新一代的微軟嵌入式作業系統—更有效率的核心與廣泛的應用

Windows Embedded的家族成員
CE適用於一般輕巧的消費型電子產品；Windows XPe由於使用Windows XP相同的核心，應用層面比CE更廣；Windows Embedded for POS則如其名所示，用於銷售店面的收帳系統。

CE 6.0採用高效率的新核心
6.0版最大改變是採用新的核心模式，部署到實際裝置後，執行時將比使用者模式或混合模式更有效率，此外，軟體、硬體分別開發也是CE 6.0版更重要的革新。

強調多媒體應用的XPe
XPe是桌上型電腦Windows XP專業版的元件化版本，相對於CE 6.0在核心特性上的提升，XPe的改進則以開發層面為主。

微軟企圖成為嵌入式作業系統的上游供應商
當CE 6.0採用效率更高的新核心，與XPe相容於XP專業版應用程式等，加上硬體運算效能更佳、成本卻更低，都有助於微軟的嵌入式系統進軍企業市場。Windows Embedded的家族成員

微軟的視窗作業系統產品，除了應用在桌上型電腦與伺服器的系列（例如Windows XP專業版、Windows Server 2003）以外，另一個是屬於嵌入式系統：Windows Embedded，包括Windows Embedded CE（以下簡稱為CE）、Windows XP Embedded（以下簡稱為XPe）與Windows Embedded for POS（Point of Service）等。

微軟在2006年所發表的Windows Embedded CE 6.0與Windows XPe，新版的作業系統核心都強調執行效率，並且以軟體模擬處理器指令集，改革嵌入式應用開發的困難。以往開發嵌入式作業系統步驟繁複，因為軟體與硬體密不可分，使得嵌入式應用工程師只能透過不斷地嘗試錯誤，將開發中的軟體部署到硬體，才能除錯等。

CE應用於一般輕巧的消費型電子產品，Windows XPe由於使用Windows XP相同的核心，可執行多媒體應用程式、網路瀏覽器等，應用層面比CE更廣，例如用於開發精簡型電腦（Thin Client）。Windows Embedded for POS正如其名所示，用於銷售店面的收帳系統。

CE 6.0採用高效率的新核心

Windwos Embedded CE系列，原本名稱是Windows CE，第1版在1996年就已經發布。6.0版最大改變是採用新的核心模式（kernel-mode），部署到實際裝置後，執行時將比使用者模式或混合模式更有效率，而原本用於開發CE 5.0版的Platform Builder工具，現在整合成為Visual Studio 2005開發工具的外掛（plug-in）程式。

CE 5.0以前的版本，在Win32 API的部署上採用類似Windows NT的Client/Server架構。當應用裝置執行程序（Process）時，會因為Local-Procedure Calls（LPCs）的內部通訊機制，造成效能降低。Windows NT 4.0將使用者模式下的API函式庫整合到核心模式，才改進上述缺點。CE 6.0也採用類似的方式，但相對於NT系統，CE採用輕量化的程序，而且可以更動組態，決定系統只跑特定API所需的程序，所以效能不至於大幅犧牲。6.0版改用核心模式後，解除原本只能同時執行32個程序的限制，以及32MB的虛擬記憶體空間（Virtual Memory Space）等問題，使得應用工程師可以加入更複雜的功能。

除了核心模式改進外，軟體、硬體分別開發是CE 6.0版更重要的革新。以往硬體設計師撰寫的「低階常式集」稱為OEM Adaptation Layer（OAL），元件會與核心靜態地連結在一起。6.0版後，OEM程式碼與作業系統程式碼分開，成為獨立的模組：核心與OAL，使得應用工程師不必同時負責開發硬體相關的OEM程式碼，並專注在核心上，只需透過Platform Builder內建的模擬器（Emulator）即可。

可執行32000個程序，享有2GB虛擬記憶體定址空間
用於執行Windows CE的處理器區分為2種特權階層，較高的特權階層屬於核心模式，較低的特權階層屬於使用者模式。程式碼放在使用者模式中執行較為安全，但效率較低。CE 6.0則將所有應用程式都放在使用者模式，與作業系統相關的元件則放在核心模式，可降低因為不同特權階層間的呼叫而影響執行效能。

由於CE 6.0的核心支援32000個程序，將原本每個程序只能有32MB虛擬記憶體位址空間，擴充到2GB。這樣的改變，已使CE 6.0接近桌上型作業系統Windows XP的運算能力。

內建ARM處理器的指令階層模擬器
嵌入式應用工程師如欲避免硬體上開發或除錯時，只能透過不斷地嘗試錯誤，就必須使用軟體模擬硬體，但桌上型電腦如何模擬行動電話等其他行動裝置？CE 6.0內建模擬器，採用主流ARM處理器的指令階層模擬器。模擬器與實際裝置的指令集，在二進位碼上是彼此相容的，所以工程師只要寫一次二進位碼的指令集，就可以同時在兩種裝置上執行。此外，採用二進碼也讓除錯更容易，無論是在設定或編譯（Compile）都沒有差別。

增強核心的安全性，提供整合式開發工具
新版在安全上重要的改進，主要是在CE 6.0上內建安全載入器（loader），能決定哪些可信賴的程式可以在系統上執行。開發過程的「OS Design」步驟中，Visual Studio 2005工具在封裝作業系統影像檔前，會先檢驗影像檔中各元件的安全性，並以對話視窗提示。

CE 6.0提供「OEMCertifyModule」功能，嚴格控制應用程式與動態連結檔是否允許載入與執行。另一個核心安全控管是Cryptographic API，顧名思義用於加密。CE 6.0也支援SSL等HTTP的封包加密，以及PPTP的VPN加密等標準。

克服安全性議題後，如何加速開發又是另一個頭痛的問題。在CE 5.0的開發時，只有Platform Builder軟體，但CE 6.0則整合在Visual Studio 2005上，應用工程師可以善用Visual Studio的新功能，例如智慧程式碼輸入（IntelliSense）、語法檢查（syntax checking）、強調語法（syntax highlighting）與結構概要檢視（outline overview）等。

CE 6.0還可以使用圖形介面的登錄檔編輯器。登錄檔固然可以用文字編輯器（例如記事本）就可以修改機碼，但圖形化工具卻可以呈現與真實環境電腦中一樣的樹狀結構。

程式完成後，開發人員需煩惱如何封裝。Runtime Image Viewer 是CE 6.0還附帶的好用工具。當工程師設計完成後，會將作業系統封裝成nk.bin的影像檔。這時候工程師無法知道系統內有哪些執行檔或動態連結檔，只能靠猜測或部署到硬體上執行才能了解。現在可以透過Runtime Image Viewer，打開原本封裝的檔案，在比較兩個不同的影像檔時特別適用。

強調多媒體應用的XPe

微軟推出Windows XP Embedded（以下簡稱Windows XPe），是延續Windows NT Embedded 4.0的下一代嵌入式系統。XPe是桌上型電腦Windows XP專業版的元件化版本（Component Version），因此可與XP專業版共用二進位碼與應用程式介面（API），而且XP專業版的應用程式可以不經修改便導入到XPe上使用，甚至包括多種Windows平臺上的管理工具。不過，XPe與CE不同，它只支援x86架構平臺。

微軟也為XPe提供完整的解決方案，讓嵌入式應用系統工程師在圖形化套件的協助下，更有效率地開發應用系統。這個開發套件就是Microsoft Windows Embedded Studio，包括硬體裝置分析工具（Target Analyzer）、元件設計工具（Component Designer）、元件資料庫管理工具（Component Database Manager）、元件包裝工具（Target Designer）等，從作業系統的設計到大量部署都可透過工具完成。至於開發XPe所需要的應用程式，工程師可應用Visual Studio 2005軟體。

相對於CE 6.0在核心特性上的提升，XPe的改進則以開發層面為主。

元件資訊以XML封裝，記錄在元件資料庫
XPe所謂的元件化，指的是視窗功能模組與硬體裝置驅動程式都是一個一個的元件。實際應用時，只要選擇所需的元件，應用硬體裝置分析工具、元件設計工具、元件資料庫管理工具、元件包裝工具等4個工具所規畫的設定步驟，即可完成XPe作業系統。

使用時，我們先啟動硬體裝置分析工具，自動偵測執行環境的硬體資訊，包括晶片組、顯示卡與網路卡型號，以及供應商和編號等。接下來工具會產生硬體描述檔（PMQ）。硬體裝置分析工具在Windows XP或PE上可使用圖形化操作介面，在DOS環境上則只能用文字命令。

有了硬體描述檔後，每個硬體還需要搭配對應的驅動程式，再透過元件設計工具包裝成SLD檔，並匯入到元件資料庫。如果系統工程師需要安裝應用程式，以延伸系統功能，也是在這個步驟上完成。

這些元件都會以XML封裝後，記錄在元件資料庫。當我們要新增或刪除元件時，例如加入使用者介面，不必修改元件資料庫，而是使用元件資料庫管理工具，匯入硬體描述檔後再修改元件即可。

便於快速複製與大量部署
XPe中的元件包裝設計工具負責會處理各元件的相依性，以及各元件的組態，確定無誤後才會包裝成可開機的系統檔。接著，工程師再透過元件包裝設計工具，將包裝完成的影像檔部署到多部相同硬體架構的系統上執行，短時間內複製出大量的嵌入式應用系統。

使用Win32或.NET的應用程式介面
由於XPe與XP專業版都使用相同的二進位碼，所以應用工程師可使用Win32或.NET的應用程式介面，以及驅動程式，更可以使用相同的開發與除錯工具：Visual Studio 2005。

以往系統工程師在開發過程中，軟體與硬體緊密關聯，而必須取得硬體規格，XPe則改進這個問題，讓工程師專注在系統與應用等軟體開發層面。對於硬體裝置供應商而言，也不必修改驅動程式。微軟企圖成為嵌入式作業系統的上游供應商

近年來，微軟對於嵌入式系統更趨積極。研華公司嵌入式系統軟體處產業開發經理林啟文提到，「雖然微軟在個人電腦作業系統有極高的占有率，但個人電腦市場日趨飽合，微軟也急著開拓新的市場。」。以前，嵌入式系統還是冷門的領域，侷限在利基市場，但微軟早在1996年就已經有嵌入式作業系統產品。近來消費性電子產品所開拓的新市場，代表著使用者觀念轉變，功能走向精簡化、容易操作。比起泛用型電腦，消費型電子產品需以精緻的服務為需求，這正是嵌入式應用的目的。此外，當代人們更重視休閒，因此帶動數位機上盒與車用電子（如多媒體設備等）的潛在市場，也是嵌入式應用的商機。

不過，微軟對於嵌入式系統的應用市場策略，是準備進攻企業應用市場。林啟文提到，「例如企業內的列印伺服器或檔案伺服器等」，一般的伺服器價格較高，改用微軟的嵌入式系統後，成本可降低，但不至於犧牲服務品質，這些系統原本是Linux的利基市場。當CE 6.0採用執行效率更高的新核心，與XPe相容於XP專業版應用程式等，加上硬體運算效能更佳、成本卻更低，都有助於微軟的嵌入式系統為企業市場理想的解決方案。文⊙張瑞隆