隨著應用對象的擴大和微電子技術、軟件技術的發展，嵌入式系統逐漸從單片機發展到高性能嵌入式微處理器和嵌入式操作系統。WindowsCE是微軟公司嵌入式、移動計算平臺的基礎，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統，是基于掌上型電腦類的電子設備操作系統，它是精簡的Windows 95，Windows CE的圖形用戶界面相當出色。

Windows CE作業系統是Windows家族中最新的成員，專門設計給掌上型電腦（HPCs）所使用的電腦環境。這樣的作業系統可使完整的可攜式技術與現有的Windows桌面技術整合工作。 Windows CE 被設計成針對小型設備（它是典型的擁有有限內存的無磁盤系統）的通用操作系統，Windows CE 可以通過設計一層位于內核和硬件之間代碼來用設定硬件平臺。Windows CE具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口和與處理器無關等特點。Windows CE不僅繼承了傳統的Windows圖形界面，并且在Windows CE平臺上可以使用Windows 95/98上的編程工具（如Visual Basic、Visual C++等）、使用同樣的函數、使用同樣的界面風格，使絕大多數的應用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺上繼續使用。

本文著重分析Windows CE 3.0的實時性、通用性、模塊化、Win32兼容等性能特點。根據工業控制系統對系統平臺的一般要求，例如實時性、可靠性、圖形界面以及開發環境成本等，分析Windows CE在工業控制領域的優缺點以及Windows CE在工業控制中有很好的應用前景。

1 嵌入式系統

嵌入式系統是指有特定功能或用途的計算機硬、軟件的集合體，分為嵌入式軟件系統和嵌入式硬件系統。在智能控制設備、便攜式智能儀器等應用場合，出于對產品體積、成本等諸因素的考慮，往往要求將智能控制部分安裝于設備內部，且占用的空間盡可能小，在這種情況下，處理器沒有一般意義的硬盤，只有有限容量的內存及常用的Flash電子盤，這樣的系統稱為嵌入式系統。嵌入式系統的操作系統和功能軟件集成于計算機硬件系統之中，也就是軟件與硬件的一體化。嵌入式系統目的性或針對性很強，具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，這也是與通用計算機系統的最主要區別。嵌入式技術與實時性有著必然的聯系。

2 從單片機的應用發展到嵌入式操作系統

嵌入式系統開始于20世紀80年代單片機的使用。單片機技術已經滲透到各個領域，且與人們的日常生活密不可分，給人們生活和工業生產帶來極大方便。單片機的功能強大，從信號采集、處理到傳輸都能由單片機來完成。但是，隨著網絡時代的來臨，許多電子設備需要聯網和更智能化、更強的計算能力，比如音頻、視頻的數據采集、處理和傳輸；豐富的圖形界面等。

單片機越來越不能滿足應用對象的需求，開發工作也變得越來越復雜、龐大。隨著微電子技術的進步，芯片的制造成本大大降低，而功能卻大大增強，16位和32位的嵌入式微處理器逐漸成為嵌入式系統設計的主流。嵌入式操作系統要有良好的可移植性，能夠用在根據應用要求選擇的微處理器中；軟件開發工作變得規范，容易測試，可實現模塊化編程，同時由多個人共同完成1個任務；解決已往開發產品存在的諸多不安全隱患。很多軟件廠商迎合嵌入式系統發展的需要，推出了多種不同特點的嵌入式操作系統。

3 Windows CE 3.0實時操作系統及其性能分析

3.1 Windows CE

Windows CE操作系統是微軟為實現"信息隨手可得"的設想而努力開發的成果。通過 Windows CE，微軟提供了標準的開放式平臺，極大地減少了硬件制造商（IHV）、軟件開發商（SHV）以及最終將采納新一代非 PC 技術解決方案的客戶多方之間的矛盾。Windows CE是一個功能強大的開放的32位實時嵌入式操作系統，適用于快速構建新一代內存少、體積小的智能設備。例如工業控制器、手持式設備、智能電話、機頂盒和零售點設備等。目前的掌上電腦（PDA）、全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）、車載PC（Auto PC），有很多采用Windows CE操作系統。

3.2 Windows CE 3.0性能特點

Windows CE是一個搶先式多任務并具有強大通信能力的嵌入式操作系統。它是一個全新的、可移植的、實時的、模塊化的操作系統，具有流行的微軟程序開發界面，提供許多快速開發嵌入式系統的工具。

WinCE3.0是微軟的Windows Compact Edition，是一個通用版本，并不針對掌上產品，標準PC、家電和工控設備上也可以安裝運行，但要做許多客戶化工作，當然也可以做掌上電腦。 微軟鼓勵大家在任何硬件平臺（WinCE3.0支持5系列CPU: x86, PowerPC, ARM ,MIPS,SH3/4） 上使用（為了和VxWorks,Linux等競爭），所以早期的WINCE運行在不同的硬件平臺上，而且可以更換顯示方向，以便為不同的平臺服務。

（1） 新內核

Windows CE看上去和Windows 9X/NT很像，但它不是這些操作系統的簡化版，也不是從這些系統移植過來的。Windows CE具有全新的內核和任務調度、內存管理策略。

（2） 可移植性

由于Windows CE操作系統幾乎完全是用C語言編寫的，所以可移植到眾多的32位微處理器上；支持各種處理器家族，包括x86、PowerPC、ARM、MIPS和SH等系列。微軟為每個支持的處理器家族提供完整的系統庫。Windows CE可以通過OEM適配層OAL（OEM Adaptation Layer）適配到任何硬件平臺。OAL是駐留在CE內核和硬件之間的代碼層。原始設備制造商使用這些代碼把CE適配到自己的硬件上。OAL鏈接CE的內核和定制的硬件。

（3） 實時性

Windows CE 2.1及其以前的版本實時性能不強，但Windows CE 3.0及以后的版本實時性能得到明顯改善。Windows CE 3.0的實時性能主要通過以下技術實現：支持嵌套中斷，高優先級的中斷并不需要等待低優先級的中斷服務例程（ISR）完成；通過固定高優先級中斷服務線程（IST）的最大調度延遲改善線程響應時間；使用Hitachi SH3微處理器，系統可以在2~5μs內啟動一個中斷服務例程（ISR），在 90~170μs內啟動相應的中斷服務線程。如果考慮其它因素，如CPU類型、時鐘頻率、總線速度等的影響，許多實際的基于Windows CE平臺的響應時間更短。

（4） 模塊化

由于存儲器資源在移動和嵌入式設備中非常有限，Windows CE設計成一個模塊化操作系統，設計者只需選擇那些需要的模塊以滿足指定平臺的存儲器要求。Windows CE的結構如圖1所示，主要包括4個模塊：內核（Kernel）、圖形窗口事件子系統（GWES）、文件系統（Filesys）和通信模塊（Communications）。Filesys用于永久存儲，包括文件系統、注冊表和數據庫；Communications模塊負責與桌面PC、其它CE設備和因特網的互聯。每個模塊又分成許多小組件。裁減Windows CE時，可以只選擇那些需要的組件。

圖1 Windows CE的基本結構

（5） Win32兼容性

Windows CE采用與Windows 95/NT相同的編程模型，它的API是Win32 API的一個子集，大約有600個API函數，可以實現所有的嵌入式應用。CE只支持UNICODE碼，CE API刪除了Win32 API中包含ANSI字符串參數的函數。Win32的兼容性可以容易地把現成的Windows應用程序移植到Windows CE中。目前有許多開發人員精通Windows編程技術，他們只需學習很少的知識就可以開發Windows CE應用程序。

PC機技術的發展必然出現兩極分化：一方面PC機功能將進一步加強，達到以前工作站和小型機水平；另一方面，面向普通消費者和特定用途的智能化電子設備將會大量涌現。后者將會普遍采用類似Windows CE的嵌入式操作系統。

4 Windows CE在嵌入式控制系統中的應用分析

嵌入式操作系統是一種應用廣泛的系統軟件，工業控制是它的傳統應用領域，在這一領域里已有一些比較成功的嵌入式操作系統。但是，隨著應用對象的擴大和技術的進步，實際應用對工業控制系統的功能和性能提出了許多新的要求。例如，適應惡劣的工作環境，熟悉和友好的用戶界面，統一的編程界面，強大的通信功能和多媒體功能等，這些嵌入式操作系統很難滿足工業應用的新需要。

雖然Windows CE 3.0作為嵌入式系統平臺在工業控制領域還未被廣泛采用，但前景非常廣闊。許多著名的工業控制器生產商已經開發出基于Windows CE 3.0的工業控制產品，如西門子AG公司的多功能操作面板MP系列，Cybectec公司的變電站現代化平臺SMP等。工業控制操作系統需要嚴格的實時處理功能，高可靠性，良好的開放性，對人機界面、開發環境、可操作性、成本等也有特別的要求。

（1） 實時性

實時性是指能夠在限定時間內執行完規定的功能，并對外部的異步事件作出反應的能力。實時性的強弱以完成規定功能和作出響應時間的長短來衡量。提高硬件的處理能力可以在一定程度上提高計算機控制系統的實時性，但是當硬件確定以后，控制系統的實時性能主要由操作系統來決定。無論從汽車制造到工業自動化，還是從電子通信到交通運輸，Windows CE 3.0均可為具備確定性響應能力的應用程序提供內建實時支持。

（2） 可靠性

工業控制系統對可靠性要求很高，計算機控制系統發生故障或死機對于企業安全高效生產帶來不利的影響?？煽啃灾饕瑑蓚€方面的含義：一是控制計算機本身要連續穩定運行，二是系統檢查出故障后要有保持安全狀態的能力。雖然軟硬件抗干擾技術、熱冗余技術可以在一定程度上提高工業控制系統的可靠性，但是操作系統的可靠性仍然影響著工業控制系統的運行。

從故障角度來看，實時操作系統在應用中是以內核模式工作的，應用的故障會立刻造成系統崩潰。Windows CE內核具有內存管理功能，可以檢查出應用造成的系統異常，抑制由于應用不正常直接破壞系統的危險性。所以Windows CE比一般的實時系統健壯。

（3） 人機界面

不同對象對工業控制系統的人機界面HMI（Human Machine Interface）要求差別很大。在一般的實時嵌入式操作系統中，圖形功能弱，雖然也有提供圖形庫的，但沒有更強的功能。Window CE 不僅支持圖形和窗口，具有多媒體功能，而且還可以利用豐富靈活的控件庫在Windows CE環境下為嵌入式應用建立各種圖形用戶界面。Windows CE 支持256色，顯示分辨率可以設定，支持觸摸屏。因此，Windows CE 完全可以滿足工業控制系統對人機界面的要求。

（4） 開放性

Windows CE具有良好的通信能力，廣泛支持各種通信硬件、局域網連接以及撥號連接，并提供與PC、內部網以及Internet的連接，包括用于應用級數據傳輸的設備至設備間的互連。Windows CE具有良好的可擴展性，用戶可根據實際需要定制合適的硬件，開發自己的模塊和組件，集成到運行Windows CE的設備上。

（5） 開發成本和開發環境

工業控制設備的生產批量小，開發環境所占比重大，所以易用、廉價的開發環境對控制設備生產商十分關鍵。Windows CE的開發成本低，生成和調試工具方便易用。Windows CE Platform Builder 3.0提供了迅速創建Windows CE嵌入式系統需要的全部軟件工具。Platform Builder主要包括Windows CE Add-on Pack（插件包）、各種調試工具及Embedded Visual Tools（由面向嵌入式系統開發而進行優化的Embedded Visual Basic和Embedded Visual C++組成）。

針對不同的系統，WindowsCE使用了不同的開發技術： Windows CE 使用的 VC++ 5.0 開發系統嵌入式工具包，提供系統庫、工具、文本和樣本代碼，從而使 OEMs 能夠對特定的硬件平臺使 Windows CE 標準定制。嵌入式工具包也包括設備驅動包（DDK）和軟件開發包（SDK） ，DDK 提供了關于寫驅動器的附加文本，SDK 提供庫、頭文件、樣本代碼、文本以允許，開發者對基于 Windows CE 的平臺進行寫操作。 Windows CE 提供了相同的程序界面，以用來為其它的視窗操作系統開發功能，例如，Windows CE 版本 1.01支持大約1000個微軟的Win 32 API 函數的其中500個。這就意味著大量不同類的工具，第三方書籍，關于 Win 32 開發者訓練教程，可以替代或為 Windows CE 系統的開發者所用。 而實時系統的開發者能夠使用 VDFF 5.0 的嵌入式工具包，以把操作系統轉移到特定的平臺，并為這個平臺開發附加設備驅動器和實時功能。

5 結論

到目前為止，工業控制系統中的自動化設備仍然受專用硬件或工業化PC平臺的限制。專用硬件通常十分耐用，并能抗惡劣環境，但是只能用于單一的、特定的用途。雖然工業化PC比專用硬件更具有靈活性，但是由于振動、灰塵、潮濕、高溫以及其它環境問題的影響，工業化PC平臺經常會出現故障和數據丟失。Windows CE操作系統是一個適合下一代互連工業自動化設備的理想小體積嵌入平臺。由于采用MSMQ（Microsoft Message Queuing）這樣的先進應用服務，使Windows CE實現與生產現場IT設施的全面集成成為可能。它還具有很強的實時性能，支持確定性的響應時間控制。Windows CE能從閃存啟動，從而避免了暴露在灰塵、高溫和震動環境下，使它可以適應惡劣的生產環境?；赪indows CE的嵌入式控制系統提供統一的、可伸縮的解決方案，將專用硬件的耐用性與PC的靈活性結合在一起。因此Windows CE在工業控制領域有著很好的應用前景。