（模式识别与智能系统专业论文）基于xscale处理器的windows+ce操作系统的移植.pdf

摘要 摘要 作为一个开放的、可剪裁的、3 2 位的嵌入式实时窗口操作系统，w i n d o w sc e 具有可靠性好、实时性高、内核体积小、开发周期短的特点，再加上微软提供 的强大的技术支持和与p c 机上视窗操作系统的开发类似性。w i n d o w sc e 被广 泛的用于工业控制、信息家电、移动通信、汽车电子、个人电子消费品等各个 领域，是当今应用最多、增长最快的嵌入式操作系统。 嵌入式系统开发要根据不同的应用场合选择不同的硬件、嵌入式操作系统 和上层应用软件。作为直接运行在硬件上的软件系统，嵌入式操作系统从一种 硬件结构移植到另外一种硬件结构涉及到许多问题。 本项目立足于设计一款嵌入式车载g p s 导航p d a 产品这个研究背景，主要 完成了以下四个方面的工作： 1 硬件平台的设计 根据开发的便利性和厂商的要求，项目中采用了以i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 处 理器为核心的硬件平台。在满足w i n d o w sc e 移植的基础上，添加了与嵌入式车 载g p s 导航p d a 系统相关的扩展硬件模块，使整个产品功能更加丰满。 2 深入研究w i n d o w sc e 操作系统的开发 作为一款功能强大的嵌入式软件操作系统，w i n d o w sc e 的定制、移植和开 发具有很高的难度。虽然烧入f l a s h 中的系统映像仅有2 5 m b ，但是整个系统开 发目录中的相关编译文件等总计1 g b 以上。所以我们对如何合理的统筹规划系 统开发，如何尽量使用已有的开发成果进行了深入的研究。 3 w i n d o w sc e 操作系统的移植 w i n d o w sc e 操作系统不仅具有与p c 机上视窗系统的开发类似性，而且微 软提供了在p c 机上开发w i n d o w sc e 系统的平台p l a t f o 肌b u i l d e r 。在该平台下 我们进行了操作系统的定制和软件仿真，并且同步的进行了底层驱动的开发。 在最短时间内完成了基本w i n d o w sc e 系统的移植。 4 扩展功能的添加 作为一款嵌入式车载g p s 导航p d a 产品，一些与系统美观和实用性的功能 也是我们需要开发与移植的工作。本文介绍了两个典型的扩展功能的添加过程。 摘要 通过上述四个方面的工作，我们最终设计出一款性能价格比较高的嵌入式 车载g p s 导航p d a 产品。 关键词：x s c 2 l l e 、w i n d o w sc e 、移植 a b s t r a c t a sa no p e n ，c u s t o m i z a b l e ， 3 2 b i te m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t l n gs y s t e m ， w i n d o w sc eh a sm a n yg o o dc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sg o o dr e l i a b i l i t y ，h i 曲r e a l t l m e ， s m a l lc o r es i z ea n ds h o r td e v e l o p i n gc y c l e ，a sw e l la s 伊e a tt e c m l l c a ls u p p o r t t r o m m i c r o s o f ta n dd e v e l o p i n gs i m i l a r i t yt ot h es y s t e m so np c w i n d o w sc e i sw i d e l y u s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o l ， i n f o n n a t i o na p p l i a n c e ， m o b i l ec o n l i n u n l c a t i o n s ， a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ，p e r s o r l a lc o n s u m e re l e c t r o n i c s 肌ds om a n y o t h e rt l e l d s l t i st h em o s ts p r e a d i n ga n dt h ef a s tg r o w i n g e h l b e d d e do p e r a t l n gs y s t 锄t o d a y e m b e d d e ds y s t e md e v e l o p i n gn e e dt o c h o o s ed i 街：r e n th a r d w a r e s ，d l n e r e n t e m b e d d e do p e r a t i n gs 坶e m sa 1 1 dd i 脏r e n tu p p e ra p p l i c a t i o ns o r w a r e sa c c o r d l n g t o d i f f e r e n ts i t u a t i o n s a sas o 脚a r es y s t e md i r e c t l ym 肌i n g o nh a r d w a r e s ，e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m i n v o l v e sm a n yi s s u e sd u r i n gm ep o r t 堍 矗o mo n eh a r d w a r e s f r u c f u j ef oa n o 曲e f 。t h i sp r o j e c tm a i n l yc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n g f o u rt a s k so nt h eb a s l so t t h e r e s e a r c hb a c k g r o u n dt h a td e s i g na ne m b e d d e da u t o m o t i v e g p sn a v i g a t i o np d a p r o d u c t 1 h 衲a r ep l a t f o r md e s i g n ， a c c o r d i n gt o t h ed e v e l o p i n gc o n v e n i e n c ea n dc u s t o m e r sr e q u l r e m e n t ，i n t e i x s c a l ep x a 2 55p r o c e s s o rh a r d w a r ep l a t f o r mi sc h o s e n b a s e d o nt h ew i n d o w sc e p o i r t i n g ，e x p a n d i n gh a r d w a r em o d u l e r e l a t e dt ot h es y s t e mi sa d d e ds ot h a tt h ee n t l r c p r o ( 1 u c tf u n c t i o ni sm o r ep l e n t i m l 2 d e e p l ys t u d y o nw i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e md e v e l o p m e n t a sap o w e r f u le m b e d d e ds o 胁a r eo p e r a t i n gs y s t e m ，w i n d o w sc e i so f h i 曲 d i m c u l t yo nc u s t o m i z i n g ，p o r t i n ga i l dd e v e l o p i n g a 1 t h o u 曲o n l y2 5 m bs y s t e m i m a g ei sb 啪e d i n t of l a s h ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o m p i l i n g f i l e si nt h ee n t l r ed e v e l o p m g c a t a l o ga r ea b o v e1g bt o t a l ly t h e r e f o r e ，h o w t oa r r a n g et h ed e v e l o p m e n tl 0 9 1 c a l l y a n dh o wt om a k et h eb e s tu s eo f t h ee x i s t i n ga c h i e v e m e n t sa r ed e e p l ys t u d l e d 3 w i n d o w sc eo p e “l t i n gs y s t e mp o i r t i n g 【l i w i n d o w sc ei sn o to n l ys i m i l a rt ot 量l eo n e so np c ，b u ta l s ot h a t h ep l a t f o r m b u i l d e ri sp r o v i d e d b ym i c r o s o r o nt h i s p l a t f o n n t h eo p e r a t i n gs y s t e ml s c u s t o m i z e da n ds o r w a r es i m u l a t e d a tt h es 锄et i m e ，t h eb o t t o md r i v ei sd e v e l o p e d t h et r a n s p l a n t i n gi sc o m p l e t e di nt h es h o r t e s tt i m e 4 。e x t e n s i o n a sa ne m b e ( 1 d e da u t o m o t i v eg p sn a v i g a t i o np d a ，s o m er e l a t i n gf a c i a la i l d a p p l y i n g c t i o n sa r ea l s on e e dt ob ed e v e l o p e d t 1 1 i sp a p e r i n t r o d u c e st w ot y p l c a l e x t e n d i n gp r o c e s s e s t h r o u 曲t h ea b o v ef l o u ra s p e c t so f 、v o r k ， ae n l b e d d e da u t o m o t i v eg p s n a v i g a t i o np d ap r o d u c to f h i 曲c o s t - e 仃e c t i v ei sf i n a l l yd e s i g n e d k e yw o r d ：x s c a l e ，w 砌o w sc e ，t r a n s p l a n t i n g 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：型龃 妒g 年乡月争日 第二章硬件平台设计 2 1 2x s c ai o 的介绍 i n t e l 的x s c a l e 源于a r m 内核，在这个架构基础上扩展，它保留了对以往 产品的向下兼容性。i n t e lx s c a l e 体系架构提供了一种全新的、高性价比、低功 耗且基于a r m 的第5 代体系架构a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，兼容 a i 己m v 5 t ei s a 指令集( 不支持浮点指令集) ，支持1 6 位t l l u m b 指令和d s p 扩 充。 i n t e lx s c a l e 处理器的处理速度是i m e ls t r o n g a i u 处理速度的两倍。其内部 结构也有了相应的变化：数据c a c h e 的容量从8 k b 增加到3 2 k b ；指令c a c h e 的容量从1 6 k b 增加到3 2 k b ；微小数据c a c h e 的容量从5 1 2 b 增加到2 k b ；为 了提高指令的执行速度，超级流水线结构由5 级增至7 级；新增乘法器m a c 和 特定的d s p 型协处理器c p o ，以提高对多媒体技术的支持；动态电源管理，使 x s c a l e 处理器的时钟可达1 g h z 、功耗1 6 w ，并能达到1 2 0 0 m i p s 。 i n t e lx s c a l e 微处理器架构经过专门设计，核心采用了英特尔先进的0 1 8 岬 工艺技术制造；具备低功耗特性，适用范围从0 1 m w 1 6 w 。同时，它的时钟 工作频率可以接近1 g h z 。x s c a l e 与s t r o n g a i 己m 相比，可大幅降低工作电压并 且获得更高的性能。超低功率与高性能的组合使i n t e lx s c a l e 适用于广泛的互联 网接入设备、手机、p d a 、手持设备、网络存储设备、路由器等。 2 1 3p ) 【a 2 5 5 处理器 系统中采用了i n t e l 开发的x s c a l e 架构的p x a 2 5 5 处理器。它是i n t e l 公司 推出的一款3 2 位高性能的嵌入式处理器，采用了a 1 w v 5 t e 架构，由i n t e l 公 司添加了许多使用于消费类电子的外围模块组成的一个强大的s o c 芯片。主要 用于s m a r t p h o n e ，p d a 等高端嵌入式产品中。p x a 2 5 5 处理器的架构如图2 1 所示【lj ，它具有以下显著的特性： 1 7 级超流水线。 2 乘累加器m a c ( m u l t i p l y a c c u m u l a t e ) 。 3 存储器管理部件m m u 。 4 指令c a c h e 。 5 分支目标缓冲器b t b 。 4 第二章硬件平台设计 2 3 1g p s 模块 2 3 1 1g p s 简介 g p s 是英文n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga i l dr a l n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m 的缩写，利用卫星导航进行测时和测距，以构成全球卫星定位系统。它 首先是美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和 定位的需要而建立的。自1 9 7 3 年美国军方批准成立联合计划局开始g p s 的研究 工作到1 9 9 3 年系统建成，该工程历时2 0 年，耗资3 0 0 亿美元，成为继阿波罗 登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。g p s 从根本上解决了人 类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到了广泛的应用，给 导航和定位技术带来了巨大的变化。 利用g p s ，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定 位和测速，还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。g p s 具有以下 主要特点： 1 定位精度高： 应用实践已经证明，g p s 相对定位精度在5 0 k m 以内可达1 0 e 。6 ，1 0 0 5 0 0 k m 可达1 0 e 7 ，l o o o k m 可达1 0 e 9 。在3 0 0 1 5 0 0 m 工程精密定位中，1 小时以上 观测的解其平面其平面位置误差小于l m m 。 2 观测时间短： 随着g p s 系统的不断完善，软件的不断更新，目前，2 0 k m 以内相对静态 定位，仅需1 5 2 0 分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距 在1 5 k m 以内时，流动站观测时间只需1 2 分钟，然后可随时定位，每站观测 只需几秒钟。 3 测站间无须通视： 只要上空开阔，能接收到卫星信号。 4 可提供三维坐标： 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。g p s 可同时精确测定 测站点的三维坐标。目前g p s 水准可满足四等水准测量的精度。 5 操作简便： 随着g p s 接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的 程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作 8 第二章硬件平台设计 紧张程度和劳动强度，使野外工作变得轻松愉快。 6 全天候作业： 目前g p s 观测可在一天2 4 小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮 风、下雨下雪等气候的影响。 7 功能多、应用广： g p s 系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达 o 1 耐s ，测时精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。 由于以上特点，g p s 信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字 预测的广阔天地，手表式的g p s 接收机，甚至现在已经出现在市场上的带g p s 功能的手机，将成为旅游者的忠实导游。有人预言，g p s 将改变我们的生活方 式。今后，所有运载器，都将依赖于g p s 。g p s 就象移动电话、传真机、计算 机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。 2 3 1 2g 陌模块接口 g p s 模块选用瑞士u - b l o xa g 公司的l e a 4 s ，其出色的性能和3 8 m a 的低 功耗能够确保车载信息系统向手持设备移植时能拥有较长的电池使用时间。 l e a 4 s 的尺寸仅有1 7x2 2 4 毫米，采用了u - b l o x 获奖的15 8 d b m 高灵敏度技术 s u p e r s e n s e ( r ) 。这种灵敏度的覆盖范围可深及户内以及其他定位引擎所接收不 到g p s 信号和跟踪受干扰的弱信号环境，、而使得装备此车载信息系统的汽车 在大型购物中心、城市峡谷地带以及其他信号较弱的偏远区域进行导航时能够 享受到不间断的定位服务。 l e a 4 s 应用简单方便，大大缩短了开发时间，其最典型的无源天线应用线 路图如图2 4 所示。图中v c c 为3 v 供电，对电源要求纯正稳定，纹波系数不 能大于5 0 m v 。从图中可以看出，只要通过简单的u a r t 通讯，就能使用g p s 模块功能。 9 第二章硬件平台设计 图2 4l e a _ 4 s 典型无源天线应用线路图 在此系统中我们将其连接到p x a 2 5 5 的b t _ - u a r t 口。 2 3 2 蓝牙模块 通过s tu r t 与外接蓝牙模块连接，通过p x a 2 5 5 向外接蓝牙模块发送指 ，令与数据，实现与蓝牙手机的连接等功能。 2 3 3 声音输出 音频输出芯片选用p h i l i p s 公司的u c b l 4 0 0 d j ，这是p h i l i p s 专为液晶显示器 手持设备开发的触摸屏控制与混合信号音频解码编码芯片。u c b l 4 0 0 体积小， 是车载信息系统和手持设备等依靠电池供电的设备的理想解决方案。u c b l 4 0 0 在一个芯片上集成了音频解码编码功能、一个触摸屏控制器和功率管理接口， 而这在以前需要两个或更多集成电路才能实现。这些性能的完美组合意味着手 持设备厂商可生产体积更小巧的产品，在单充电器的情况下，运行时间更长。 u c b l 4 0 0 的工作电压为3 3 v ，同时通过软件编程可以让其工作在省电模式 下，具有功耗低的特点，特别适合于使用电池供电的各种移动设备。u c b l 4 0 0 是u c b l 2 0 0 和u c b l 3 0 0 的升级产品，除了提供触摸屏电压检测和数据交换功 能外，还具有立体声解码和电源管理的功能。由于u c b l 4 0 0 与i n t e l 音频解码 l o 第二章硬件平台设计 编码器9 7 ( a c 9 7 ，a u d i oc o d e c 9 7 ) 2 1 版规格完全相容，因此可与众多嵌入式 处理器的a cl i n k 主机控制器连接，如i n t e ls t r o n ga i 之ms a l l l o 处理器，以 x s c a l e 微架构为设计基础的i n t e lp x a 2 5 5 应用处理器等。 2 3 4 一模块 通过g p i o 与f m 模块相连接，实现f m 模块的选频道，控制等。可以将系 统输出的音频数据通过f m 模块发送出去，再由汽车上的收音机接收，通过汽车 音响播放，以达到更好的音频播放效果。 2 3 5s d 卡 p x a 2 5 5 处理器集成了m m c 控制器，m m c ( m u l t im e d i ac a r d ) 是一种低 成本的数据存储和通信中介。支持标准的m m c 以及s p l ( s e r i a lp e r i p h e r a l i n t e m c e ) 两种传输协议，可以通过软件设置采用何种传输协议。p x a 2 5 5 处理 器集成的m m c 控制器兼容m m c 系统规范2 1 版本，提供m m cc l k 、 m m cc m d 、m m cd a t 、m m cc s 几个信号，还有m m cn c d 信号，可用于 卡插入时的检测。p x a 2 5 5 的m m c 控制器可提供的数据传输速率高达2 0 m b p s ， 同时支持2 个m m c 模式传输或者s p i 模式传输。 s d 卡技术是基于m m c 格式上发展而来，卡片大小和m m c 差不多，尺寸 为3 2 m m 2 4 m m 2 1 m m 。长宽和m m c 一样，只是比m m c 厚了0 7 m m ，以 容纳更大容量的存贮单元。s d 卡与m m c 卡保持着向上兼容，也就是说，m m c 可以被新的s d 设备存取，兼容性则取决于应用软件，但s d 卡却不可以被m m c 设备存取。s d 卡外型采用了与m m c 厚度一样的导轨式设计，以使s d 设备可 以适合m m c 。 s d 卡的结构能保证数字文件传送的安全性，也很容易重新格式化，所以有 着广泛的应用领域，音乐、电影、新闻等多媒体文件都可以方便地保存到s d 卡 中。因此，系统采用s d 卡支持作为主要的扩展存储设备手段，主要用于存放电 子地图与导航程序、应用程序、多媒体文件等。 电路原理图如图2 5 所示。 第二章硬件平台设计 1 2 图2 5s d 卡连接电路图 第三章操作系统的构建 第三章操作系统的构建 3 1w in d 伽sc e 介绍 从1 9 9 6 年w i n d o w sc e l 0 诞生起，到今天的w i n d o w sc e 6 o ，w i n d o w sc e 已经经历了十余年的发展，取得巨大的成功。作为一个开放的、可剪裁的、3 2 位的实时嵌入式窗口操作系统，w i n d o w sc e 具有可靠性好、实时性高、内核体 积小的特点，所以被广泛用于各种嵌入式智能设备的开发，被广泛的用于工业 控制、信息家电、移动通信、汽车电子、个人电子消费品等各个领域，是当今 应用最多、增长最快的嵌入式操作系统。具体来说，w i n d o w sc e 主要有以下特 点： 1 已经被证明的可靠性； 2 多c p u 支持和丰富的驱动程序支持： 3 企业级的连接性； 4 实时多任务处理： 5 s q ls e e r 2 0 0 0f o rc e 数据库支持； 6 i n t e m e te x p l o r e r6 0f o rc e ； 7 高级电源管理； 8 多媒体支持； 9 可定制的用户接口； l o 安全服务； 1 1 实时通信； 1 2 多语言支持。 现在最新版本的w i n d o w sc e 是w i n d o wc e6 o ，考虑到我们使用的硬件平 台i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 上比较流行的操作系统( 便于获取相关参考资料) ，并综 合考虑我们所需要的操作系统的功能，最终在项目中，我们采用了w i n d o w s c e n e t 4 2 。 1 3 第三章操作系统的构建 3 2 开发平台介绍 3 2 1 操作系统开发平台 m i c r o s o f tp l a t f o n l lb u i l d e rf o rw i n d o w sc e ( 一般简称p l a t f o mb u i l d e r 或者 p b ) 是用于创建基于w i n d o w sc e 的嵌入式操作系统设计的一个集成开发环境 ( i d e ) ，它集成了进行设计、产生、构建、测试和调试w i n d o w sc e 操作系统设 计所需要的所有开发工具。它运行在桌面w i n d o w s 下，开发人员可以通过交互 式的开发环境来设计和定制内核、选择系统特性，然后进行编译和调试。同时， 开发人员还可以利用p l a t f o m lb u i l d e r 来进行驱动程序开发和应用项目的开发 等。p 1 a t f 0 肌b u i l d e r 的强大功能，己经使其成为w i n d o w sc e 平台下嵌入式操作 系统开发和定制的必备工具。 具体来说，p l a t f o mb u i l d e r 提供的主要开发特性包括： 1 平台开发向导( p l a t f o mw i z a r d ) 和b s p 开发向导( b s pw i z a r d ) 可引导开发人员创建简单的系统平台或b s p ，并根据需要做出修改。 2 基础配置 为各种流行的设备类别预置了操作系统基础平台，为自定义操作系统的创 建提供了一个起点。 3 特性目录( c a t a l o g ) 操作系统可选特性均在特性目录中列出，开发人员可以选择相应的特性来 定制操作系统。 4 自动化的依靠性检查 特性( f e a t u r e ) 之间的依赖关系是系统自动维护的。 5 系统为驱动程序开发提供了基本的测试工具集w i n d o w sc et e s tk i t ( 测 试工具包) 6 内核调试器 可以对自定义的操作系统映像进行调试，并且向用户提供有关映像性能的 信息。 7 导出向导( e x p o i r tw i z a r d ) 可以向其他p l a t f o mb u i l d e r 用户导出自定义的目录特性。 8 导出s d k 向导( e x p o r ts d kw i z a r d ) 1 4 第三章操作系统的构建 可以将客户定制的s d k 导出到特定的开发环境中( 如e v c ) 去，这样便可 以使用特定的s d k 写出符合特定的操作系统平台要求的应用程序。 9 远程工具 可以执行同基于w i n d o w sc e 的目标设备有关的各种调试任务和信息收集 任务。 1 0 仿真器( e m u l a t o r ) 通过硬件仿真加速和简化了系统的开发，使用户可以在开发工作站上对平 台和应用程序进行测试，简化了系统开发流程，缩短了开发时间。 1 1 应用程序调试器 可以在自定义的操作系统映像上对应用程序进行调试。 1 2 提供了对n e tf r 锄ew 6 r kc o m p a c te d i t i o n ( 即n e t 平台精简框架) 的 支持 p l a t f o m lb u i l d e r 的版本号和其创建的w i n d o w sc e 系统的版本号是一致的， 所以我们这次采用p l a t f o mb u i l d e r4 2 来创建系统。 3 2 2 应用程序开发平台 e m b e d d e dv i s u a lc + + ( 简称为e v c ) 是用于创建w i n d o w sc e 应用程序的一 个集成开发环境，它的最终版本为e m b e d d e d s u a lc + + 4 0 + s e r v i c ep a c k4 。 w i n d o w sc e3 o 及以前版本的应用程序开发均可以使用e m b e d d e dv i s u a lc + + 。 但从w i n d o w sc e n e t4 0 开始，微软逐步将w i n d o w sc e 应用程序的开发集成 到了s u a ls t u d i o n e t 上。我们这次采用v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 5 来开发所有应 用程序。 3 3 系统架构 w i n d o w sc e 被设计成一种分层结构，如图3 1 所示，从底层向上分别为硬 件层、o e m 层、操作系统层和应用层。每一层分别由不同的模块组成，每个模 块又由不同的组件构成。这种层次性的结构试图尽量将硬件和软件、操作系统 1 5 第三章操作系统的构建 与应用程序隔离开，以便于实现系统的移植，便于进行硬件、驱动程序、操作 系统和应用程序等开发人员的分工合作、并行开发。 i n t e m e t 客 客户应用程序 用户接口 应 用 户服务 国际化 层w i n d o w sc e 应用程序 客户和服务开发 坦 c o r e d l l对象存储 j ，i 、 作 一 系 多媒体图形窗口和设备通信服务统 技术 事件子系统管理器和网络层 核心 o a l 驱动程序 o e m 启动加载程序配置文件 硬件层 3 3 1 硬件层 图3 1w i n d 佣sc e 的架构 硬件层是指由c p u 、存储器、i 0 端口、扩展板卡等组成的嵌入式硬件系统， 是w i n d o w sc e 操作系统必不可少的载体。本系统的硬件层即为嵌入式车载g p s 导航p d a 系统的以i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 处理器为核心的包括基本系统和扩展功 能模块在内的整个硬件平台。 1 6 第三章操作系统的构建 3 3 20 e _ 层 o e m 层是嵌入式硬件层与、聃n d o w sc e 操作系统的接合层。w i n d o w sc e 操 作系统要能在特定的硬件上运行，硬件必须要能够加载、斩n d o w sc e 操作系统， 同时，操作系统也要能够实现对硬件系统的初始化并驱动这些硬件。o e m 层主 要由以下模块组成： 1 o a l ( o e m a d a p t a t i o nl a y e r ，0 e m 适配层) o a l 是w i n d o w sc e 内核与目标硬件之间的一个代码层，主要用来处理 、矾n d o w sc e 内核与目标硬件设备之间的通信，其功能主要包括c p u 初始化、 处理中断、计时器等。 2 启动加载程序( b 0 0 tl o a d e 启动加载程序用于将w i n d o w sc e 操作系统内核加载到目标硬件系统的内 存并开始启动操作系统的执行。 3 配置文件 配置文件用于对w i n d o w sc e 操作系统的创建过程进行配置，其主要包括源 代码配置文件和映像配置文件。源代码配置文件用于对操作系统运行时映像用 到的模块、特征和源代码的创建方式进行配置，而映像配置文件用于对最终操 作系统运行时映像创建方式进行配置。 4 驱动程序 驱动程序是对物理或虚拟设备功能的软件抽象，是操作系统与外部设备或 者虚拟设备的桥梁，应用程序只有通过驱动程序接口才能实现对物理或者虚拟 设备的操作。物理设备包括网卡、声卡、计时器、串并口等，而文件系统是虚 拟设备的一个例子。w i n d o w sc e 下的设备驱动既要实现w i n d o w sc e 规定的驱 动程序接口，将设备的功能呈现给应用程序和操作系统，也需要利用操作系统 提供的服务，实现驱动程序的加载、调度和卸载。w i n d o w sc e 下的驱动被设计 成为用户模式的应用程序，没有必要必须运行在内核模式下。 在o e m 层的代码中，0 e m 层主要由c s p ( c h i ps u p p o r tp a c k a g e ) 代码和 b s p ( b o a r ds u p p o np a c k a g e ) 代码组成，其中c s p 支持不同的微处理器体系结 构，而b s p 支持不同的微处理器扩展和外设，它由b o o tl o a d e r 、o a l 和驱动程 序代码组成。 1 7 第三章操作系统的构建 3 3 3 操作系统层 操作系统层是w i n d o w sc e 操作系统的核心层，它既要为下层0 e m 层提供 接口和服务，也要为上层的应用程序提供服务与应用程序编程接口： 操作系统层主要由下列模块构成： 1 核心 核心是w i n d o w sc e 操作系统的最小定制内核，它为任何基于w i n d o w sc e 的设备提供处理器调度、内存管理、异常处理及系统内通信等系统功能。并为 应用程序使用这些核心功能提供内核服务。w i n d o w sc e 操作系统包含很多不同 的文件，每个文件都为操作系统提供不同的功能和服务，但只有n k e x e 为 w i n d o w sc e 操作系统的内核。w i n d o w sc e 的最小内核约为2 5 0 k b 。n k e x e 始 终运行在较高的优先级和处理器优先级上，除中断例程外，一般不允许操作系 统内其他线段抢占它的运行。 2 c o r ed l l c o r ed l l 模块是最基本的操作系统模块，它为其他模块提供核心功能。所 有的操作系统定制设计都必须包含这个模块，但并不是这个模块中的所有组件 都是必需的。在绝大多数情况下，c o r ed l l 并不完成实际操作，它只是作为应 用层与操作系统层的一个桥梁，将应用层对操作系统的调用传递给操作系统相 应的模块，并触发对相应进程的本地过程调用( l p c ) ，如将所有绘图和窗口调 用发送给g w e s e x e 。 3 对象存储模块 对象存储是w i n d o w sc e 为应用程序及其相关数据提供的存储方式，即使在 关闭系统主电源只有后备电源的情况下，对象存储也能保证数据不会丢失。通 常非易失的r a m 芯片构成了物理的对象存储。理论上，对象存储是由文件系统、 数据库和系统注册表三种类型的永久存储构成的。虽然文件系统、数据库和系 统注册表共享一个单独的内存堆，但在实际应用中它们没有必要物理上驻留在 对象存储里，它们可以驻留在r o m 、单独到可安装文件系统或外部设备上。为 此，w i n d o w sc e 的文件系统又区分为r a m 文件系统、r o m 文件系统和r 订 文件系统。数据的产生和访问是按照存储类型进行的，而与实际使用的物理存 储设备无关。 操作系统使用对象存储主要完成下列任务： 1 8 第三章操作系统的构建 管保栈和内存堆； 必要时压缩或展开文件； - 无缝地集成基于r o m 的应用和基于r a m 的数据。 4 多媒体技术模块 多媒体技术模块将桌面计算机上的高性能多媒体技术引入到了嵌入式设备 领域。w i n d o w sc e 支持从产音到图像及到视频的全方位的多媒体支持，为多媒 体硬件提供了相应驱动程序接口，为多媒体应用程序提供了丰富的a p i ，还为多 种媒体文件和媒体流提供了丰富的解码与编码。另外，w i n d o w sc e 下的媒体播 放器应用程序使用户的多媒体体验更加直观。 5 图形窗口和事件系统模块 图形窗口和事件系统模块( g w e s ) 包含了大部分的核心w i n d o w sc e 功能， 它集成了图形设备接口( g d i ) 、窗口管理器和事件管理器。g 、7 e s 模块是 w i n d o w s ( ：e 操作系统高度组件化的部分，它分别由u s e r 和g d i 两部分组成， u s e r 用来处理消息、事件及鼠标和键盘等的用户输入，而g d i 用来处理图形 的屏幕和打印输出等。 在运行的w i n d o w sc e 操作系统中，图形窗口事件系统模块体现为g 、e s e x e 进程。g w e s 模块主要由以下三种类型的组件构成： 支持图形驱动的g d i 组件； 支持窗口控件的u s e r 组件； 支持其他窗口和图形功能的一般g w e s 组件。 6 设备管理器模块 设备管理器是运行在w i n d o w sc e 操作系统下体现为d e v i c e e x e 的一个进 程，它提供基本的设备列表管理、即插即用管理、i o 资源分配管理及驱动的加 载、卸载和跟踪已经加载的驱动及其接口等，它由内核加载并连续运行，一旦 运行就永不卸载。 7 通信服务与网络模块 通信服务与网络模块用于为基于w i n d o w sc e 的设备提供有线或无线通信 能力，使c e 设备能够与其他设备或计算机进行连接与通信。通信服务与网络模 块为w i n d o w sc e 操作系统提供网络驱动接口、网络通信协议及网络应用程序编 程接口支持，并提供对个人网络、局域网络和广域网络以及8 0 2 1 x 、蓝牙和红 外等无线支持，还为远程实时通信( r t c ) 提供强大支持。 1 9 第三章操作系统的构建 8 应用和服务开发模块 应用和服务开发模块是为应用程序并发提供编程接口和服务支持的库模 块，这些库模块一般都是一些d l l ，微软并不提供这些d l l 的源代码。应用和 服务开发模块提供了对话动模板库( a t l ) 、c 运行库、组件服务( c o m 和 d c o m ) 、消息队列( m s m q ) 、微软基础类库( m f c ) 、标准s d k 、s q ls e r v e r c e 、n e tc o m p a c tf r a m e w o r k 等的支持。 应用层是在操作系统提供的w i n 3 2a p i 的基础上，由w i n 3 2a p i 构建的应用 程序组成，这些应用程序为基于w i n d o w sc e 的设备提供增值功能和服务。应用 层的程序主要包括两部分：一部分是由w i n d o w sc e 本身提供的应用程序，一部 分是用户根据自身设备需要定制开发的应用程序。 3 3 4 应用层 应用层主要包括以下模块： 1 w i n d o w sc e 应用程序 w i n d o w sc e 应用程序是微软提供的应用程序，主要包括a c t i v e s v n c 、c a b 安装卸载应用程序、文件查看器( 包括p d f 、x s l 、p p t 、d o c 和图像查看器) 、 i n b o x 、游戏、w 6 r d p a d 、w i n d o w sm e s s e n g e r 等应用程序以及i m p ( 远程桌面协 议) 支持、声音重定向、文件存储重定向、打印机重定向、并串口重定向、智 能卡重定向等应用程序。 2 i n t e m e t 客户服务 i n t e m e t 客户服务模块提供了对浏览器应用程序、定制浏览器技术及脚本语 言解析引擎的支持。其组件包括标准的浏览器组件、i n t e m e te x p l o r e r6 o 浏览器 应用程序、p o c k e ti n t e m e te x p l o r e r 浏览器应用程序及相关的插件和x m l 组件等。 3 用户接口 用户接口构成了用户与基于w i n d o w sc e 的设备和应用程序的交互方式，它 由鼠标接口、网络用户接口、软输入板、语音输入与识别、触模屏等应用程序 组成。另外国际化模块也可以作为用户接口的一部分，国际化模块主要提供对 本地化的用户接口和本地化特定的功能提供支持。国际化模块的应用程序包括 本地化的资源文件、字库、输入法管理器( i m m ) 、国家语言支持( n l s ) 和多 第三章操作系统的构建 语言用户接口等。 4 客户应用程序 客户应用程序是用户为特定需要编写的特定功能的w i n d o w sc e 应用程序， 一般在p l a t f o mb u i l d e r 、e m b e d d e d s u a lc + + 或s u a ls t u d i o 中创建。 3 4w in d 伽sc e 嵌入式系统开发过程 3 4 1 并行开发 一个完整的基于w i n d o w sc e 的设备开发包括硬件开发调试、w i n d o w sc e 操作系统定制和应用程序开发调试三个方面( 三个阶段) 。由于后一阶段的工作 必须依赖于前一阶段工作的完成，所以传统的开发设计过程是逐阶段的串行过 程如图3 2 所示，其缺点是开发周期长、会造成开发人员和资源的浪费等。 硬件开发调试定制操作系统开发应用程序 图3 2 串行