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第一章引言

本书以深入

浅出的方式，完整且详细的介绍微软嵌入式操作系统 Windows CE。要对

Windows CE 有完整的了解，就必须先介绍嵌入式操作系统和嵌入式系统。本章首先介绍有

关嵌入式系统的基本知识，然后简要地叙述嵌入式操作系统的基本特点。本章的后半部分论

及微软嵌入式操作系统 Windows CE 的发展历史、特点以及有关 Windows CE 的市场应用的

一些情况。最后介绍本书的章节安排。

嵌入式系统、嵌入式操作系统，

indows CE，以及嵌入式系统的应用市场，都处在一

个快速发展的时期，本书只能从一个侧面反映这个领域的发展，特此说明。

1．1 什么是嵌入式系

统？

在回答什么是嵌入式系统这个问题之前，我们需要简要地审视一下计算机应用发展的发

展过程。早在微软创办之初，比尔·盖茨就曾梦想“每人桌上一台 PC，每台 PC 中运行微

软的软件”，

这就是后来著名的“信息随手可得”的梦想。经过几十年的发展，在我们的日

常生活中，微软为 PC 提供了出色的操作系统平台 Windows 9x／NT/2000/XP，高效率的软

件开发工具和功能强大而易用的通用软件 Microsoft Office 等，许多人的工作和生活从计算

机技术中受益无穷。比尔·盖茨“信息随手可得”的梦想正在变成现实。

概要地说，当代计算机科学技术的迅速发展推动计算机的应用状况发生了根本性的变

化。

首先，

个人计算机已经占据了全球信息工业的绝大部分市场，其处理速度也远远超过了

历史上大、中型计算机的指针。

常见的计算机系统，不论是大型机、小型机、台式机还是微

型机，都具有计算机的标准运作形态，即一套独立的、与其它装置分离的计算组件，以独立

设备的典型面目出现，通过装配系统软件和不同的应用软件，应用在社会的各个方面，其典

型产品为日常的个人计算机系统。

其次，随着计算机科学技术特别是微处理器技术的快速发展，计算机的运算速度越来越

快、

内存容量越来越大、

体积越来越小、成本越来越低，性能越来越强，这就为将计算机技

术应用到各个领域、嵌入到各种设备、装置、产品和系统中去，奠定了必要的基本条件。

这一切都似乎是在预示着一场新的革命，计算机继续其微型化和嵌入化的趋势，更广泛

地进入人们工作、生活和娱乐的各个方面。

这场革命又被近年来 Internet 的迅速普及所推动。

一种计算机系统的新的形态开始出现，并且快速发展，这就是计算机的嵌入式应用。而整个

嵌入式（计算机）系统不以独立装置或设备的形式出现，嵌入式（计算机）系统的大部分甚

至是全部系统都隐藏在（嵌入）在各种设备、装置、产品和系统中。在我们的日常生活中，

人们已经普遍使用者手机、PDA、手持和掌上计算机等信息设备来储存和处理各种重要信息，

这些小型装置只是嵌入式系统应用正在迅速发展的一个证明。

嵌入式系统是不同于常见计算机的一种计算机系统，嵌入式系统不以独立设备的形态出

现。嵌入式系统的组件根据主体设备以及应用的需要，嵌入在主体设备内部，发挥着运算、

处理、储存以及控制等等作用。

从体系结构看，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件

和嵌入式软件组成。其中嵌入式处理器通常是单芯片或微控制器，一般是 8 位或 16 位，目

前 32 位正在占据主流地位。外围硬件主要包括储存组件，如 ROM、RAM、闪存（Flash

Memory）等，通信组件，如 USB 接口、网络接口等，显示组件，如 VGA 显示卡、液晶显

示组件等、I/O 接口，如 RS232 接口、键盘等等。不少嵌入式系统的外围硬件中还提供模拟

信号与数字信号之间的转换组件。嵌入式软件包括支持硬件的驱动软件、操作系统、支持软

件以及应用中介软件，如通讯协议、图形接口、数据库系统和浏览器等等。

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1．2 嵌入式系统的发

展历史

嵌入式系统已有 30 多年的历史，大致可以分为下列 3 个阶

段。

z 早期的嵌入

式系统通常是以单芯片为核心的系统，大部分应用于一些工业控制系

统中。这种嵌入式系统，通常没有操作系统的支持，而是通过汇编程序执行系统

的功能，一般具有与监测、伺服以及控制功能。其主要特点是：系统结构和功能

都相对简单，成本较低。这种嵌入式系统已经不能适应现代工业控制和信息家电

等领域的需求，正在逐步退出应用领域。

z 第二阶段是以嵌入式 CPU 为基础、

以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。

随着

嵌入式微处理器的发展，以及嵌入式操作系统设计开发水平的提高，这个阶段的

嵌入式操作系统性能也不断提高。嵌入式操作系统能运行于不同类型的微处理器

上；kernel 小、效率高，具有高度的模块化和扩展性；可以提供多任务、多程序、

多线处理，有各种设备支持、网络支持、图形窗口以及使用者接口等功能；向程

序开发者提供大量的应用程序接口，开发应用程序相对简单。

z 第三阶段是以基于 Intern

et 为目标的嵌入式系统，目前正在迅速发展。进入 90 年

代后，Internet 的应用迅速普及，广泛深入到社会、经济、军事、交通、通信等相

关行业，消费电子、计算机与通信一体化的趋势日趋明显。嵌入式技术再度成为

一个研究的热门主题。

1．3 嵌入式

操作系统

基本概念

显然，嵌入式系统的应用环境与其它类型的计算机系统有着明显的不同，随之也带来了

对相应操作系统的不同要求，从而构成了现代操作系统的一个新的类别：嵌入式操作系统。

嵌入式操作系统是与应用环境密切相关的。从应用范围划分，

嵌入式操作系统大致可以分为

通用型的嵌入式操作系统和专用型的嵌入式操作系统。比较典型的通用型商业嵌入式操作系

统有 Windows CE、VxWorks 和从 Linux 发展出来的嵌入式 Linux；专用型嵌入式操作系统

有专门用于掌上计算机的 Palm OS、主要用于行动电话的 Symbian 等等。

根据操作系统的实时性能特性划分，嵌入式操作系统还可以分为实时嵌入式操作系统和

一般嵌入式操作系统。实际上，

由于嵌入式环境的需要，即使一般的嵌入式操作系统，也具

有一定的实时功能。对于应用在军事武器、航空航天、交通运输以及工业控制等等特殊领域

的嵌入式操作系统，要求其具有硬实时(Hard Real Time)功能。而一般应用在移动电话、掌

上计算机和日常娱乐的嵌入式操作系统，至少也应具有处理语音、视讯影像等流媒体的软实

时(Soft Real Time)功能。

从原理上看，嵌入式操作系统仍旧是一种操作系统，因此，它具有操作系统的基本功能，

包括程序管理与处理器排程、储存管理、

设备管理和中断处理等等。但是，由于嵌入式操作

系统的硬件平台和应用环境与一般操作系统有很大的不同，所以嵌入式操作系统又有不同于

一般操作系统的特点。一般而言，嵌入式系统的硬件平台有如下特点：

z 系统资源有限：微处理器

（微控制器）指令较短，多数微处理器（微控制器）为 8

位、16 位指令，目前在向 32 位发展；嵌入式系统储存空间有限，很多系统的储存

空间在 1 兆位之内，有的没有外部内存；电能供应有限，一些嵌入式系统由于环

境的原因只能采用电池供电。

z 外接设备多

变：系统的输入输出设备以及被控设备千变万化，其种类和复杂性超

过一般操作系统的外接设备；比如输入设备可能是键盘鼠标、触控板、笔式设备，

也可能是速度检测信号或雷达信号等等。

从应用面看，嵌入式操作系统有如下特点：

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z 占用系统资源要少：不少嵌入式系统本身资源有限。CPU 运算速度不快、储存空

间不大，不可能允许操作系统占据一大部分的资源。

z 实时响应要

求严格：特别是在关键领域应用的嵌入式操作系统，比如从事飞机碰

撞检测处理的系统，起着避免机毁人亡的关键作用，必须达到系统规定的硬实时

规格。

z 对操作系统

可靠性要求高：在关键领域应用的嵌入式操作系统不允许发生任何影

响系统可靠性的故障，重新启动系统就可能意味着重大事故。

z 具有可配置

性：由于嵌入式操作系统必须能够应用在多种多样的硬件环境，因此

嵌入式操作系统要能够针对硬件系统的变化进行配置，从而满足不同应用的要求。

从原理上看，嵌入式操作系统的内部结构与其它操作系统的差别不大，但是实际结构和

功能与其它操作系统有着较大的不同。以下列出几项嵌入式操作系统的特色：

z 小型化：在

保证其应用功能的前提下，尽可能减小系统对资源的占用，由此作为

出发点设计嵌入式操作系统的 kernel 结构和 kernel 的基本功能，如 QNX 的 kernel

仅提供程序排程、程序间通信、底层网络通信和中断处理等最基本的功能。

z 可定制性：嵌入式操作系统必须在能够提供可配置或可自订的 kernel 功能和其它

功能。

比如，在处理器排程或者任务排程方面，能够提供除 round-robin (RR)排程

之外的 first-come-first-served (FCFS)排程等多种排程策略的选择。在储存管理方

面，有的嵌入式操作系统不仅提供对 ROM 的管理，还提供对 RAM 内存和闪存的

管理。在嵌入式操作系统中，根据应用需求的不同，有的系统提供各种档案系统

供使用者选择，有的系统不提供档案系统，以减少系统的负荷。

z 实时性：实

时的含义，不仅表现在系统完成了正确的任务，而且必须在既定的时

间区间内完成该任务。针对不同应用的要求，嵌入式操作系统应有硬实时、软实

时、非实时等不同实时级别的功能。对于有硬实时要求的嵌入式操作系统，其处

理器排程、中断响应等等有关机制必须符合严格的时间要求，保证在规定时限之

内完成对关键任务的处理。

z 高可靠性

：

嵌入式操作系统的结构，内部的系统组件或模块必须达到应用程序所

必须的可靠性。对于关键应用程序，嵌入式操作系统还应提供容错和防故障等提

高系统可靠性的功能措施。

z 可移植性：

考虑到嵌入式应用产品具有产品更新快的特点，嵌入式操作系统必须

能够支持多种国际主流微处理器等硬件平台。

为了提高系统的可移植性，嵌入式操作系统通常采用 HAL (Hardware abstracti

on layer）

和 BSP（Board Support Package）的底层结构设计。HAL 提供了与设备无关的特性，它遮盖

了不同平台硬件的差异，向操作系统的上层提供了一套统一的接口。HAL 隐藏各种与硬件

有关的细节，保证了整个系统的可移植性。而一般由硬件厂家提供的，按照既定的程序规范

完成 BSP，保证了嵌入式操作系统可以在新推出的微处理器硬件平台上运行。微软的

Windows CE 系列嵌入式操作系统，WindRiver 的 VxWorks 系列嵌入式操作系统，都是采用

HAL 和 BSP 底层结构设计的例子。目前国际主要的嵌入式操作系统可以支持的微处理器已

经超过数十种，如 VxWorks 至少支持 x86

，68xxx，68HCxx，ColdFire，DragenBall，MIPS，

SPARClite，ARM，StrongARM，PowerPC，NEC V25， i960， TI DSP 等微处理器。

为了适合各种应用的需要，嵌入式操作系统在 kern

el 之上提供了多种应用功能，如图形

接口，网络通信与 TCP/IP 协议功能，多媒体处理功能以及其它各种功能。这些功能一般也

采用可配置模块的形式，由系统开发者根据需要在系统生成阶段选定。

现代嵌入式操作系统与嵌入式操作系统的定制或配置工具联系密切，构成了嵌入式操作

系统整合开发环境。在

整合开发环境通常提供有程序代码编辑器、编译器和连结器、kernel

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功能配置与系统侦错器以及系统仿真器等等。程序代码编辑器提供在主机上对系统程序代码

的程序编辑功能；编译器和连结器通常提供 Ansi C、C++和其它程序设计语言编译和连结功

能；kernel 功能配置与系统侦错器提供程序开发者对 kernel 功能配置的功能以及各种侦错功

能，如图形和命令行的侦错方式，各种断点设置、单步执行、异常处理，内存、寄存器、变

量修改和反组译功能等等；系统仿真器则提供程序开发者一个仿真侦错的工具，以便使系统

能够在接近真实硬件的环境下侦错和检验。

1．4 Windows CE 发展

简史

1．4．1 起因

在个人计算机的年代，

人们就已经设想一种可以随身携带的信息设备，

这种设备的最先

产品形态之一是掌上计算机。掌上计算机的出现，极大地改变了人们的生活、工作习惯，很

多人彻底抛弃了传统的计算器、记事本、电话簿，在一些地方（比如美国的硅谷），掌上计

算机的普及率甚至超过了行动电话，成为人们工作生活中的必备物品。

提到掌上计算机，就不能不论及 Apple 公司，这个最具创新精神的公司在 199

3 年发布

了第一款掌上计算机 Newton，这是世界上第一款没有键盘，使用手写笔来操作的掌上计算

机，成为现代掌上计算机的雏形，不过，Newton 最终以失败告终。

1993 年，Jeff Hawk

ins 和 Donna Dubinsky 共同创立了 Palm Computing 公司，开始了掌

上计算机的设计构想。1996 年的 4 月，第一部 PalmPilot 掌上计算机 Pilot 1000 问世了，它

使用的是 Hawkins 和 Dubinsky 自己开发的 Palm OS 1.0 操作系统，只有 256KB 内存。1997

年，Palm Pilot 的第二代产品问世。1998 年，Palm 发布了第三代掌上计算机 Palm III。Palm

III 使用的是 Palm OS 3.0 操作系统，拥有 2MB 内存和 2MB 的 Flash ROM，支持红外线传输。

Palm III 取得

了空前的成功，

1999 年底到 2000 年初，Palm 公司又连续发布 Palm Vx，、

Palm IIIxe 以及 Palm 彩色机型 Palm IIIc，这三款机型目前仍是市场上的主流产品。2001 年，

Palm 发布了第四代产品，Palm m500 系列，内存为 8MB，支持 SD/MMC 外部扩展卡，采用

USB 接口与 PC 相连，操作系统为 Palm OS 4.0。

1．4．2 迎战

掌上计算机 Palm 的巨大成功，自然引起了产业嗅觉极其灵敏的比尔·盖茨的注意。微

软公司

在内部开始了“portable PC solution”项目，该项目的名称曾经有过多个名称，如

Pulsar（脉冲星），WinPad 和 Pegasus（飞马），最后更名为 Windows CE。

早期的项目开发有若干个小组，其中有的没有起飞就失败了。Pulsar 组有两个不同的目

标

:支持 set-top box 和掌上计算机。有人打算使 OS 大些并且有更多的多媒体功能，而其它人

则希望小些，另外一些人则试图改小 NT。WinPad 组则使用 16 位的 Windows 3.1 的子集进

行开发。微软公司对于这种状态当然不会满意，最后，在 Brad Silverberg 资深副总裁领导下，

Pegasus 项目正式启动。

在 Pegasus 项

目的开始阶段，对象导向 OS 的开发

经历了挫折的考验，最后终于取得了

成功，这就是 1996 年发布的 Windows CE 1.0。随后有几款使用 Windows CE 1.0 系统的产品

在市场上出现，称为 Handheld PC。Windows CE 1.0 外观很像 Windows 95，这样做的最大益

处是，使用者看到的是一个熟悉的接口，很容易接受它。这真是一个非常聪明的主意。整个

Windows CE 的发展过程，可参看图 1。

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