（计算机软件与理论专业论文）基于wince平台嵌入式巡视仪的设计与开发.pdf

摘要 基于w i n c e 嵌入式操作系统的仪器仪表的设计与开发日益得到人们的重视，它为开 发者提供统一的编程接口，具有开发周期短、显示分析功能强大等特点。本文开发的基 于平台级w i n c e 4 0 的电力巡视仪正是这方面的尝试。 论述了基于w i n c e 4 0 平台的模块化体系结构及软硬件平台的搭建流程。将 p l a t f o r m b u i l d e r 3 0 作为基于w i n c e 4 0 平台的嵌入式系统的开发工具，它提供了将定 制的操作系统下载到目标平台的所有工具“。在平台的开发过程中主要分三部分完成： 1 是构建平台，2 创建平台映像文件，3 将映像文件下载到目标设备上去。分析了 w i n c e 4 0 的实时性和嵌入性，总结了w i n c e 4 0 平台下应用程序开发的特点。最后理解 和掌握了操作系统的定制方法，电力巡视仪的软件设计( 面向对象分析方法) 与编程实 现及与p c 机的数据同步。电力巡视仪采用统一的w i n 3 2 编程接口，多线程设计和模块 化结构，可执行代码小，易于功能扩展。具有实时数据上传和下载、数据存盘、分析、 统计等功能。便携式电力巡视仪作为电力管理信息系统的辅助部分，适用于工作分散且 不需连续做业的工作环境，非常适用于移动巡视类工作。论文首先分析嵌入式操作系统 的研究现状、技术背景、特点及应用。然后，以电力巡视仪为例，介绍了对“基于w i n c e 平台嵌入式巡视仪的设计与开发”这一课题的应用研究，包括需求分析、系统设计、主 要子系统的编码实现、关键技术等主要部分。 最后，本文对整个系统进行了客观的性能分析并提出了系统尚要解决的问题和改进 目标。 关键字：嵌入式；数据同步；远程数据访问 a b s 仃a c t 、如c e - b a s e de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi n s t r u m e n td e s i g na n dd e v e l o p m e n ti s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a ri no u rd a y s i tp r o v i d e sau n i f i e dp r o g r a m m i n gi n t e r f a c e f o rd e v e l o p e r sw i t has h o r td e v e l o p m e n tc y c l ea n dp o w e r f u la n a l y s i sf u n c t i o n i nt h i sp a p e r w et r yt od e v e l o pan o v e ls c o u t i n gi n s t r u m e n tb a s e do nt h ep o w e rw i n c f a 0 t 1 l ew 佃c e 4 0o p e r a t i n gs v s t e mt h a tb a s e d0 1 1t h em o d u l a ra r c h i t e c t u r ea n ds o f t w a r e p l a t f o r ms t r u c t u r e sp r o c e s s i n ga r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r n l ep l a t f o r m b u i l d e r 3 0i su s e da s t h ed e v e l o p m e n tt o o lb a s e d0 1 1t h ew i n c e 4 0o ft h eo p e r a t i n gs y s t e m , w h i c hp r o v i d e sa l lt h e i n s t a l lt o o l sf r o mc u s t o m i z e do p e r a t i o ns y s t e mt og o a lp l a t f o r m d u r i n gt h ep l a t f o r m d e v e l o p m e n t t h i sp l a t f o r mi n c l u d e st h r e ep a r t s f i r s t , c o n s t r u c tt h ep l a t f o r m s e c o n d ，c r e a t e t h ep l a t f o r mi m a g ef i l e t h i r d d o w n l o a dt h ei m a g ef i l et ot h eg o a le q u i p m e n t 1 1 1 er e a l - t i m e p e r f o r m a n c ea n de m b e d d i n gp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d , a n dt h o nt h ec h a r a c t e r i s t i c o f a p p l i c a t i o ne x p l o i t u r ei ss u m m a r i z e d f i n a l l y , t h ec u s t o m i z em e t h o d so fo p e r a t i o ns y s t e ma r e m a s t e r e d t h es o r w a r ed e s i g no fp o w e rs c o u t i n gi n s t r u m e n t ( 0 b e c to r i e n t e da n a l y s i s m e t h o d s 、a n dp r o g r a mr e a l i z a t i o ns y n c h r o n i z ew i t hd a t ao fp e r s o n a lc o m p u t e r w i n 3 2 p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，m u l t i t h r e a d i n gd e s i g na n dm o d u l a rs t r u c t u r ea r ea d a p t e di no u rp o w e r s c o u t i n gi n s t m m e n t f e we x e c u t a b l ec o d e sa n de a s yf u n c t i o n a le x p a n s i o n i th a sr e a l - t i m e d a t au p l o a da n dd o w n l o a d , i n v e n t o r yd a t aa n a l y s i s ，s t a t i s t i c sa n do t h e rf u n c t i o n s p o r t a b l e s c o u t i n ge q u i p m e n to f p o w e ra st h ea s s i s t a n t o ro f t h ep i si ss u i t a b l et oa p p l yt ow o r kw i t h o u t d i s p e r s i o nf o rt h ei n d u s t r yo ft h ew o r ke n v i r o n m e n ta n dt h em o b i l ei n s p e c t i o nc a t e g o r i e s f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ee m b e d d e ds y s t e mr e s e a r c h , t e c h n i c a lb a c k w o o d ， c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o i l s t h e n , t a k et h ep o w e ro fs c o u t i n gi n s t r u m e n tf o re x a m p l e ， i n v o i c et h e ”d e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fp o r t a b l ei n s t r u m e n tb a s e do nw i n c ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m r e s e a r c ho fs u b j e c t , i n c l u d i n gr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ，s y s t e md e s i g n ，t h e a c h i e v e m e n to fc o d em a j o rs u b s y s t e m s ，t h ek e yt e c h n o l o g yp a r ta n ds o0 1 1 f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec a p a b i l i v yo f t h ee n t i r es y s t e me x t e r n a l l y , t h e nb r i n gf o r w a r d t h ep r o b l e m sw h i c hc a nn o tb es o l v e da n dt h ei m p r o v e m e n tg o a l s k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；d a t as y n c h r o n i z a t i o n ；r e m o t ed a t a a c c e s s h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：霪丝线 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：i 踅冬歪至 e t 期：迎：上：正 电话： 邮编： 麟 引言 随着人类社会经济的高速发展，人们的活动范围越来越大，位置的不确定性也愈来 愈多。在移动通信中，定位导航对用户来说也变得越来越重要。 人类进入了后p c 时代，开始考虑如何将设备变得更加智能化、数字化，从而使得改 进后的设备功能更加强大，并且轻巧便利、易于控制。为了实现人们在后p c 时代对设备 提出的新要求，嵌入式技术提供了一种灵活、高效和高性价比的解决方案，逐渐引领后 p c 时代i t 领域的发展。 嵌入式系统的广泛应用已经渗入到我们日常生活的各个方面。在手机、p d a 、m p 3 、 数码相机、电视机、冰箱，甚至电饭锅、手表里都有嵌入式系统的存在，工业自动化控 制、仪器仪表、汽车、航空航天等领域更是嵌入式系统的天下。据统计，每年全球嵌入 式系统带来的相关工业产值己超过1 万亿美元。无论是汽车的卫星导航和手机定位，还 是智能电器和信息家电，这些都是带有嵌入式系统的数字设备，嵌入式系统正以方便、 简捷、实用的特点主宰着这个数字世界。 目前，全球手机、掌上电脑、车载电脑等微型设备的销量非常可观，就中国信息产 业来看，增长速度已相当惊人。信息产业部2 0 0 5 年通信业发展统计报告，手机服务合同 数量达3 亿9 3 4 2 万8 0 0 0 件，也就是说中国手机用户接近4 亿。移动设备市场的快速增长， 不仅是靠硬件设备快速发展的支撑，而且嵌入式软件技术的飞速发展也功不可没，这其 中就包括嵌入式p i s 。嵌入式p i s 是当前电力信息技术发展的一个热点，具有一定的前瞻 性。在发达国家以嵌入式结合p i s 进行辅助电力业务管理已经比较成熟，在我国还没有 起步。中国移动通信目前推出手机定位业务，注册用户经过授权，便可查手机精确位置。 由此可见，人们对移动系统功能的需求越来越多，而基于嵌入式p i s 的移动巡视仪具有 极其广阔的应用前景。 1 1 嵌入式系统 第一章绪论 随着以计算机技术、通讯技术为主的信息技术的快速发展和互联网的广泛应用，计 算机的发展已显示出微型化和专业化的趋势，以台式计算机为主流的时代必将进入“后 p c ”时代，嵌入式系统将在这一时期大显身手，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机 技术为基础，软硬件可剪裁，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专 用计算机系统”1 。嵌入式系统的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件 产品开发。它的最大特点在于能够根据特定用户的需求，对软硬件进行合理剪裁，具有 功耗低、体积小、集成度高等特点，有利于整个系统的小型化，提高系统的智能化和网 络化程度。嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成，硬件以芯片、插座、模块、控 制器的形式存放于设备内部。软件包括实时多任务操作系统和各种专用的应用软件。嵌 入式系统经历了基于芯片的嵌入式系统( 以单片机技术的应用为代表) 、标准总线的嵌 入式计算机系统( 如s t 9 总线、v e m 总线) 、p c 总线的嵌入式计算机系统、高性能嵌入式 微处理器在嵌入式计算机系统中的应用等几个发展阶段。计算机软硬件技术的飞速发 展，使得高性能嵌入式微处理器应用成为当前的热点，而实时多任务的嵌入式操作系统 正成为这一应用中的重要核心部分。它与当前智能控制、网络等新技术的进一步融合， 对业界将产生深远的影响，也必然会推动嵌入式系统的飞速发展。嵌入式操作系统并不 是简单嵌入的系统，它与通常意义的操作系统有一定的区别。嵌入式操作系统负责嵌入 式系统全部软硬件资源的分配和调度工作，控制并协调并发活动，它必须体现其所在系 统的特征，能够通过装卸某些模块达到系统所要求的功能。与通用的操作系统相比，嵌 入式操作系统具有以下特征： ( 1 ) 小巧：嵌入式系统所提供的资源有限，因此嵌入式操作系统必须做的小巧，以 满足系统的硬件限制。 ( 2 ) 实时性：大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中，因此嵌入式操作 系统应把实时性作为它的一个重要元素考虑。 ( 3 ) 可装卸：由于嵌入式系统应根据应用的要求进行装卸，所以嵌入式操作系统必 须能够根据应用的要求进行装卸。 ( 4 ) 代码固化：在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件一般被固化在嵌入式 系统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中的应用很少，因此嵌入式操作系统的 文件管理系统应能够很容易的拆卸，取而代之的是各种内存文件系统。 ( 5 ) 弱交互性：大多数嵌入式系统的工作不需要人为干涉。嵌入式操作系统的用户 接口一般不提供操作命令，它通过系统调用命令为用户程序提供服务。 ( 6 ) 强稳定性：嵌入式操作系统一旦开始工作，不需要人为过多的干涉。在这种条 件下，要求负责系统管理的嵌入式操作系统具有较高的稳定性。 ( 7 ) 统一的接口：随着各种各样的嵌入式操作系统的出现，人们有必要对嵌入式系 统提供的接口进行统一规定，从而为嵌入式应用软件开发者提供统一的服务接口，为嵌 入式应用软件的开发提供平台无关性。 嵌入式操作系统的发展大体上可划分为3 个阶段：无操作系统的嵌入算法阶段、简 单监控式的实时操作系统阶段和通用的嵌入式实时操作系统阶段。 ( 1 ) 无操作系统的嵌入算法阶段 这一阶段的嵌入式系统是以可编程控制器的形式，以单芯片为核心的系统，同时具 有与一些监测、伺服指示设备相配合的功能。 ( 2 ) 简单监控式的实时操作系统阶段 这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式处理器为基础，以简单监控式操作系统为核 心，系统的特点是处理器种类繁多，通用性比较弱，系统开销小，效率高，一般配备系 统仿真器，具有一定的兼容性和扩展性，操作系统的用户界面不够友好。 ( 3 ) 通用的嵌入式实时操作系统阶段 通用的嵌入式实时操作系统阶段是以通用型嵌入式实时操作系统为标志的嵌入式 系统。这一阶段的特点是能运行在各种不同类型强大的处理器上，具有强大的通用型操 作系统的功f i g 如具备文件和目录管理、多任务、设备支持、网络支持、图形窗口以及 用户晃面等功能；具有丰富的应用程序接口和嵌入式应用软件。 嵌入式实时操作系统( r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种实时的、支持 嵌入式系统应用的操作系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设 备驱动接口、通讯协议、图形界面、标准化浏览器等。i e e e 的实时u n i x 分委会认为实时 操作系统应具备以下的几点： ( 1 ) 异步的事件响应 实时系统能在系统要求的时间内响应异步的外部事件，要求有异步i 0 和中断处理 能力。i o 响应时间常受内存访问、硬盘访问和处理器总线速度所限制。 ( 2 ) 切换时间和中断延迟确定 ( 3 ) 优先级中断和调度 允许用户定义中断优先级和被调度的任务优先级并指定如何服务中断。 ( 4 ) 抢占式调度 为保证响应时间，实时操作系统必须允许高优先级任务一旦准备好运行，马上抢占 低优先级任务的执行。 ( 5 ) 内存锁定 必须具有将程序或部分程序锁定在内存的能力，锁定在内存的程序减少了为获取该 程序而访问硬盘的时间，从而提高了响应速度。 ( 6 ) 连续文件 提供了存取盘上数据的优化方法，使得存取数据时查找时间最少。通常要求把数据 3 存储在连续文件上。 ( 7 ) 同步 提供同步和协调共享数据使用和时间执行的手段。 嵌入式实时操作系统与一般实时操作系统的主要区别在于应用场合和开发过程中。 嵌入式实时操作系统的响应时间一般在毫秒或微秒级，具有规模小、可固化使用的特点。 目前，嵌入式实时操作系统的种类较多，其中较为流行的有：v x w o r k s 、w i n c e 和p s o s y s t e m 等。p s o s y s t e m 和v x w o r k s 是美国弹i n d r i v e r 公司专门为嵌入式处理器设计和开发的模块 化、高效率、高可靠性的实时操作系统。w i n c e 是美国微软公司专门为各种移动和便携 电子设备、个人信息产品、消费类电子产品、嵌入式应用系统等非台式或笔记本电脑领 域设计的一种3 2 位高性能嵌入式操作系统。 1 1 1 嵌入式系统技术特点及相关技术 嵌入式系统通常包括构成软件基本运行环境的硬件和软件系统两部分。嵌入式系统 的运行环境和应用场合决定了嵌入式系统具有区别于其它系统的一些特点： ( 1 ) 微内核结构 大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两个层次。内核仅仅提供基本的功 能，如建立进程、管理进程、提供文件系统和管理设备等，这些功能以系统调用方式提 供给用户。一些桌面操作系统，如w i n d o w s 、l i n u x 等，将许多功能引入内核，操作系统 的内核变得越来越大，这样使得系统占用的资源增多，剪裁起来很麻烦。 大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，即内核提供最基本的功能，如任务的调 度、任务之间的通信与同步、内存管理和时钟管理等。其它的应用组件，如网络功能、 文件系统和g u i 系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统 都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。 ( 2 ) 任务调度 大多数的嵌入式操作系统都支持多任务。多任务的实现实际是靠c p u 在多个任务之 间切换、调度。每个任务都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。任务 的调度有三种方式：可抢占式调度、不可抢占式调度和时问片轮转调度。不可抢占式调 度是指一个任务一旦获得c p u 就独占c p u 运行，除非由于某种原因，它决定放弃c p u 的使 用权；可抢占式调度是基于任务优先级的，当前正在运行的任务可以随时让位给优先级 更高的处于就绪态的其它任务；当两个或两个以上任务有同样的优先级，不同任务轮转 地使用c p u ，直到系统分配的c p u 时间片用完，这就是时间片轮转调度。 目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的可抢占式调度 法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。 ( 3 ) 硬实时和软实时 嵌入式系统根据系统的实时性可分为：硬实时系统和软实时系统。软实时系统并不 要求限定某一任务必须在特定的时间内完成，只要求各个任务运行得越快越好；硬实时 4 系统对系统响应时间要求特别严格，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩 溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。 ( 4 ) 内存管理 针对有埘u ( 内存管理单元) 的处理器设计的一些桌面操作系统，如w i n d o w s 、l i n u x ， 使用了虚拟存储的概念。虚拟内存地址被送到姗u ，在m m u 虚拟地址被映射为物理地址， 实际存储器被分割为相同大小的页面，采用分页的方式载入进程。一个程序在运行之前， 没有必要全部装入内存，而是仅将那些当前要运行的部分页面装入内存运行。大多数嵌 入式系统针对没有m m u 的处理器设计，不能使用处理器的虚拟内存管理技术，采用的是 实存储器管理策略。因而对于内存的访问是直接的，它对地址的访问不需要经过m m u ， 而是直接送到地址线上输出，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址，而且大多数 嵌入式操作系统对内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在 执行前，系统必须为它分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间。 ( 5 ) 内核加载方式 嵌入式操作系统内核可以在f l a s h 上直接运行，也可以加载到内存中运行。f l a s h 的 运行方式，是把内核的可执行映像烧写到f l a s h 上，系统启动时从f l a s h 的某个地址开始 执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法。内核加载方式是把内核的压缩 文件存放在f l a s h 上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行。这种方 式相对复杂一些，但是运行速度相对更快，因为r a m 的存取速率要比f l a s h 高很多。 相对于在w i n d o w s 环境下的开发应用程序，嵌入式系统开发更加复杂，主要是由于 不同的硬件平台和操作系统。在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机的角色之分：宿主 机是执行编译、链接，定址过程的计算机；目标机指运行嵌入式软件的硬件平台。先在 宿主机上把应用程序转换成可以在目标机上运行的二进制代码。这一过程包含三个步 骤：编译、链接、定址。编译过程由交叉编译器实现。所谓交叉编译器就是运行在一个 计算机平台上并为另一个平台产生代码的编译器。常用的交叉编译器有g n u c c + + 。编译 过程产生的所有目标文件被链接成一个目标文件，称为链接过程。定址过程会把物理存 储器地址指定给目标文件的每个相对偏移处。该过程生成的文件就是可以在嵌入式平台 上执行的二进制文件。嵌入式开发过程中另一个重要的步骤是调试目标机上的应用程 序。嵌入式调试采用交叉调试器，一般采用宿主机一目标机的调试方式，它们之间由串 行口线或以太网线相连。交叉调试有任务级、源码级和汇编级的调试，调试时需将宿主 机上的应用程序和操作系统内核下载到目标机的r a m 中或直接烧录到目标机的r o m 中。目 标监控器是调试器对目标机上运行的应用程序进行控制的代理，事先被固化在目标机的 f l a s h 、r o m 中，在目标机上电后自动启动，并等待宿主机调试器发来的命令，配合调试 器完成应用程序的下载、运行和基本的调试功能，将调试信息返回给宿主机。 大部分嵌入式开发人员选用的软件开发模式是先在p c 机上编写软件，再进行软件的 移植工作。在p c 机上编写软件时，要注意软件的可移植性，选用具有较高移植性的编程 语言( 如c 语言) ，尽量少调用操作系统函数，注意屏蔽不同硬件平台带来的字节顺序、 字节对齐、位段等问题。 s 嵌入式系统对应用软件的质量要求更高，因而在嵌入式开发中尤其要注意对代码进 行优化，尽可能地提高代码的执行效率。虽然现代c 和c + + 编译器都提供了一定程度的代 码优化，但大部分由编译器执行的优化技术仅涉及执行速度和代码大小的平衡，不可能 使程序既小又快，因而必须在编写嵌入式软件时采取必要的措施。 i 1 2 课题背景 嵌入式系统已经渗透到国民经济的各个领域，嵌入式操作系统则是嵌入式系统的灵 魂，目前国际上常用的嵌入式操作系统有：v x w o r k s 、w i n c e 、p s o s y s t e m 和嵌入式l i n u x 。 其中以微软开发的w i n c e 以其快速的开发流程，灵活的软硬件选择和强壮的最终产品特 性成为越来越多嵌入式产品开发的首选。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是一种根据特定的应用及要求，采用特定的开发 板和特定的操作系统运行的应用程序的系统，是具有特定功能和用途的计算机软、硬件 系统的集合体。一般来说这种系统的应用软件具有实时性、占用内存少、需要的存储容 量小等特点。嵌入式系统的软硬件的应用与开发是当今计算机领域的一个热点问题。随 着嵌入式技术的发展，嵌入式应用的不断增长，在智能控制设备、便携式智能仪器、模 拟信号与数字信号的采集等领域的应用越来越多。而嵌入式软件具有范围很广的研究领 域，涉及芯片技术、操作系统、软件开发环境、窗口系统、网络系统及数据库管理系统 等多方面的知识。并且在嵌入式软件这一领域中没有唯一的占绝对主导地位的系统。一 个嵌入式系统是一个硬件和软件的集合体。有时这个集合体还包括一些必要的机械装 置。嵌入式系统通常作为一些大型系统中的一个组成部分而出现，并且是为完成某种特 定的功能而设计的。在这一点上完全有别于一般意义上的通用计算机。因此嵌入式操作 系统本身及其各个方面的研究是非常有意义的。 嵌入式系统的应用非常广泛，在数量上远远超过了通用计算机。例如，在一台现代 化程度较高的汽车上就包含很多个嵌入式系统。汽车的a b s 系安全气囊系统、音响系统 及定位导航系统都是由嵌入式系统控制的。通用计算机的外部设备中也离不开嵌入式系 统，键盘、鼠标、软驱、光驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、调制解调器、声卡、打 印机、扫描仪、数字相机及u s b 集线器等设备中都有嵌入式系统的身影。目前全世界的 计算机科学家正在形成一种共识：计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物，而是 将变得小巧玲珑、无处不在。它们藏身于任何地方，又消失在所有地方，功能强，却又 无影无踪。人们将这种思想命名为“无处不在的计算机”。无处不在的计算机是指计算 机彼此相联，而且计算机与使用者的比率达到或超过i 0 0 ：l 的阶段。无处不在的计算机 包括通用计算机和嵌入式计算机系统，在1 0 0 ：1 的比例中，9 5 以上都是嵌入式计算机 系统，并非通用计算机。 在这一变化迅速的市场，微软取得了骄人的成绩。w i n c e n e t 支持的驱动程序数量 年增长率为1 6 4 ，支持超过3 5 0 种c p u 。市场中第三方w i n d o w s 嵌入式解决方案已超过6 7 5 种。据i d c 最近的统计报告，目前微软在嵌入式操作系统市场份额占有率已居第一位， 6 基于微软嵌入式操作系统的设备已在产量、市场份额及使用率等方面超过其他平台的设 备。 虽然i d c 数据表明，微软在嵌入式软件领域的市场份额占有率居第一位，但并非如 许多人所担心的那样，嵌入式系统会被一统江山。相反，嵌入式软件领域需要的是一个 高度开放的系统平台。不少专家认为，嵌入式系统不应该是一个被垄断的市场，即便它 们在体系结构上有主流和非主流之分。这是因为嵌入式系统的最大特点是个性化，各不 相同的应用领域势必要求产品和技术的高度分散。事实上，全球的嵌入式系统硬件体系 有6 0 0 多种，软件体系也有上百种，我国也正积极自主地开发嵌入式系统，如中科院的 o p e n 嵌入式操作系统、科银公司的d e l t as y s t e m 等。 p d a 是一种掌上型笔输入袖珍式微型计算机，运行在内嵌式操作系统和内嵌式应用 软件之上，是小巧、轻便、易带、实用和廉价的新一代超轻型计算设备。以其具有的上 网浏览、下载、发送电子邮件、收发传真、红外传输以及与无线通信工具结合后所表现 的无线数据通信能力，在信息查询和现场信息采集方面得到充分应用。目前，电力系统 中计算机信息化管理程度越来越高，如电费核算，生产调度等己实现计算机管理，不过， 设备巡检依然以手工表卡为主，这样工作人员不得不再把手工表卡记录的数据输入计算 机，以便计算机进行处理，增加了工作人员的额外工作量，同时由于大量数据的录入， 导致手工操作失误的几率也很大。基于w i n c e 平台下的掌上电脑辅助抄表系统，可以解 决由于手工操作带来的失误和避免重复工作，减少工作人员的工作量，为后台处理子系 统提供准确而可靠的数据。 1 1 3 课题研究内容概述 课题研究的主要内容首先是与嵌入式p i s 相关的主要技术，例如：p i s 信号是如何被 接收和处理的、信号在p d a 上的实时显示的方法、p i s 集成环境的选择问题、开发嵌入式 p i s 系统应该考虑的问题等。继而，通过对这些主要技术的研究，并根据电力巡视的特 殊工作环境和特殊要求给出了基于p d a 和p i s 的嵌入式移动p i s 系统的解决方案。最后， 本文还对该系统进行了客观的性能分析并提出改进目标和改进方式。本课题主要解决了 以下三个问题：( 1 ) p i s 系统与p d a 移动科技产品集成，实现移动目标的实时定位和移动 工作。这一部分主要包括：p i s 信号接收和数据处理、信号在p d a 上的实对定位和显示。 ( 2 ) p i s 信号在嵌入式应用程序中的应用，主要是p i s 信号通过嵌入式应用程序与其他 信息结合后被录入到后台数据库的过程，以及在移动工作中系统通过接收到的p i s 定位 信息和数据对电力设备等相关信息进行实时了解。( 3 ) p d a 设备的嵌入式数据库与p c 机 中心数据库问的数据交互。这一部分主要包括：数据交互的方式、表导入导出的过程、 保持数据库的一致性和完整性、不同数据库间数据的转换。移动数据库的一个显著特点 是移动终端之间以及与服务器之间的连接是一种弱连接，即低带宽、长延迟、不稳定和 经常性的断开。为了支持用户在弱环境下对数据库的操作，现在普遍采用乐观复制方法 ( o p t i m i s t i cr e p l i c a t i o n 或l a z yr e p l i c a t i o n ) 允许用户对本地缓存上的数据副本进 行操作。待网络重新连接后再与数据库服务器或其他终端交换数据修改信息，并通过冲 突检测和协调来恢复数据的一致性。 高效的事务处理；移动事务处理要解决在移动环境中频繁的、可预见的情况下的事 务处理。为了保证活动事务的顺利完成，必须设计和实现新的事务管理策略和算法： ( 1 ) 根据网络连接情况来确定事务处理的优先级，网络连接速度高的事务请求优先 处理。 ( 2 ) 根据操作时间来确定事务是否迁移，即长时间的事务操作将全部迁移到服务器 上执行，无需保证网络的直畅通。 ( 3 ) 根据数据量的大小来确定事务是上载执行还是下载数据副本执行后上载。 ( 4 ) 事务处理过程中，网络断接处理时采用服务器发现机制还是采用客户端声明机 制。 ( 5 ) 事务移动( 如：位置相关查询) 过程中的用户位鼍属性的实时更新。 ( 6 ) 完善的日志记录策略。 数据的安全性：许多应用领域的嵌入式设备是系统中数据管理或处理的关键设备， 因此嵌入式设备上的数据库系统对存取权限的控制较严格。同时，许多嵌入式设备具有 较高的移动性、便携性和非固定的工作环境，也带来潜在的不安全因素。同时某些数据 的个人隐私性又很高，因此在防止碰撞、磁场干扰、遗失、盗窃等对个人数据安全的威 胁上需要提供充分的安全性保证。保证数据安全的主要措施是：第一，对移动终端进行 认证，防止非法终端的欺骗性接入：第二，对无线通信进行加密，防止数据信息泄漏； 第三，对下载的数据副本加密存储，以防移动终端物理丢失后的数据泄密。 论文通过研究移动计算环境下基于p d a 和p i s 的嵌入式移动巡视仪的实现，为今后相 关行业工作的信息化提供了经验，同时对加强巡视人员的监督、加强巡视等工作的衔接 力度起到了非常好的促进作用，提高管理自动化水平和工作效率，提高经济和社会效益 提供了有效的手段。课题是在嵌入式技术、移动技术蓬勃发展的形势下提出的，具有一 定的时代意义。在课题所解决的三个问题中数据同步技术在嵌入式应用程序中的应用是 本文的创新之处。系统的整体设计符合巡视人员工作的特点和要求，使得巡视工作的完 整性、管理的高效性、及对电力设备监护信息的实时性共享性方面得到很好的保证。 1 2w i n c e 嵌入式实时操作系统 嵌入式实时操作系统有两个主要指标：实时性0 1 和嵌入性。 实时性：是指系统对外界刺激做出响应的正确性，不仅取决于计算的逻辑正确性， 而且取决于获得结果的时间。因此，实时性指标包括响应时间r e s p o n s e t i m e 及确定性 d e t e r m i n a t i o n ，为此实时操作系统必须满足下列条件：多线程、可抢占式调度；支持多 个优先级；提供优先级继承机制来避免优先级反转；可预测的线程同步机制。 嵌入性：是指操作系统及其开发工具向用户提供何种手段，针对特定需求和资源限 制，使得用户可以方便地剪裁操作系统的功能和开发应用程序，经过交叉调试，形成可 r 固化的紧凑代码。操作系统的嵌入性有以下几个方面的要求：( 1 ) 结构精巧，系统可 定制，即操作系统体系结构应当方便功能的剪裁和扩充。( 2 ) 操作系统本身只是应用软 件的运行平台，开发支持由宿主交叉开发平台实现。( 3 ) 系统启动快捷，操作系统一般 不驻留在磁盘上。( 4 ) 功能专用，用户界面个性化，简化最终用户操作，具有明显的专 业特点。( 5 ) 系统可靠，强壮，环境适应性强0 1 。 微软推出的嵌入式实时操作系统w i n c e 具有一个与众不同的特点：它延伸了台式机 w i n d o w s 操作系统的外部特征，在操作系统内部用嵌入式实时操作系统的技术来实现一 个w i n 3 2 ，a p i 的子集。在实现过程中，着重考虑了通用性和可移植性，目的是为嵌入式 软件的开发提供一个标准平台。它具有一个简捷高效的完全抢占式的多任务操作核心， 支持强大的通讯和图形显示功能，能够适应广泛的系统要求。“c e ”这个名字的来源已 无准确历史档案可查，但是微软内部的人员普遍认为c e 中的c 代表了消费类( c c o n s u m e r ) 袖珍( c o m p a c t ) 通讯能力( c o n n e c t i v i t y ) 和伴侣( c o m p a n i o n ) 。c e 中的e 代表了电子 产品( e l e c t r o n i c s ) 。若把c e 看作是电脑启蒙( c o m p u t e re n l i g ht e n m e n t ) 就更能充 分反映微软从头设计一个全新的操作系统的意义。 1 2 1w i n c e 的结构 w i n c e 采用层状的体系结构，有层次性强、可移植性好、组件化可剪裁、强调编程 接口和支持上层应用等特点。其从下而上可分为四层：硬件层、o e m 硬件适配层、操作 系统服务层、应用层，其结构如图1 1 所示： 微软 o e mi s v o e m 应用程序 w 挑c e 外壳设备 l 远秘箍 w i n 3 2a p l 塑竺i 竺! j 竺兰竺! ii 兰竺篁墨il 竺兰| i ! 竺竺 内掳 c r r l s | l 设备管理li 文件管理i | w c q w c 硬件层 图1 1w i n c e 结构图 1 w i n c e 硬件层 w i n c e 系统所需的最小硬件配置包括w i n c e 支持的3 2 位处理器，用于线程调度的实时 时钟，用于存储运行操作系统的足够的存储器。通常，硬件平台应可以支持其他的外设， 例如串口，网卡，键盘，鼠标等。对于不同的硬件平台，需要将c e 操作系统移植到系统 内，微软为几种参考平台提供了完整的c e 定制方案。其中基于p c 机的参考平台c e p c 是微 软内部用于开发和测试w i n c e 操作系统的，它可以作为开发w i n c e 应用程序和开发x 8 6 设 9 备驱动的参考平台。在微软w i n c e p l a t f o r m b u i l d e r 3 0 中包含了c e p c 开发平台的系统原 代码。 2 0 e m 硬件适配层 o e m 硬件适配层界于系统服务层与硬件之间，用来抽象硬件功能，实现操作系统的 可移植性。o e m 硬件适配层分为o e m 抽象层( o a l ) 和设备驱动开发程序两部分。o a l 部分 提供与c p u 平台有关的硬件小驱动程序，它与c p u 、中断、内存、时钟和调试口等核心设 备相关，用于屏蔽c p u 平台的细节，提供操作系统内核的可移植性。设备驱动程序部分 为w i n c e 提供设备控制，包括l c d l e d v g a s v g a 显示设备、鼠标、键盘和触摸屏、语音 处理设备和扬声器、串口和基于并口的打印机、p c 卡接口和a t a 磁盘驱动器或其他存储 卡、m o d e m 卡等等。 3 w i n c e 操作系统服务层 w i n c e 操作系统服务层包含了4 个主要模块： ( 1 ) 内核：内核( 操作系统的核心) 提供用于管理线程、内存和资源的系统服务。 它包括：基于w i n 3 2 进程和线程模型的抢占式、基于优先级的线程调度动。动态调整线 程优先级的优先级继承系统可以防止优先级倒置；可预测的线程同步机制，包括等待事 件。这些机制的例子是命名互斥体、临界区域、以及命名和未命名的事件对象；基于动 态链接库( d l l ) 的有效内存管理，动态链接库在运行时链接用户应用程序；平面的虚 拟地址空间，包括为各个进程保留的3 2 m b 内存。通过改变页面保护来保护进程内存；只 读内存( r o m ) 和随机存储内存( r a m ) 的按需分页；堆大小只受可用内存的限制；中断 处理控制，可以将中断请求( i r q ) 映射为硬件中断，并实现自己的中断服务例程和中 断服务线程；广泛的调试支持，例如包括实时调试。 ( 2 ) 持久存储：文件系统支持信息的持久存储。它包括：最多9 个f a t 卷的f a t 文件系 统支持；防止数据丢失的事务文件处理；对支持分页的设备的按需分页；f a t 文件系统 映像，允许在断电或需要冷启动时保存文件系统；可安装的块设备驱动程序。 ( 3 ) 通讯接口：通讯接口支持大量技术。它包括：支持串行通讯，包括红外连接； 支持i n t e r n e t 客户应用程序，包括”超文本文件传输”( h t t p ) 和“文件传输协议”f t p 等协议；通过i n t e r n e t 访问远程文件系统的”通用i n t e r n e t 文件系统”c i f s 转发器； w i n d o w s s o c k e t s ( w i n s o c k ) 1 1 的一个子集，以及对s e c u r e s o c k e t s 的支持；对无线网 络的可配置“传输控制协议i n t e r n e t 协议”( t c p i p ) 传输层；用于强壮的红外通讯 的“红外线数据协会”( i r d a ) 传输层；用于串行连接网络的“点对点协议”( p p p ) 和“串 行线路接口协议”( s l i p ) ；通过网络驱动程序接口规范( n d i s ) 支持局域网：支持管理 使用t e l e p h o n e a p i ( t a p i ) 的电话连接；通过调制解调器对远程文件系统连接的“远程 访问服务“( r a s ) 客户。 ( 4 ) 图形、窗口和事件子系统( g w e s ) ：g w e s 模块支持显示文本和图像、接受用户 输入所需的图形和窗口功能。它包括：支持大量窗口样式，包括层叠窗口；大量可自定 义控件；支持键盘和输入笔输入；结合了工具栏和菜单栏功能的命令栏；当系统内存不 足时要求用户采取行动的“内存不足”对话框；完全的u n i c o d e 支持；支持多平台图形 1 0 设备接口( g d i ) 。 ( 5 ) 应用层：应用层是应用程序的集合，通过w i n 3 2 a p i 来获得操作系统服务。w i n c e 同时提供了一个外壳模块，使用户可以根据自身硬件系统的需要，利用w i n c e s h e l i a p i 开发自己的s h e l l ，例如在系统中定制自己的软键盘，同时提供对i n t e r n e t 的开发支持。 i 2 2w i n c e 的特点 w i n c e 是一个可定制的操作系统，其特点如下： ( 1 ) 占用资源少 在w i n c e 的所有设计目标中，操作系统所需的资源少是其主要的方面。w i n c e 是面向 手持式p c 和嵌入式系统等小型设备的。由