(1)具有模塊化的可裁剪內核結構。
(2)適應小型系統,為低成本弱計算能力系統提供簡潔、高效、完善的控制手段。
(3)遵循Windows平臺的應用開發規范,提供Win32 API等。
(4)靈活的內存訪問機制,可以使系統中不同類型的應用程序充分地使用系統提供的RAM、ROM和閃存,并有選擇地有效利用處理器提供的虛存、保護等功能。
(5)高效的任務管理調度機制——多任務,具有256級優先級和動態優先級搶占式調度的功能。
(6)支持實時應用。
(7)Windows CE的通信服務包括:①串行通信,IrDA;②Telephony API(TAPI);③與Windows2000相當的TCP/IP支持;④Windows Socket;⑤Remote Access Server(RAS);⑥Simple Network Management Protocol(SNMP)代理;⑦Network Driver Interface Specification(NDIS);⑧Dynamic Host Configuration Protocol(DHCP)客戶端;⑨Internet Protocol Helper API,如名字解析、ARP(地址解析協議)等;⑩Windows Networking CIFS(Common Internet File System)轉發。
(8)內置多媒體功能,具有可擴充的Compact Flash/MMC/SD插槽,通過擴展卡可實現多種功能。
(9)提供高級電源管理功能。
此外,Windows CE應用程序的集成開發環境eMbedded Visual C++擁有強大的開發和調試工具。利用其進行應用程序的開發,程序可運行于特定的平臺,而不需要編寫額外的代碼,針對特定平臺的代碼轉換工作由系統自動完成。
3 Windows CE結構分析
Windows CE的設計目標是具有可伸縮性的模塊化結構,實時性能好,通信能力強,支持多種CPU。完備的功能需要必備的結構。下面以Windows CE的最新版本Windows CE .NET為例,從系統模型、管理機制等方面對其結構進行分析。
3.1 系統模型
Windows CE .NET采用典型的系統分層模型,其分層結構模型如圖2所示。
由圖2可知,Windows CE .NET操作系統的功能在中間二層得以實現,應用支持庫的上部和操作系統層的上部(主要是CoreDLL.dll)以及下部具有接口性質,它們構成了Windows CE .NET的應用界面和系統界面。從宏觀角度看,系統包括多個軟件實體:CoreDLL、NK、數據存儲、設備管理、圖形用戶界面、網絡通信等。
CoreDLL完成外部調用系統功能的代理,實現系統API函數的管理和按名調用。此外,還可調用一些基本的支持函數,例如字符串處理、隨機數生成、時間計算等。其運行時表現為CoreDLL.dll。
NK是Windows CE .NET操作系統的核心,主要完成處理器調度、內存管理、異常處理、系統內的通信機制、為其他部分提供核心調用例程、為系統范圍內的調試提供支持。其運行時表現為NK.exe。
數據存儲提供基本的數據存儲能力。其運行時表現為filesys.exe(Memory)。
設備管理提供系統范圍內基本的設備列表管理、即插即用管理、電源管理、I/O資源管理并實現設備驅動程序得以工作的基本機制。其運行時表現為Device.exe。
圖形用戶界面提供基本的繪圖引擎、窗口管理、界面的事件機制等。其運行時表現為GWES.exe。
網絡通信包括了服務層、接口層、協議層和驅動層。通過系統提供的API,用戶可以很容易地開發各種網絡應用。
除此之外,在Windows CE .NET的應用界面上還存在一個重要的Win32系統服務層。Windows CE .NET提供了符合Windows平臺標準的開發環境,它實現了Win32 API的一個子集,覆蓋了大部分的Win32功能。該服務層滿足了Windows CE .NET對應用程序提供的接口實現。
3.2 系統管理機制
Windows CE作為目前掌上電腦的主流操作系統,在內存管理方面除了采用分配、回收、虛擬映射、調頁等機制外,為了優化頁的使用,系統在虛擬內存之上提供了邏輯內存管理機制。此外,Windows CE .NET是一個多任務的操作系統,在多任務調度方面,為了滿足實時性的要求,Windows CE .NET采用基于動態優先級的搶占式調度算法,而對于相同優先級的任務采用了時間片輪轉調度的算法。同一優先級的時間片輪轉調度算法可作為基于優先級的可搶占調度算法的補充,以完成實時多任務系統的任務調度。
(1)邏輯內存管理
Windows CE .NET提供了三個層次的內存邏輯結構,即物理內存、虛擬內存和邏輯內存。Windows CE .NET采用分頁式虛擬內存,通過32位的虛擬地址查找頁表,映射到相應的ROM或RAM物理地址。為了避免以頁為單位分配回收時造成的空間浪費,Windows CE .NET采用以堆為單位的邏輯內存管理機制,應用程序可以用比頁小的很多的粒度來申請堆,系統可以根據應用程序的需要自動地增加堆的大小,而釋放空間時,堆的削減也由系統自動完成。
(2)任務調度
Windows CE .NET采用基于動態優先級的搶占式多任務機制。越重要的任務優先級越高。
高優先級的任務最先得到CPU的控制權,保證了實時系統中對時間有嚴格限制的緊急任務得到更為優先的處理。同時優先級動態的調整,不但增強了系統的靈活性,而且提高了系統的運行效果。采用搶占式的調度算法使得任務級響應時間達到最優化。Windows CE .NET在任務調度中采用任務優先級機制、優先級動態調整機制和搶占式調度,目的都是為了最大限度地滿足任務調度的實時性。
對于一個優先級只有一個任務的簡單系統內核,上述的三種調度機制足以滿足系統的實時要求。但對于Windows CE .NET這樣復雜的、高性能的多任務實時內核,由于多個任務允許共用一個優先級,則相同優先級間的調度就要采取Windows CE .NET提供的時間片輪轉方法來實現。具體實現如圖3所示。
在沒有更高優先級任務就緒時,相同優先級的任務依照就緒的先后次序執行。執行了一定的時間片后,無論任務完成與否,均轉入下一任務執行,未運行完的任務釋放處理器的控制權后轉入就緒隊列的末尾,依次往復。這樣的輪轉策略保證了具有相同優先級的任務相對平等地享有處理器的控制權。在Windows CE系統中,一般設置的時間片的大小為10ms,它可以通過OEM廠商所開發的不同硬件進行設置。
4 Windows CE的應用與發展
Windows CE操作系統是微軟為了進軍PDA市場而開發的,其首要的應用是在PDA領域。但是作為一款通用性的嵌入式操作系統,隨著手機的普及以及掌上電腦與移動通信功能的融合,微軟已進軍無線通信市場,并且在工業控制領域嶄露頭角。基于Windows CE對多媒體(包括DirectX)、通信(TCP/IP、SNMP及TAPI等)和安全的支持,利用微軟提供的嵌入式軟件開發環境,將使Windows CE在娛樂、通信、工業控制和事務處理等嵌入應用領域中發揮積極的作用。
隨著Internet的發展以及Internet技術與信息家電、工業控制技術等結合日益密切,嵌入式設備與Internet的結合將代表著嵌入式技術的真正未來,Windows CE也必將面向網絡而發展。為了滿足市場需求的不斷提高,在Windows CE .NET的基礎上微軟發布了Windows CE .NET4.2版本,其功能特性包括強大的實時技術手段、網絡互聯特性、視頻與音頻編/解碼程序、圖形顯示功能及遠程桌面支持。
綜上所述,Windows CE .NET將為快速建立下一代智能移動和小內存占用的設備提供一個健壯的實時操作系統。
參考文獻
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