（通信与信息系统专业论文）windows+ce设备驱动程序的研究及瘦客户机usbexpander的设计.pdf

摘要 w i n d o w sc e 是微软专门为掌上信息设备、移动通信设备、消费 类电子产品、嵌入式应用等非p c 领域而设计的嵌入式操作系统，它 具备完整的操作系统特性和良好的开发环境，并拥有与桌面系统类似 的友好界面。 论文通过研究w i n d o w sc e 内核及部分驱动程序的开源代码，深 入分析了w i n d o w sc e 设备管理工作原理和设备驱动程序的架构，重 点研究了w i n d o w sc e 的u s b 系统组成，及u s b 设备驱动程序的加 载卸载过程。在此基础上，论文以瘦客户机u s b e x p a n d e r 开发项目 为背景，提出了精简瘦客户机硬件架构的端口扩展解决方案，设计了 瘦客户机卫星设备u s b e x p a n d e r 的硬件电路，以及w i n d o w s c e 下 u s b 虚拟串口驱动程序和并口e c p e p p 工作模式驱动程序。 各项测试的结果表明，瘦客户机u s b e x p a n d e r 的硬件设计方案 和驱动程序设计都完成了预期的功能，取得了良好的执行效果。论文 设计的瘦客户机系统整合方案及卫星设备u s b e x p a n d e r ，提高了瘦 客户机应用的灵活性，对瘦客户机一服务器架构的进一步发展有着探 索与创新的意义。 关键词：w i n d o w sc e ，u s b ，驱动程序，瘦客户机，端口扩展 a b s t r a c t w i n d o w sc ei sa n o p e n ，s c a l a b l e ，3 2 一b i te m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h a ti sd e s i g n e dt om e e tt h en e e d so fab r o a d r a n g eo f e m b e d d e d d e v i c e s ， f r o me n t e r p r i s et o o l st oc o n s u m e r p r o d u c t s i th a sac o m p l e t eo sf e a t u r e s e ta n dc o m p r e h e n s i v ed e v e l o p m e n tt o o l s w i t hu s e ri n t e r f a c es i m i l a rt o w m d o w ss e r i e sf o rp c ，w i n d o w sc ei se a s yt om o s te n d - u s e r s b a s e do nt h er e s e a r c ha n ds t u d yo ft h ek e r n e lo fw i n d o w sc e ，t h i s t h e s i sa n a l y e st h ed e v i c em a n a g i n gs t r a t e g ya n dt h ea r c h i t e c t u r eo fi t s d e v i c ed r i v e r s a f t e rt h a t ，t h i sp a p e r a n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h er e s u l t so f ap r o j e c ti nt h i n c l i e n tp o r ti n n o v a t i o n an e ws t r u c t u r eo ft h i n c l i e n t i n t e r f a c e s ，n a m e du s b e x p a n d e ri sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d o i la h a r d w a r ee v a l u a t i o nb o a r d ，w i t hi t sd e v i c ed r i v e r sf o rw i n d o w sc e t h em o s td i f f i c u l ta s p e c to ft h i sp a p e ri st h ed e s i g na n ds u c c e s s f u l i m p l e m e n t a t i o no f t h ed r i v e r s t h eu s bv i r t u a ls e r i a ld r i v e ra n dt h eu s b i e e e 一1 2 8 4d r i v e r ，w h i c hb o t hc a r lb ei n t e g r a t e dw e l lw i t hu s b e x p a n d e r h a r d w a r ea n dw i n d o w sc e ，w e r e p o r t e dt o g e t h e rs u c c e s s f u l l y t e s t r e s u l t s p r o v e d t h a t u s b e x p a n d e r c a n i m p r o v e t h e f l e x i b i l i t y o f t h i n c l i e n t ，w h i l er e d u c i n g c o s t t h e d e s i g n a n d a n a l y s e o ft h e t h i n c l i e n tp o r ti n n o v a t i o np r o j e c ti se x p e c tt oc o n t r i b u t es i g n i f i c a n t l yt o t h ed e v e l o p m e n to ft h i n - c l i e n ta r c h i t e c t u r e 。 k e y w o r d s ：w i n d o w sc e ，u s b ，d r i v e r s ，t h i n - c l i e n t ，e x p a n d e r i i 程励之硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位各注 应右原艨铂职糠中一 主席 奄缱翻肚拔译怖t 跏泵 船颓勒籀捉馓嗨大- 们秉 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留，使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：秘励乞 导师签名：力纫由码 日期： 沙略、6 、6 日飙坐叩 华东师范大学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 嵌入式操作系统与w i n d o w sc e 为了简化嵌入式系统应用程序设计、保证软件质量和缩短开发周期，嵌入式 操作系统应运而生。嵌入式操作系统一方面具有通用操作系统的基本特点，包括 系统内核、设备驱动程序、通信协议、图形界面等组成部分，另一方面有其自身 的特点，如它们需要提供丰富的b s p 以支持不同的硬件平台，需要具有高效的 实时性以完成系统要求的时间受限工作，需要有精简的系统目标文件以满足嵌入 式系统有限的存储空间。 目前嵌入式操作系统的发展，可谓“百花齐放，百家争鸣”。国外由于嵌入 式系统应用比较成熟，众多厂家各有所长，如e c o s 应用于信息家电领域，n u c l e u s 应用于消费电子、网络设备、无线、导航、工控和医疗设备等领域，l y n x o s 应 用于电信、航空和防御系统，c h o r u s 应用于电信设备，p a l m o s 应用于掌上电脑， s y m b i a n 应用于手机，q n x 应用于消费电予、电信、汽车和医疗设备，v x w o r k s 应用于网络设备、电信、航空、防御系统等领域，w i n d o w sc e 应用于消费电子、 掌上电脑、机顶盒、瘦客户机等领域，嵌入式l i n u x 应用于数码设备、消费电子 等1 5 】。在国内，嵌入式操作系统研究开发有两种类型，一类是基于国外操作系统 进行二次开发，如海信基于w i n d o w sc e 的机顶盒系统；另一类是中国自主开发 的嵌入式操作系统，如凯思集团公司自主研制开发的嵌入式操作系统h o p e n0 s ( “女娲计划”) 等口j 。 在众多的嵌入式操作系统中，以v x w o r k s 、嵌入式l i n u x 、p a l m o s 和w i n d o w s c e 最为著名，它们也是目前嵌入式市场竞争中的领先者。从各方的侧重点来看： w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 在电信领域有着相当的优势；嵌入式l i n u x 的优势在 于其开源的内核，众多的厂家都在提供基于l i n u x 内核的嵌入式操作系统，这其 中以b m r 公司的m o n t a v i s t al i n u x 所占市场份额最大：3 c o m 公司的p a l m o s 是随着p a l m 掌上电脑的发展而发展的，p a l m o s 在中国始终无法打开局面，主 要原因是中文支持的不完善阻碍了它在中国的进一步发展 6 】；而w i n d o w sc e 作 为后起之秀，在掌上电脑领域已经迅速占据了大半江山，同时在消费电子产品、 工业控制以及瘦客户机等领域显示出了相当的优势。 w i n d o w sc e 是微软专门为信息设备、移动应用、消费电子产品等非p c 领 域而设计的操作系统，它不是w i n d o w s9 x 或n t 系列的简化版，而是基于全新 设计内核的嵌入式操作系统。w i n d o w sc e 系列产品是从整体上为有限资源的平 台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对于 从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。 华东师范大学硕士学位论文 概述 从开发者的角度来看，w i n d o w sc e 保持了与w i n 3 2 的兼容性，支持众多与 w i n d o w s 系统兼容的a p i 函数，同时拥有与桌面系统类似的友好界面。此外， w i n d o w sc e 的集成开发环境p l a t f o r mb u i l d e r 提供了丰富的b s p ，给嵌入式系统 的移植、定制，以及设备驱动程序的开发提供了极大的方便，e m b e d d e dv i s u a l t o o l s 等工具使得w i n d o w sc e 的应用程序开发周期大大缩短。诸多优点使得 w i n d o w sc e 在国内市场的占有率逐年上升。而使用w i n d o w sc e 开发嵌入式系 统不利的方面在于，其一是它有限的实时性能，使其难以胜任一些对实时性要求 较高的应用川 8 】 9 1 ，其二是w i n d o w sc e 的版权费和开发工具都价格不菲，使它 在嵌入式系统开发人员中的普及程度不像l i n u x 等那么广泛。但是，随着微软对 w i n d o w sc e 源代码越来越多的开放，对这一操作系统的研究必将得到更多的重 视。 1 , 2 论文研究背景及主要内容 在一些大规模使用网络的行业，如银行、证券、保险、教育机构等，更趋向 一种专用的、功能较为单一、管理简单的设备，以减少总体应用成本并保证系统 安全，瘦客户机因而正得到越来越广泛的应用。瘦客户机- n 务器的结构体系提 出已有多年，i b m 、h p 、s u n 、w y s e 等欧美公司也早己生产销售此类产品， 伴随着网络性能的迅猛发展，它逐渐得到了应有的重视。借助微软在桌面系统、 服务器以及网络方面的强大实力，w i n d o w sc e 系统开始将瘦客户机列为应用领 域之一，并逐渐占据市场统治地位【l 。 论文研究的项目背景是c l s 公司开发的基于w i n d o w sc e 的瘦客户机系统 解决方案。根据不同应用的需要，瘦客户机可以分为基本型、浏览器型和业务型 终端，不同类型的瘦客户机有着不同的系统架构模型“j 。从客户的角度看，在一 个综合性的应用环境下，需要配置不同类型的瘦客户机终端设备以提供不同级别 的作业服务，这样势必增加采购成本，削弱了瘦客户机在降低设备总体拥有成本 ( t c o ) 方面的优势。项目从统一设备架构的角度出发，设计了瘦客户机系统模 型的改进方案。作为此改进方案的一部分，论文为瘦客户机设计了卫星设备 u s b e x p a n d e r ，通过u s b 口扩展出常用的串i ；3 、并口等接口，丰富了瘦客户机 的应用。论文在充分研究了w i n d o w sc e 驱动程序设计方法和u s b 技术规范的 基础上，对u s b e x p a n d e r 的硬件设计方案进行了剖析，对w i n d o w sc e 系统下 u s b 虚拟串口设备、u s b 增强并口设备的驱动程序进行了设计，并最终通过测 试验证了论文的设计成果。 论文全文分为六章，包含理论研究和项目实践两大部分。第一章概述嵌入式 系统发展现状和论文的主要工作：第二、三章组成理论研究部分，其中，第二章 华东师范大学硕士学位论文 对w i n d o w sc e 系统下的设备驱动程序架构做了深入的分析，通过对内核组成、 设备管理的研究，探讨驱动程序设计的方法：第三章对u s b 技术规范做了简要 介绍，u s b 规范是论文项目实践部分的重要基础，但考虑到该技术的广泛应用 和成熟度，论文只对u s b 设备端有关内容做了相应分析；第四、五章是论文的 项目实践部分，第四章着重介绍了u s b - e x p a n d e r 的硬件设计方案，包括c s 架 构的介绍、瘦客户机改进方案的设计、主要芯片选型等内容，并在附录中给出部 分硬件设计原理图；第五章是驱动程序软件设计部分，占据了论文的主要篇幅， 这部分首先分析了w i n d o w sc e 的u s b 设备驱动程序设计方法，然后通过流程 图、源代码相结合的方式，详细介绍了u s b 虚拟串口、增强并口等设备驱动程 序的实现，本章的最后对论文设计的驱动程序进行了测试，得到了理想的结果； 第六章对论文的工作做了简要的回顾和总结，并提出了后续的研究重点和发展方 向。 论文以实际工程项目为背景，方面对w i n d o w sc e 操作系统的驱动程序模 型做深入的研究与分析，另一方面进行了设备硬件电路和驱动程序的设计，研究 工作具有一定的难度和开拓性。论文的创新之处在于，实现的u s b 虚拟串口和 增强并口驱动程序扩展了w i n d o w sc eu s b 系统的功能，同时，面向客户需求设 计的瘦客户机系统整合方案及卫星设备u s b e x p a n d e r ，提高了瘦客户机应用的 灵活性，对瘦客户机一服务器架构的进一步普及与发展，具有一定的推动作用。 华东师范大学硕士学位论文w i n d o w sc e 系统设备驱动程序 第2 章w i n d o w sc e 系统设备驱动程序 本章首先回顾w i n d o w sc e 的发展历史，介绍w i n d o w sc e 市场应用领域的 一些情况。接着从宏观的角度分析w i n d o w sc e 的系统架构，探讨其核心结构及 工作原理。最后是本章的重点：对w i n d o w sc e 系统设备管理及设备驱动程序模 型的分析，这部分将首先介绍驱动程序的概念，以及d o s 、w i r d o w9 8 n t 等 传统操作系统对驱动程序的实现方式；然后分析w i n d o w sc e 的设备管理模式， 探讨其系统概念和体系结构：最后对w i n d o w sc e 设备驱动程序模型、它所支持 的四种驱动程序以及实现设备驱动程序的中断处理、驱动程序结构、驱动程序开 发工具等进行综合的介绍。 2 1w i n d o w sc e 系统发展简史 随着1 9 9 6 年1 1 月w i n d o w sc e1 0 的发布，微软开始进入嵌入式市场。从 一开始，w i n d o w sc e 的设计目标就是为嵌入式系统提供强大的能力，按微软客 户平台部高级副总裁c r a gm u n d i e 的说法，就是使嵌入式开发者能够将“个人电 脑复杂的软件环境扩展为嵌入式的世界”d 0 。w i n d o w sc e1 0 取得了很大的成 功，也标志着微软这一软件业巨鳄正式进军嵌入式领域。目前，w i n d o w sc e 已 经发展到最新的w i n d o w sc e5 0 版本。整个w i n d o w sc e 的发展过程，可参见 图2 ，l 。 p o c k e tp c p o c k e tp c2 0 0 2 w l n e v e r 1 01 0 12 0 互0 1 乏1 1 2 。 2 1 23 ，0 ：n e t5 0 i 1 1 9 64 9 71 1 9 71 9 8 8 9 86 9 94 0 09 0 1i 0 28 0 4 图2 - 1w i n d o w sc e 发展历史 f i g 2 - 1r o a d m a po f w i n d o w sc e w i n d o w sc e 最初的开发是针对原始设备制造商( o e m ) 的，使得他们能够 构建资源受限的小型手持式设备以及个人信息管理( p i m ) 设备。随着其后续版 本的发布，w i n d o w sc e 有了显著的进步。表2 1 所示是w i n d o w sc e 系列在性 能上的改进和对比1 1 7 】。从w i n d o w sc e3 0 开始，这一操作系统开始走向成熟， 华东师范大学硕士学位论文w i n d o w sc e 系统设各驱动程序 提供了基于向导程序的简化操作系统配置，为应用程序开发者提供了软件开发工 具包( s d k ) ，拓展了对多媒体的支持，增强了i n t e r n e t 功能和系统的实时性。 第四代产品w i n d o w sc k n e t 专为嵌入式市场设计，为快速建立下一代智能移动 终端设备，提供了一个稳固的实时操作系统，它具备完整的操作系统特性和良好 的开发环境，包括了定制设备所需的网络连接、实时性、多媒体及w e b 浏览等 功能，提供了时间测试的完善功能集，包括了开发人员创建小内存占用的智能移 动设备所需的最新技术【l o 一。 表2 - 1w i n d o w sc e 系列操作系统性能改进 w i n d o w sw i n d o w sw i n d o w sw i n d o w s 功能目录 c e5 oc e4 2c e4 oc e3 0 戚掰鞠嚣黯发矫蠛。j 曩i 一。； i 鍪、4 鬻黼溺鬻篓鬻勰黼麟蕊灞糕粼黼 c h _ b x c ：e p t i o nh a n d l i n g f u i lcr u n t i m e c o m d c o m v ，v ， m i n i m a lc o m v ， s n h 但协议 l d a pc l i e n t v ， m f c 库 n e tc o m p a c tf r a m e w o r k1 o1 0 s q ls e r v e r c e 版 2 o2 01 o m s x m l3 o3 o3 o2 o x 【l h l l 甲 。 期l h 盛黼鞘孵! i 靛搿魁i 掣瓤兹川臻。禹_ = 一删礤蕊鳓鞠黼赣醚 懑滋缀黼圈懋圈黼瀚瞩 a c d o b ea c r o b a t m i i e r o s o f le x c e l m i c r o s o j rp o w e r p o i n t m i i c r o s o t rw o r d f r e e , c e l l s o l i t a i r e i n h o x v ， v o i p 应用程序 w o r d p a d ：嚣蚓 点；厕维h b ：娶= = * = = = _ ：一0 1 蕊懑溺燃戮黼阁瀚溺瓣瀚燃 m t e m o r ym l a p p e df i l e s 电源管理 外围设各管理 ，v ， 防火墙 v ，v ， i p v 6 t c p 胛 v ， w i r e dl a n ( 8 0 2 3 8 0 2 5 ) w i r e l e s s a p ( 8 0 2 1 1 ) b l u e t o o t h p p p o e p p i 甲 华东师范大学硕士学位论文w i n d o w sc e 系统设备驱动程序 r a s 伊p p j i 荆蘩蔓i 详；船鹫：芷e ；t 、一o s j i wf ； ； ； 黧瀚湖鬻滋黼麟麟鬻溅黼 c d u d f s 文件系统 f a t 文件系统 r a m & r o m 文件系统 u s bs m a r tc a r dr e a d e r p c m c i as m a r tc a r dr e a d e r v ， 压缩 a t a d i s k 2 2w i n d o w sc e 的应用领域 w i n d o w sc e 是微软专门为掌上信息设备、移动通信设备、消费类电子产品、 嵌入式应用等非p c 领域而设计的策略性操作系统产品。本节简要介绍其主要的 应用领域和市场前景。 ( 1 )p d a 市场 微软希望p c 消费者普遍使用安装w i n d o w sc e 操作系统的p d a 。但由于 w i n d o w sc e1 0 版不支持手写识别，使用者必须靠键盘输入，操作非常麻烦。2 0 版则对硬件要求很高，增加了使用者的成本。因此，在与p a l m 的初期较量中， 微软并不占上风。2 0 0 0 年，微软对使用w i n d o w sc e3 0 以后版本的设备进行了 区分，针对p d a 类的操作系统更名为p o c k e tp c 。微软通过加强与各大硬件厂商 的合作逐步进攻p a l m 操作系统及其终端产品的市场。 目前，在p d a 市场中，已基本形成了微软与p a l m 对垒的局面。p a l m 阵营 的产品致命的弱点是系统开放性差、应用程序有限、功能扩展空间小：而微软阵 营的产品因w i n d o w sc e 操作系统开放性好、应用程序开发商众多、功能强大， 而且与p c 、甚至i n t e m e t 的互动性强等优点，逐步占据了上风【6 1 。 ( 2 )新一代手机操作系统 在无线网络上，当前存在这两种不同的观点。一种观点认为无线网络是现有 网络内容与服务的延伸，应该为使用者提供类似在p c 上使用网络的移动终端和 操作界面。而另一种观点则认为使用者需要更为个性化的信息和服务，根本不需 要、也不可能将现有网络上过于泛滥的资料搬到无线网络上，无线网络上的信息 与服务应沿着类似短信的模式发展。微软是第一种观点的坚定支持者，早在1 9 9 9 年7 月，比尔盖茨就曾试图与移动通信巨头诺基亚建立合作关系，但双方的谈 判未能取得任何结果。相反，诺基亚与其他无线通信领域巨头闪电般地建立了 s y m b i a n 联盟。面对手机巨头们的保守态度，微软并未因此放弃。 华东师范大学硕士学位论文 w i n d o w sc e 系统设各驱动程序 2 0 0 2 年，微软推出了基于w i n d o w s c e 的p o c k e t p c2 0 0 2 软件平台，专门针 对移动商务事业人士以及企业用户设计，强化了商务与沟通的功能，同年微软发 布了新一代手机操作系统平台s m a r t p h o n e2 0 0 2 ，这一智能型电话解决方案把平 台整合提升到一个新的层次，为手机使用者提供了语音、文件及多媒体功能。目 前，采用微软s m a r t p h o n e2 0 0 2 新一代手机操作系统平台的厂家逐渐增多，这些 厂家基本上都是无线手机市场的后来者，他们正在和微软一起向传统手机的阵营 发起挑战。 ( 3 )工业控制 工业控制操作系统需要严格的实时处理功能、高可靠性、良好的开放性，对 人机界面、可操作性、成本等也有特别的要求。w i n d o w sc e 以被证明是适合下 一代互连工业自动化设备的理想嵌入式平台。通过降低产品生存周期中各个阶段 的成本，缩短自定义解决方案所需的市场推广时间，w i n d o w sc e 为设计单位和 制造厂家带来了相当的利益。通过不断的改进，w i n d o w sc e 具有了很强的实时 性能，支持确定性的响应时间控制。系统可以从闪存启动，从而避免了暴露在灰 尘、高温和震动环境下，增强了抗恶劣环境的能力。由于采用m s m q ( m i c r o s o f t m e s s a g eq u e u i n g ) 等先进应用服务，使w i n d o w s c e 实现与生产现场i t 设旋的 全面集成成为可能。w i n d o w sc e 的另一个主要优势是系统采用广泛使用的 w i n d o w s 环境外壳，这使用户操作起来更加方便，从而得到了更快的推广。 ( 4 )瘦客户机- n 务器市场 微软为不同的瘦客户端设备提供了灵活的、在规模上经过优化的操作系统产 品，借助最新的技术和性能改良，不断改进和扩展了现有的基于瘦客户端- n 务 器的计算解决方案。微软将真正意义上的端到端的终端服务实现、丰富的企业集 成功能以及w i n d o w s 的熟悉风格融合成一个为o e m 厂商准备的瘦客户端解决 方案，从而推动了瘦客户端行业的发展【1 3 】。 w i n d o w sc e 在开发工具p l a t f o i - l 1b u i l d e r 内提供了瘦客户端示例配置。这些 示例配置和开发工具可帮助o e m 厂商快速开始项目开发，然后可以向基本的 瘦客户端配置中添加另外的技术组件，这使得o e m 厂商可阱迅速创建独树一 帜的产品。 2 3w i n d o w sc e 主要特性 w i n d o w sc e 是一个抢占式多任务、具有强大通信能力的嵌入式操作系统， 尽管其界面外观看上去很像w i n d o w s9 8 n t ，但它并不是这些操作系统的简化 华东师范大学硕士学位论文w i n d o w sc e 系统设备驱动程序 版，也不是从这些系统移植过来的，c e 具有全新设计的内核，实现了可移植、 模块化的系统结构，有着针对嵌入式应用而设计的特点。下面就以w i n d o w s c e n e t4 2 为例，说明w i n d o w sc e 的主要特性。 ( 1 )模块化的可裁剪内核结构 嵌入式操作系统通常采用硬件抽象层h a l ( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) 和 板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 相结合的结构设计，以提高系统的可 移植性。h a l 提供了与设备无关的特性，屏蔽了不同硬件平台之间的差异，向 操作系统的上层提供了一套统一的接口。h a l 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w i n d o w s c e 正是采用了h a l 和b s p 结构设计的 思想，以此为基础，在核心层上为应用程序设计者和用户提供了丰富的应用接口。 ( 2 )灵活的内存管理机制 嵌入式系统与一般的计算机系统中所使用的存储管理有着明显的差异。计算 机系统有硬盘的支持，内存容量也相当大，通常都使用硬盘来存储包括操作系统 和应用程序在内的文件，内存则用来存储当前执行的程序及所需的文件。而嵌入 式系统强调的是轻便性与可扩展性，一般没有硬盘的支持，且内存容量的扩充性 相对而言相当有限。因此，一个高效的存储管理对嵌入式系统而言十分重要。 j 剥淼 嚣熬黼麓麟鬻 l 日m 口 m a icae口1l d l l n o n j pd l l $ f i n u a ls o a c e h e a p 陪s e r v e d8 口a ) s c k ( 啦幽 * ds p 8 。e ) s o u m s 葡；孑j ；i j 蠢 w 一一一一一 r 吣1 3 1 yd a t 者 r一一 嘣 ed 图2 - 2w i n d o w sc e 的存储配置 f i g 2 - 2w i n d o w sc e m e m o r ym a n a g e m e n t 华东师范大学硕士学位论文 w i n d o w sc e 系统设备驱动程序 w i n d o w sc e 提供了灵活的存储管理机制，使不同类型的应用程序可以充分 的使用系统提供的r a m 、r o m 以及f l a s h 等存储设备，同时有效地利用处理器 提供的虚拟内存、内存保护等功能 1 】【”】。 w i n d o w s c e 系统采用3 2 位地址，总共可以访问4 g b 的虚拟存储空间， w i n d o w sc e 将这4 g b 虚拟地址空间分为上下两半，低地址2 g b 供应用程序使 用，高地址2 g b 则为内核程序保留。图2 2 中，左图是w i n d o w sc e 系统对存储 空间的分配，右图是w i n d o w sc e 系统下应用程序的存储配置。 系统在使用存储体方面作了一些限制，以更有效地管理和利用有限的存储空 间，这些限制包括：系统处理的程序数最多只有3 2 个，每个处理程序的实际可 用内存空间限制为3 2 m b ；有固定的处理程序共用内存：大量的系统保留空间： 有r o m 地址的对应等等。 ( 3 )高效的任务管理调度机制 w i n d o w s c e 采用基于动态优先级的抢占式多任务机制1 】【1 0 】1 1 5 】。越重要的任 务优先级越高。高优先级的任务最先得到c p u 的控制权，保证了实时系统中对 时间有严格限制的紧急任务得到更为优先的处理。同时优先级动态的调整，不但 增强了系统的灵活性，而且提高了系统的运行效果。其任务调度的基本原理如图 2 3 所示，这是一种以优先级顺序为主的时间片循环方法。 完成 图2 - 3 相同优先级任务调度 f i g 2 - 3t a s ks c h e d u l e ro fs a m e p r i o r i t y 在没有更高优先级任务就绪时，相同优先级的任务依照就绪的先后次序执 行。当执行了一定的时间片后，无论任务完成与否，均转入下一任务执行，未运 行完的任务释放处理器的控制权后转入就绪队列的末尾，依次往复。这种轮转策 略保证了具有相同优先级的任务相对平等地享有处理器的控制权。 ( 4 )适应小型系统 w i n d o w sc e 只需5 0 0 k b 的r a m 就可以把系统全部装下，经过精简的内核 甚至只需2 0 0 k b 的运行空间。这为低成本弱计算能力的系统提供了简洁、高效、 完善的控制手段。 华东师范太学硕士学位论文 w i n d o w sc e 系统设备驱动程序 ( 5 )支持实时应用 实时操作系统( r t o s ) 是具有实时性、能支持实时控制系统工作的操作系 统。满足响应时间的限制和要求是其重要的特点。作为一个嵌入式操作系统，能 否提供好的实时性是这个系统能否占领市场的一个重要方面。w i n d o w sc e 操作 系统3 0 以上的版本对内核进行了许多重大的改变，极大的增强了w i n d o w sc e 的实时性能8 【9 】。这些改进包括：增加了对嵌入式中断的支持，使得具有高优 先级的中断能够立即得到服务，而不用等待低优先级的中断服务完成之后才能得 到服务；更好的线程响应，缩短了高优先级中断服务线程( i s t ) 的调度延时上 限；更多的优先级别，内核采用了基于2 5 6 级优先级的抢占式调度。此外，其内 部定时器精度有了很大提高，达到l m s ，并支持优先级反转处理( 1 9 】。 ( 6 )遵循w i n d o w s 平台的应用开发规范 w i n d o w sc e 提供了符合w i n d o w s 平台标准的开发环境，它是w i n 3 2a p i 的一个子集，涵盖了大部分的w i n 3 2 功能。传统w i n d o w s 的开发人员很容易转 入w i n d o w sc e 的开发工作。 m多样的通信服务 w i n d o w sc e 提供高效、易连接、易使用、模块化的网络通信功能，通信能 力是c e 设备的关键特性。它的范围可以从简单的电缆串行输入( “o ) 到使用 传输控制协议( t c p i p ) 的无线网络。除了内置的通讯硬件，比如串行电缆或红 外收发器外，对p c m c i a 的支持使得广泛的已投入市场的通信设备能够添加到 基本的支持包中。 w i n d o w s c e 支持三种通信方式：( 1 ) 串行y o ；( 2 ) 电话a p i ( t a p i ) ；( 3 ) 网络通信，包括：w i n d o w ss o c k e t s ( w i n s o c k ) 和i n f r a r e ds o c k e t s ( i r s o c k ) ， t c p i p 和i r d a ( i n f r a r e d d a t a a s s o c i a t i o n ，红外数据传输) ，用于局域网的 n d i s4 0 ( n e t w o r kd e v i c e d r i v e ri n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ，网络设备驱动程序接 口规范) ，通过串行线或m o d e m 的点对点协议( p p p ，p o i m t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 和串行联接接口协议( s l i p ，s e r i a ll i n ki n t e r f a c ep r o t o c 0 1 ) 的网络，远程文件访 问( w n e ta p i ) ，远程访问客户端( r a s ) ，支持浏览器( w i n l n e ta p i ) 等。 ( 8 )高级电源管理功能 w i n d o w sc e 的电源管理器提供了一个符合a c p i 标准的电源管理基本接口， 并使用设备管理的事件( e v e n t ) 传递机制，通过不同设备的驱动程序种的电源 管理驱动模块来处理相关的电源事件。 华东师范大学硕士学位论文 w i n d o w sc e 系统设备驱动程序 2 4w i n d o w sc e 系统架构分析 从系统架构的实现来看，w i n d o w sc e 系统采用典型的分层模型，如图2 - 4 所示。 图2 _ 4 w i n d o w s c e 分层架构 f i g2 - 4l a y e r e ds t r u c t u r eo f w i n d o w sc e 鏖碉集或层 成毋湃萤缕 磨溺囊持羼 撩柞蒜缀廛 d 底l - 骥件层i 硬件层是c e 设备的硬件，包括微处理器和各种周边设备。o e m 适配( o a l ) 层是一个硬件抽象层，它提供了硬件和c e 系统内核之间的接口，系统通过这些 接口访问硬件，而不必关心具体的硬件操作如何实现。操作系统层是整个架构的 核心，内核提供完整的操作系统功能，如任务调度、内存管理、进程通信等；图 形窗口事件系统( g w e s ) 将用户的操作转换为消息，传送给应用程序和操作系 统做处理，并为c e 设备提供良好的界面管理：对象存储、文件系统、注册表等 提供完备的数据存储功能；设备管理器提供对可安装设备的支持。应用支持层和 应用开发层为c e 系统的应用程序开发提供统一的接口及库支持。应用集成层则 包含了w i n d o w sc e 对终端设备用户应用提供的各种服务。这个分层模型中并没 有一个单独的应用层，通常意义上的应用程序层被包含在应用集成层中，这是因 为从嵌入式产品发布的方式来看，用户的应用产品通常是与设备捆绑在起的， 所有它们本身也是构成应用集成层的一部分。 对系统设计者而言，需要自行开发的是应用程序和直接与硬件有关的部分， 包括硬件系统本身、o a l 、设备驱动程序。其中，o a l 是指建立在硬件设备与 系统内核之间的一层代码，主要任务是为内核管理具体的硬件设备时钟、中断和 实施电源管理。设备驱动程序负责支持操作系统对目标硬件的访问。o a l 和驱 动程序都要针对具体的硬件设备编写。 从系统的逻辑功能的角度来看，w i n d o w sc e 由许多离散模块构成，每一个 模块都提供特定的功能。这种模块化结构使得系统在可配置性和可裁剪性方面有 华东师范大学硕士学位论文 w i n d o w sc e 系统设备驱动程序 着很大的灵活性。o e m ( 原始设备制造商) 厂家可以根据自己的需要添加或删 除特定的模块，既节省了存储空间，又降低了系统移植的复杂度，满足了嵌入式 系统存储空间有限、应用针对性强的特点。图2 5 是w i n d o w sc e 的系统模块图。 图2 - 5w i n d o w sc e 系统模块图 f i g2 - 5w i n d o w sc ea r c l l i t e c t u r e 从宏观上来说，c e 系统包括以下模块元件：c o r e d l l ，n k ( k e r n e l ) ，设 备管理( d e v i c e m a n a g e r ) 模块，文件存储( o b j e c ts t o r e ) 模块，图形窗口事件 ( g w e s ) 模块，通信( c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s a n d n e t w o r k i n g ) 模块，o a l ( o e m l a y e r ) 模块，驱动程序( d r i v e r s ) 模块和w i n 3 2 系统服务模块。 ( 1 )n k n k 以n k e x e 的形式运行，它是c e 系统的真正核心。n k 主要包含以下6 类功能：处理器任务调度、存储管理、异常处理、系统内部通信机制、核心应用 程序例程( r o u t i n e ) 、为系统范围内的错误检测机制提供支持。 n k 的源代码位于 c e r o o t 】p r i v a t e w i n c e o s c o r e o s 蚪k 目录下。这 部分代码非常精简，始终以较高的优先顺序和处理器特权级别( p r i v i l e g em o d e ) 执行，它被存放在系统存储空间从0 x c 2 0 0 0 0 0 0 起始的位置，一般除了中断处理 例程外，系统内其他的就绪态程序不能中断k e r n e l 程序。 ( 2 ) c o r e d l l c o r e d l l 在系统中具有举足轻重的地位，它隔离了应用程序和操作系统的 其他模块，是使系统稳定的一个保护性屏障。c o r e d l l 提供了两类功能：其一 是外部应用程序系统功能的代理，其二是字符串处理、随机数生成、系统定时等 华东师范大学硕士学位论文 w i n d o w sc e 系统设各驱动程序 基本支持函数。前者是主要的功能，它负责系统a p i 的管理和安装应用程序，系 统应用程序的核心软件中断过程就发生在这里。这个模块是以c o r e d l l d l l 的形 式运行的，其源代码位于 c e r o o t k p r i v a t e w i n c e o s c o r e o s c o r e 目录 下。 ( 3 ) 设备管理模块 这个模块是w i n d o w sc e 的设备管理核心，以d e v i c e e x e 的形式运行。它提 供系统范围内基本的设备列表管理、即插即用( p n p ) 管理、电源管理、i o 资 源管理，并提供了设备驱动程序运行的基本机制。w i n d o w sc e 系统的设备管理 和设备驱动程序模型是本论文的研究重点，也是论文设计部分的必要基础。下一 节将对这部分内容展开详细的分析和讨论，此处不再赘述。 ( 4 )图形窗口事件模块 与微软的w i n d o w s 系列操作系统不同，w i n d o w sc e 将w i n 3 2a p i 的用户接 口( u s e r 3 2 ) 和图形设备接口( g d l 3 2 ) 合并成一个新的模块g w e s e x e ，称为 图形窗口事件模块( g w e s ，g r a p h i c sw i n d o w sa n de v e n t sm a n a g e rs y s t e m ) 。 g w e s 是用户、应用程序和操作系统之间的接口界面，它提供组成w i n d o w sc e