)。最近，“2007 Windows 硬件工程大會(huì)”及“2007 移動(dòng)與嵌入式開發(fā)者大會(huì)”和.NET Micro Framework大會(huì)在北京召開，說明了微軟對(duì)中國嵌入式市場(chǎng)的重視，以及中國用戶對(duì)微軟嵌入式操作系統(tǒng)的關(guān)注。微軟的嵌入式操作系統(tǒng)將為絢麗多彩的嵌入式世界增添一朵奇葩。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　2. 李慶誠、唐德凱，‘嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性對(duì)比與評(píng)價(jià)’，單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)雜志，2007.6.

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　　4. MEDC 2007移動(dòng)和嵌入式開發(fā)者大會(huì)會(huì)議手冊(cè).

　　5. 杜偉，‘微軟嵌入式技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)’，2007年北京高校嵌入式教學(xué)會(huì)議。

　　6. 何小慶、比爾