基于CE的嵌入式软件开发程序入门(上、下)

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基于CE的嵌入式软件开发程序入门(上)

作者:  来源于:  发布时间:2008-10-13 12:20:00

说到Windows CE不由得就想到微软推出的WIN系列PC操作系统,Windows的出现在很大程度上改变了程序员的编程习惯,把程序员从冗长的代码中解放了出来。那么Windows CE呢?会不会给掌上电脑的程序设计带来一次新的飞跃呢?一切没有事实依据的预测都是不可靠的,我们只能通过认识WIN CE的优势与特点来小心翼翼的展望一下也许并不遥远的未来。 CE能被广泛的应用到各种嵌入式的产品中与其是一个紧凑、高效和可升级的操作系统有着直接的关系。从手持电脑到专门的工业控制器和消费用电子产品随处可见CE的靓影。Windows CE已经通过了其自身的能力证明:它能够满足32位嵌入式式程序开发的需求。同样重要的是: Windows CE使嵌入式式系统的设计者得以充分利用Microsoft的32位基于Windows的开发工具的全部的函数---API。

本文并不是刻意要完全做Win32的编程指南,而是要介绍用Win32作为嵌入式式应用程序的开发工具。

回答一个问题先:什么是WIN32?

“WIN32”表示对于所有的Microsoft 32位平台的一种普通的应用编程接口(API)。这些平台通常指: Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows CE。 本文我们主要关注Windows CE操作系统,可是需要弄清楚的是大多数 Win32的应用编程接口对上面几种平台都适用。不过不同的平台由于不同的特性及硬件的约束,其应用编程接口也不完全相同。WIN32平台家族的一些成员支持全部的WIN32的应用编程接口(下简称API),而其他的只支持一部分的API。 为紧凑的、嵌入式的应用软件和小型设备而设计的Windows CE受WIN32的API限制最多。话虽如此, Windows CE 的API也足够的完善,处理实际的大量的高级的嵌入式式应用程序也没什么问题。

概念性的飞跃:WIN32与Microsoft基本类库(MFC)

用WIN32界面设计并不是创建32位基于 Windows的应用程序的唯一的途径。另一种重要的途径是可在WIN32与 Microsoft Visual C++开发环境使用的Microsoft基本类库(MFC)。MFC为许多(不是所有)的WIN32的API进行了高度的封装。通常,MFC提供了代表重要的WINDOWS的用户界面对象的类,象窗口,对话框,画刷,画笔,和字体。MFC也为没有任何用户界面要求的嵌入式式应用软件提供了相应的类。MFC类的成员函数调用WIN32API的函数,可以使复杂的应用程序的设计巧妙的简化。

作为WIN32的程序员,你可以自由的选取使用C或C++和WIN32 API, 或者用C++与MFC。VISUAL C++开发系统对于所有的,包括 Windows CE 的WIN32的目标操作系统都支持以上的两种开发系统。

再说点废话:Windows CE的内核和 Win32 API

WINDOWS CE很容易让人产生这样一个错觉,认为它仅仅是现有的操作系统(如WINDOWS95/98/NT)降级版。但事实上Windows CE是以小型的、高度用户化的面向嵌入式应用程序的操作系统开发起来的。在WINDOWS CE排除(或代替)了一些基于WINDOWS CE的应用软件所不需要的操作系统特性的同时,它的内核也具有大量的其他Microsoft 32位的操作系统的最精华的东西。例如在Windows NT下, 所有的在Windows CE下运行所应用软件都运行在有优先权的多任务处理环境下,在被全保护的内存空间里。还有,象 Windows NT一样,Windows CE支持本地统一的字符编码标准码字符串,使它更适于国际推广。可是,不象其他的32位WINDOWS平台,, Windows CE是十分紧凑和用户化的,仅仅占用小于200K的内存。

Windows CE的WIN32 API比其他的32位的Windows操作系统的WIN32 API要小;它只包括大约相当于Windows NT的半数的API。但是 Windows CE的WIN32 API也有其他系统所没有的特性。例如:通知API,它能够操作系统的层次,而不是在应用程序的层次上处理通知事件(如时钟)。触屏的API和对Windows CE的数据库的内置的支持是其他的操作系统所没有的。触屏的API使用于触觉敏感显示器的屏幕校正和用户交互的管理容易实现,而数据库的API提供了快速简捷的访问数据库的的一常用工具。另一个关于Windows CE的鲜为人知的方面是它的高度的模块化;嵌入式系统开发者(用Microsoft Windows CE内含的面向Visual C++的软件包)能够创建一个相当对于它们的独特的硬件平台和应用软件用户化了的Windows CE的版本。这对于一个使用Windows CE平台的WIN32 API的用户来就意味着对于现代的、32位的嵌入式式系统,它是一种更简单的API,更加优化的目标操作系统。下面,我们将研究一些重要 的WIN32 API和Windows CE操作系统的内部的内容。

言归正传:程序和线程

了解WIN32 API和Windows CE操作系统的底层内容的第一步就是了解多任务和多线程应用程序是如何组织的。WIN32术语中,程序被定义成一个正在运行中的进程实例。象其他的32位Windows 平台一样,Windows CE是一个多任务的操作系统,在一个运行中的程序里,它支持执行多个线程在后台运行。

WIN32的线程的处理同其他常用的嵌入式的操作系统是有区别的。不象Unix或其派生的系统,32位Windows平台从一开始设计就支持多线程应用程序。线程管理(时序安排,同步和资源管理)由内核来完成,程序开发者利用函数装入内核(通过WIN32 API访问)来建立和管理他们应用程序中的线索索。

例如,如果一个嵌入式应用程序必须监视多个输入设备并且在监视到一个或多个设备上不同步发生的事件的时候要作出恰当的反映。更进一步,如果这样一个程序也需要更新一些共享的资源(如全局数据结构,磁盘上的文件,或其他设备)来作为与相关设备事件的反映。象这样的一个程序需要一个可靠的线程管理系统。这恰恰是WIN32 API能够提供的函数。多个线程能够快捷并且容易的用WIN32 API线程创建界面,建立同步线程。(多个线程同时访问一个数据)这些可以通过关键的段,有名称和没有名称事件,以及互斥的目标来实现。Windows CE 被设计成在执行这些同步时仅占用最少的程序资源。

一个新的名词:消息

在32位windows平台上运行的程序更专门化,程序的线程依赖于消息来初始化程序,控制系统资源并且与操作系统和用户通信。 windows消息有各种各样来源 ,包括操作系统,用户活动诸如键盘输入、鼠标、触到屏幕,以及其它运行的程序或者线程。

当消息被送到线程时,这条消息被放置在消息队列中等待最后处理。每一条线程拥有完全独立的消息队列。线程一般有不断运行的消息循环,恢复和处理消息。当队列地没有消息,并且线程不从事于其它任何活动,系统挂起线程,以节省中央控制器资源。

消息也能用于控制目的,初始化你的应用程序中各种类型的程序,并且他们能利用消息参数传递数据。例如,线程可能收到触屏被激活的消息,消息参数可以表明X和Y为用户行动的坐标。 在另一种类型的消息中,参数可以包括指针或者指向数据结构、窗口或其他对象的句柄。

我认为的重点:中断处理

作为一嵌入式的的软件开发者,你可能最关心windows CE消息的处理规则是如何影响你的外部系统接口时序的。windows CE通过细心设计和准确的衡量以保证其中断时序以及其它相关的特性与嵌入式的系统设计是完全兼容的。

嵌入式应用程序经常有时间临界的设备接口需要,需要发现并且在一最小的规定的时间之内对设备和系统事件作出反应。 为了支持这样应用程序, windows CE中包括了高度优化中断传送,优先级和服务系统。在windows CE内核中 ,中断处理分成两个明显的部分:中断服务程序(ISR )以及中断服务线程(IST )。这个系统的目的是使ISR 尽可能小和快。在硬件的层次上,每一中断要求(IRQ )线程与一特定的软件ISR联系。当被触发时,给定的ISR除了通知内核IST的位置外,还做少量的工作。一旦IST 被初始化(尽管没必要完成),系统便准备好接受下一中断并且处理下一中断。每一个中断有一个优先级与他们相联系。 windows CE为确定线程时序,利用基于优先级的时间片段算法。因此为IST设置优先级以满足应用程序的时序需要是应用程序软件开发者的责任。这种将ISR 和IST在中断程序中分开处理最终结果是,典型的中断等待时间被大大地减少了,在中断程序中发生不可接受的延迟的可能性也大大减少。

看清本质:Windows CE的存储结构

像其它的32 位Windows平台一样,Windows CE操作系统也有虚拟内 存的特性。内存总在某一时间按页分配给应用程序,页的大小由系统设计者决定(并在操作系统为目标硬件平台创建时被指定)。例如 在手持电脑,内存页大小是典型的1KB 或者4KB 。

在初始化期间(导入),Windows CE创造一个独立的被所有程序共享的4GB 虚拟地址空间。当程序引用一个虚拟的地址时,它被内核记录在物理的内存上。 这使得应用程序软件开发者不必去考虑目标系统内存的物理的布局。虽然所有程序共享单一地址空间,应用程序仍然可避免相互误用。Windows CE 通过改变每页的保护来防止误调用的发生,而不是分配给每一程序不同地址空间。 作为应用程序开发者,你可能不会太在乎目标系统的内存的物理的结构。 内存可以全部是随机存取内存,或者它可能包括闪存卡或者硬盘驱动器。Windows CE操作系统为你管理内存资源,同时WIN32 API 向你提供必要的分配、使用和释放的内存的接口。然而,作为一个嵌入式的系统的设计者,你仍需要细心的考虑将在你的硬件平台上执行的应用程序的内存需要,并且全面考虑成本、速度和可靠性,平衡各种目标的冲突。

无论你的系统内存的配置如何,ROM(只读内存)将占用十分重要的地位。不同于其它的32位Windows操作系统,Windows CE操作系统的代码在只读内存中,并且在那个只读内存中原地执行。 依据你的产品需要,你也能选择在只读内存中放置应用程序代码。 例如,Pocket Word,Pocket Excel和其它应用程序程序,包括在手持电脑只读内存中被提供的。存储在ROM中的程序组在Windows CE下当地执行,所以嵌入式系统的设计者能够只占用很少的RAM用于堆栈存储的需要。相应地,你的嵌入式应用程序可以利用RAM既作为程序的内存又可作临时存储空间。

为了进一步的增加应用程序软件的性能, Windows CE采用按需求将内存分页;操作系统仅仅需要解压缩并且装入基于RAM的一小部分程序准备执行。ROM和 基于RAM的程序的灵活性与速度意味着基于Windows CE的设备能够被构造成各种内存结构形式。

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不得不说的话题:意外情况的处理

意外情况处理是强大的编程技术,相应一套的WIN32 API 起函数能容易的发现未预料到的错误状况,并且使之恢复。结构化的意外情况处理,允许危险段的代码可能由于硬件资源的问题、设备的冲突和微小的编码错误而导致失败,以使这部分程序与其余的应用程序分开。这保护了应用程序,使之免于过早的终止或者产生敏感的系统问题。

结构化的意外情况处理包括定义一系列声明作为保护,并且为第一套的声明定义了另一个套声明作为意外情况句柄。 意外情况句柄定义了一个或多个声明来保障系统的运行,而不管保护声明的现有的状态。

在大多数32 位Windows平台上应用WIN32 API 的程序员在运用意外情况句柄的时候通常有两种选择,用C或 C++ 编写应用程序,并且利用WIN32提供的处理意外情况的宏,或者利用C++ 编写应用程序,并且使用C++ 语言定义的意外情况处理函数。

对于这种程序的编写,Windows CE的开发者因无法访问C++的(面向Windows CE的Visual C++ 目前还不支持意外情况处理,所以必须使用WIN32 API的意外情况处理宏。

为了应用WIN32意外情况处理,你将使用一套在WIN32 API 中被定义的宏。 下面一段代码显示其基本概念:

__try {
    // The statements in here have a possibility of failure
    // and so are guarded.
}
__finally {
    // This is the exception handler. This code will execute
    // after the guarded statements, no matter what happened
    // in the guarded block of code above.
}
// This code will execute normally if the program flow allows
// it (no goto, exit, etc.)


__try 以及__finally 宏产生了使用意外情况句柄的所必要的底层代码。

意外情况的处理对诸如在嵌入式的应用程序中的那些普通的多线程序是有用的。WIN32结构化意外情况处理宏 是一种容易并且强大的保护应用程序使之免受未预料到的失败的方法。

临近尾声的重点:设备处理

有无数硬件设备(外围设备)与应用Windows的平台(Windows NT以及 Windows 95)台式机是兼容的,并且每一年都有更多的东西在市场上涌现。而Windows CE的平台,通常不支持台式计算机支持的设备的很多品种的外围硬件。 然而,为一嵌入式的的系统创造可靠的设备接口在嵌入式的程序设计的过程中,是比较富有挑战性的部分。 这部分地因为典型的嵌入式的系统接口的时序与其它可操作性的需要远比台式电脑计算系统和应用程序的更难。幸运的是,WIN32 API 提供了一套丰富的设备接口方法,使得设备接口程序写起来更容易并且更加适合于特定嵌入式的系统的需要。

WIN32 API是如何在你的硬件平台为你提供一套一致的基于流的设备接口的呢?。 为了使用设备,你首先利用适合于设备类型的函数打开它。 对于大多数设备,你利用的函数是在下列例子中的CreateFile 函数:

HANDLE hPort = CreateFile("COM1"); // Open the serial port


CreateFile函数打开规定的设备(串口)并且返回用于以后在该种设备上的操作(例如读和写)的句柄。 各种各样函数的(包括ReadFile ,WriteFile ,LockFile 和其他)接受这个句柄为参数,并且允许你(例如)读写数据,检查设备状态,并且将从其它程序的存取被锁住的设备或者文件列入清单。 文件输入输出操作被处理成与其它设备类型利用同样的API 函数,并且在文件之内包括随机的访问的函数。 被若干程序或线索同时访问的设备和文件可以分区域地利用LockFile 函数锁定。

在你的应用程序已完成设备或者文件之后,它将调用CloseFile 函数关闭设备,并且进行必要的清除设备的工作。

压轴之戏:定制设备和WIN32

当你开发一个新的硬件平台并且它支持输入输出设备,在模拟设计的不同层次上,你将不得不作出决策和折衷方案。例如,除非你只使用通常的off-the-shelf硬件,否则你必然要编写用户设备驱动程序来支持你的新外围设备,当然,你也可以根据需要配置你的Windows CE来包含一些设备处理必要的组件。同时从应用程序的层次,为满足新的设备的需要,你需要编写接口代码。在有如此多变量的情况下,你如何保持你的设备的一致行呢?答案就在WIN32 API 中。在WIN32 API环境下,写你的目标驱动程序,你有理由相信那些WIN32所提供的接口代码是完全可信的,可检验和可维护的基本代码。Windows CE设备驱动程序开发工具包,或者简称DDK ,提供了如何创造WIN32功能强大的设备驱动程序信息和范例。

最后的废话:总结

本文为你概略地介绍了面向Windows CE的WIN32 API,其目的是为了突出这种被广泛应用的并且十分重要的API的一般的特点和优点。有许多其它的细节你需要在第一次使用Windows CE嵌入式产品之前来学习掌握;做为投石问路的一篇文章,不敢说所有观点都是正确的,但是至少在某种程度上让你我多了一次技术上的交流,这也许是最重要的,谢谢你读完此文,呵呵!

Link: http://www.asm32.net/article_details.aspx?id=5632


浏览次数 0 发布时间 2011/1/7 19:54:24 从属分类 EMBED嵌入式开发 【评论】【 】【打印】【关闭
 
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