壹、引言
內核系統(EmbeddedSystems)是根據應用的要求，將操作系統和功能軟件集成於計算機硬件系統之中，從而實現軟件與硬件壹體化的計算機系統。內核系統出現於60年代晚期，它最初被用於控制機電電話交換機，如今已被廣泛的應用於工業制造、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等眾多領域。內核系統在數量上遠遠超過了各種通用計算機系統：計算機系統核心CPU，每年在全球範圍內的產量大概在二十億顆左右，其中超過80％應用於各類專用性很強的內核系統。
壹般的說，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統都可以稱為內核系統。和通用的計算平臺相比，內核系統往往具有功能單壹、體積小、功耗低、可靠性高、剪裁性好、軟硬件集成度高、計算能力相對較低等特點。多年來，內核設備中沒有操作系統，其主要原因有二：首先，諸如洗衣機、微波爐、電冰箱這樣的設備僅僅需要壹道簡單的控制程序，以管理數量有限的按鈕和指示燈，沒有使用操作系統的必要；其次，它往往只具有有限的硬件資源，不足以支持壹個操作系統。
然而，隨著硬件的發展，內核系統變得越來越復雜，最初的控制程序中逐步的加入了許多功能，而這些功能中有很多可以由操作系統提供。於是，在70年代末期出現了內核操作系統(EmbeddedOperatingSystems)，它的出現大大簡化了應用程序設計，並可以有效的保障軟件質量和縮短開發周期。簡單的ES壹般並不使用操作系統，只包含壹些控制流程，但是隨著內核操作系統在復雜性上的增長，簡單的流程控制就不能滿足系統的要求，這是就必須考慮使用操作系統做系統軟件。因此，內核操作系統就應運而生。
隨著EOS的廣泛應用，業界已推出壹些應用比較成功的EOS產品。歸納起來EOS應該具有以下幾個特點：小巧、實時性、可裝卸、固化代碼、弱交互性、強穩定性和統壹的接口。目前使用最多的EOS產品包括有：Vxwork、QNX、PalmOS、WindowsCE、pSOS、HopenOS(國內凱思集團公司自主研制開發)等。其中，Vxwork使用最為廣泛、市場占有率最高，其突出特點是實時性強(采用優先級搶占和輪轉調度等機制)，除此之外，其可靠性和可剪裁性也相當不錯。QNX是壹種伸縮性極佳的系統，其核心加上實時POSIX環境和壹個完整的窗口系統還不到壹兆。相比之下，MicrosoftWinCE的核心體積龐大，實時性能也差強人意，但由於Windows系列友好的用戶界面和為程序員所熟悉的API，並捆綁IE、Office等應用程序，正逐漸獲得更大的市場份額。而與這些商業化的操作系統相比，WINDOWS已經越來越受到人們的註意。
二、內核WINDOWS概述
WINDOWS是壹個成熟而穩定的網絡操作系統。將WINDOWS植入內核設備具有眾多的優點。首先，WINDOWS的源代碼是開放的，任何人都可以獲取並修改，用之開發自己的產品。其次，Lirmx是可以定制的，其系統內核最小只有約134kB。壹個帶有中文系統和圖形用戶界面的核心程序也可以做到不足1MB，並且同樣穩定。另外，它和多數Unix系統兼容，應用程序的開發和移植相當容易。同時，由於具有良好的可移植性，人們已成功使WINDOWS運行於數百種硬件平臺之上。
然而，WINDOWS並非專門為實時性應用而設計，因此如果想在對實時性要求較高的內核系統中運行WINDOWS，就必須為之添加實時軟件模塊。這些模塊運行的內核空間正是操作系統實現進程調度、中斷處理和程序執行的部分，因此錯誤的代碼可能會破壞操作系統，進而影響整個系統的可靠性和穩定性。WINDOWS的眾多優點還是使它在內核領域獲得了廣泛的應用，並出現了數量可觀的內核WINDOWS系統。其中有代表性的包括：uCWINDOWS、ETWINDOWS、ThinWINDOWS、LOAF等。ETWINDOWS通常用於在小型工業計算機，尤其是PC／104模塊。ThinWINDOWS面向專用的照相機服務器、X-10控制器、MP3播放器和其它類似的內核應用。LOAF是WINDOWSOnAFloppy的縮略語，它運行在386平臺上。
三、WINDOWS作為內核操作系統的優勢
WINDOWS作為內核操作系統的優勢主要有以下幾點：
1、可應用於多種硬件平臺。WINDOWS已經被移植到多種硬件平臺，這對於經費，時間受限制的研究與開發項目是很有吸引力的。原型可以在標準平臺上開發後移植到具體的硬件上，加快了軟件與硬件的開發過程。WINDOWS采用壹個統壹的框架對硬件進行管理，從壹個硬件平臺到另壹個硬件平臺的改動與上層應用無關。WINDOWS可以隨意地配置，不需要任何的許可證或商家的合作關系，源代碼可以免費得到。這使得采用WINDOWS作為操作系統不會遇到任何關於版權的糾紛。毫無疑問，這會節省大量的開發費用。本身內置網絡支持，而目前內核系統對網絡支持要求越來越高。WINDOWS的高度模塊化使添加部件非常容易。
2、WINDOWS是壹個和Unix相似、以內核為基礎的、具有完全的內存訪問控制，支持大量硬件(包括X86，Alpha、ARM和Motorola等現有的大部分芯片)等特性的壹種通用操作系統。其程序源碼全部公開，任何人可以修改並在GUN通用公***許可證(GNUGeneralPublicLicense)下發行。這樣，開發人員可以對操作系統進行定制，適應其特殊需要。
3、WINDOWS帶有Unix用戶熟悉的完善的開發工具，幾乎所有的Unix系統的應用軟件都已移植到了WINDOWS上。WINDOWS還提供了強大的網絡功能，有多種可選擇窗口管理器(XWindows)。其強大的語言編譯器GCC，C等也可以很容易得到，不但成熟完善，而且使用方便。
四、內核WINDOWS的建立
完整的內核WINDOWS解決方案應包括內核WINDOWS操作系統內核、運行環境、圖形化界面和應用軟件等。由於內核設備的特殊要求，內核WINDOWS解決方案中的內核、環境、GUI等都與標準WINDOWS有很大不同，其主要挑戰是如何在狹小的FLASH、ROM和內存中實現高質量的任務實時調度、圖形化顯示、網絡通信等功能。
1、精簡內核
WINDOWS內核有自己的結構體系，其中進程管理、內存管理和文件系統是其最基本的3個子系統。圖1簡單表示了它的框架。用戶進程可直接通過系統調用或者函數庫來訪問內核資源。正因為WINDOWS內核具有這樣的結構，因此修改內核時必須註意各個子系統之間的協調。
內核WINDOWS內核壹般由標準WINDOWS內核裁剪而來。用戶可根據需求配置系統，剔除不需的服務功能、文件系統和設備驅動。經過裁剪、壓縮後的系統內核壹般只有300k左右，十分適合內核設備。同標準WINDOWS不同的是內核WINDOWS必須要實現從FLASH或ROM的啟動。標準WINDOWS啟動代碼實現了系統初始化和從軟盤、硬盤O盤區引導內核。內核WINDOWS壹般保存在FLASH或ROM中，標準LILO無法引導。在支持直接從FLASH設備引導的系統中，如華恒公司的uCWINDOWS，引導程序主要完成對硬件系統的初始化工作和操作系統的解壓、移位工作。在不支持直接從FLASH引導的系統中，FLASH設備只能作為非引導磁盤使用。此時，可采用先從硬盤或軟盤加載壹個小操作系統，如內核DOS，然後再執行"Loadlin"加載程序從FLASH引導內核WINDOWS。
對標準WINDOWS的修改主要是虛擬內存和調度程序部分的改動。因為標準WINDOWS系統使用虛擬內存管理的目的是為了能同時運行多個進程，但是這樣每個待運行的進程所能分配的CPU時間片就受限制，資源的使用效率就低。這樣對於實時性要求較高的內核系統來說，實時任務往往要求CPU具有很高的突發處理能力，即在有些時候需要極高的處理效率，因此需要屏蔽內核的虛擬內存管理機制。對於無硬盤設備的內核系統，不必采用虛存管理。強實時需求的內核應用可以通過修改任務調度模塊實現，主要是在內核和設備驅動程序中加入了許多切換點。在該點處，系統檢測是否存在未處理的緊急中斷，有則剝奪內核的運行，及時處理中斷。實現實時性服務的壹個較好的方法是在標準的WINDOWS內核上增加壹個實時內核，標準WINDOWS內核作為壹個任務運行於實時內核上，強實時性任務也直接運行在實時內核上，如RT-WINDOWS等。
文件系統是內核WINDOWS操作系統必不可少的。但標準WINDOWS支持大量的文件系統，因此除了滿足系統的正常運行需要而保留壹種外，其它的全部可以刪除，利用原有的設置選項可以移除。壹般內核設備文件系統主要使用RamDisk技術和網絡文件系統技術。RamDisk可駐留於Flash，運行時加載到內存中。
2、精簡運行環境
WINDOWS通常的運行環境指用戶運行任何應用的基礎設施，主要包括函數庫和基本命令集等。標準WINDOWS系統同時向用戶提供了靜態和動態函數庫。靜態函數庫在生成應用時直接鏈接到用戶應用中。動態庫在應用運行時才鏈接。由於內核系統應用壹般都是在開發平臺上預先生成的，因此內核系統只需向應用提供動態函數庫。WINDOWS應用運行所需的函數庫主要有C庫、數學庫、線程庫、加密庫、網絡通信庫等。其中最基本的是C語言的運行庫glib。這個庫主要完成基本的輸入輸出，內存訪問，文件處理。壹個標準的glib庫大約要1200kB存儲空間，考慮到內核WINDOWS內核往往很小，這種運行庫實在太大，我們做了壹些精簡的工作，方法有兩種：(1)、使用靜態連接的方法，完全不使用運行庫動態連接；(2)、對這個庫的函數進行精簡。
在壹個桌面系統上，使用動態連接可以帶來許多好處。使用動態連接庫，可以讓應用程序跟函數庫的更新、升級分離，便於維護，可以讓同時運行的多個程序***享壹段代碼。但是，在內核系統中，很少有多個程序並行的可能，程序的維護，尤其是庫函數的維護更新是不常見的。這時，使用靜態連接的優勢就極為明顯。因為靜態連接可以只將庫中用到的部分連接進程序。在應用程序較少(小於5)的情況下，靜態連接可以達到較好的結果。為了便於將來擴充的需要，我們也采用第二種方法，針對我們的需要，對庫函數的內容進行精簡，只保留壹些基本功能，還有壹種方法是采用其它的C語言運行庫。但是這些庫對兼容性影響很大。
基本命令集同樣是運行用戶應用的基礎，主要包括初始化進程init，終端獲取getty、Shell和基本命令等。內核系統的啟動過程可能與標準WINDOWS不同，例如跳過登錄過程直接啟動GUI等。這就要求修改init，getty等。標準WINDOWS命令集同樣由於體積問題無法直接應用於內核環境。目前，小命令集的解決方法主要有集成方法和匯編方法兩種。集成方法采用集成公***部分減少命令集整體體積，用C實現，有較好的平臺移植性；匯編方法則采用匯編編程減少每個命令的體積．這樣可使體積很小但其平臺移植性較差。
3、內核WINDOWS下的GUI
GUI在內核系統或者實時系統中的地位越來越重要，比如PDA、DVD播放機、WAP手機等，都需要壹個完整．漂亮的圖形用戶界面。這些系統對GUI的基本要求包括：(1)、輕型、占用資源少；(2)、高性能；(3)、高可靠性；(4)、可配置。這些也成為評價內核系統的重要指標。目前，內核WINDOWS上的GUI主要有winCE、MicroWindow、緊縮的XWindow、MiniGUI(國內做得較好的自由軟件之壹)。標準WINDOWS的Xfree86由於體積龐大，運行環境要求高，無法運行於內核環境。內核GUI主要通過削減功能，降低性能來實現體積小和占用資源少。目前內核WINDOWS上的GUI環境主要有兩類：X類和win32類。X類GUI分為服務方和客戶方兩方。服務器方提供鼠標、鍵盤處理和顯示功能，客戶方是用戶應用，服務方和客戶方通過socket接口和X協議通信。采用該方式十分有利於遠程網絡圖形化服務，客戶方和服務方可通過網絡實現X協議和圖形顯示。典型的X類GUI有MicroWindow、緊縮的XWindow等。win32類的GUI不存在客戶方和服務方，每個任務都自成壹體，任何任務間的切換、事件分發由專門的管理任務負責。如wiCE、MiniGUI就是類似於win32類的GUI。
五、當前流行的幾種內核WINDOWS系統
除了智能數字終端領域以外，WINDOWS在移動計算平臺、智能工業控制、金融業終端系統，甚至軍事領域都有著廣泛的應用前景。這些WINDOWS被統稱為"內核WINDOWS"。
1、RT-WINDOWS
這是由美國墨西哥理工學院開發的內核WINDOWS操作系統。到目前為止，RT-WINDOWS已經成功地應用於航天飛機的空間數據采集、科學儀器測控和電影特技圖像處理等廣泛領域。RT-WINDOWS開發者並沒有針對實時操作系統的特性而重寫WINDOWS的內核，因為這樣做的工作量非常大，而且要保證兼容性也非常困難。為此，RT-WINDOWS提出了精巧的內核，並把標準的WINDOWS核心作為實時核心的壹個進程，同用戶的實時進程壹起調度。這樣對WINDOWS內核的改動非常小，並且充分利用了WINDOWS下現有的豐富的軟件資源。
2、uCWINDOWS
uCWINDOWS是Lineo公司的主打產品，同時也是開放源碼的內核WINDOWS的典範之作。uCWINDOWS主要是針對目標處理器沒有存儲管理單元MMU(MemoryManagementUnit)的內核系統而設計的。它已經被成功地移植到了很多平臺上。由於沒有MMU，其多任務的實現需要壹定技巧。uCWINDOWS是壹種優秀的內核WINDOWS版本，是micro-Conrol-WINDOWS的縮寫。它秉承了標準WINDOWS的優良特性，經過各方面的小型化改造，形成了壹個高度優化的、代碼緊湊的內核WINDOWS。雖然它的體積很小，卻仍然保留了WINDOWS的大多數的優點：穩定、良好的移植性、優秀的網絡功能、對各種文件系統完備的支持和標準豐富的API。它專為內核系統做了許多小型化的工作，目前已支持多款CPU。其編譯後目標文件可控制在幾百KB數量級，並已經被成功地移植到很多平臺上。
3、Embedix
Embedix是由內核WINDOWS行業主要廠商之壹Luneo推出的，是根據內核應用系統的特點重新設計的WINDOWS發行版本。Embedix提供了超過25種的WINDOWS系統服務，包括Web服務器等。系統需要最小8MB內存，3MBROM或快速閃存。Embedix基於WINDOWS2.2內核，並已經成功地移植到了Intelx86和PowerPC處理器系列上。像其它的WINDOWS版本壹樣，Embedix可以免費獲得。Luneo還發布了另壹個重要的軟件產品，它可以讓在WindowsCE上運行的程序能夠在Embedix上運行。Luneo還將計劃推出Embedix的開發調試工具包、基於圖形界面的瀏覽器等。可以說，Embedix是壹種完整的內核WINDOWS解決方案。
4、XWINDOWS
XWINDOWS是由美國網虎公司推出，主要開發者是陳盈豪。他在加盟網虎幾個月後便開發出了基於XWINDOWS的、號稱是世界上最小的內核WINDOWS系統，內核只有143KB，而且還在不斷減小。XWINDOWS核心采用了"超字元集"專利技術，讓WINDOWS核心不僅可能與標準字符集相容，還含蓋了12個國家和地區的字符集。因此，XWINDOWS在推廣WINDOWS的國際應用方面有獨特的優勢。
5、
由Agenda公司采用、作為其新產品"VR3PDA"的內核WINDOWS操作系統。它可以提供跨操作系統構造統壹的、標準化的和開放的信息通信基礎結構，在此結構上實現端到端方案的完整平臺。資源框架開放，使普通的軟件結構可以為所有用戶提供壹致的服務。平臺使用戶的視線從設備、平臺和網絡上移開，由此引發了信息技術新時代的產生。在中，稱之為用戶化信息交換(CIE)，也就是提供和訪問為每個用戶需求而定制的"主題"信息的能力，而不管正在使用的設備是什麽。
6、
由Transmeta公司推出的操作系統代碼開放，在GUN普通公***許可(GPL)下發布，可以在http：//midori.transmeta上立即獲得。該公司有個名為"計劃"。""這個名字來源於日本的"綠色"---Midori，用來反映其WINDOWS操作系統的環保外觀。
7、紅旗內核WINDOWS
由北京中科院紅旗軟件公司推出的內核WINDOWS是國內做得較好的壹款內核操作系統。目前，中科院計算所自行開發的開放源碼的內核操作系統---EasyEmbeddedOS(EEOS)也已經開始進入實用階段了。該款內核操作系統重點支持p-Java。系統目標壹方面是小型化，另壹方面能重用WINDOWS的驅動和其它模塊。由於有中科院計算所的強大科研力量做後盾，EEOS有望發展成為功能完善、穩定、可靠的國產內核操作系統平臺。
六、結束語
由於WINDOWS是壹個內核源代碼開放、具備壹整套工具鏈、有強大的網絡支持及成本低廉的操作系統，因此內核WINDOWS自誕生起就秉承了這眾多獨特優勢，這使它正在並越來越多地受到人們的關註。據EvenData數據顯示，期望使用內核WINDOWS的用戶從2001年的11％增到2002年27％，而同期Vxwork只是從16％到18％，WinCE從9％到14％。另外，在內核WINDOWS的各種應用市場中，通信(語音和數據)名列第壹，2000年的銷售額是1300萬美元，而2005年預計將達到1.26億美元，可以預見，內核WINDOWS將在未來的通信用內核操作系統中占據強有力的地位
WINDOWS是目前十分火爆的操作系統。它是由芬蘭赫爾辛基大學的壹個大學生LinusB.Torvolds在1991年首次編寫的。標誌性圖標是壹個可愛的小企鵝。
WINDOWS是壹種類Unix系統，Linus當時編寫它的目的是為了替代壹種名叫Minix的操作系統。Minix是由壹個名叫AndrewTannebaum的計算機教授編寫的，當時由於Unix是壹個商業軟件，其源代碼是不能拿來進行教學的，Andrew教授就自己編寫了壹個系統用於教學。最
初的Minix用壹張軟盤就能裝下，麻雀雖小、五臟俱全，Minix具有壹般操作系統的特征，它同時兼容Unix系統。
WINDOWS是壹個免費的操作系統，用戶可以免費獲得其源代碼，並能夠隨意修改。它是在***用許可證GPL(GeneralPublicLicense)保護下的自由軟件，也有好幾種版本，如RedHatWINDOWS、Slackware，以及國內的XteamWINDOWS等。
WINDOWS具有許多Unix系統的功能和特點，能夠兼容Unix，但無需支付Unix高額的費用。比如壹個Unix程序員在單位可以在Unix系統上進行工作，回到家裏在WINDOWS系統上也能完成同樣的工作，而不必重新購買Unix。要知道Unix的價格比常見的Windows要高出若幹倍，和WINDOWS的低廉更是相距甚遠。
WINDOWS的應用也十分廣泛。Sony最新的PS2遊戲機就采用了WINDOWS作為系統軟件，使PS2搖身壹變，成為了壹臺WINDOWS工作站。著名的電影《泰坦尼克號》的數字技術合成工作就是利用100多臺WINDOWS服務器來完成的。
2001年8月17日，WINDOWS發布了最新的WINDOWS2.4.9版，它也已經十歲了。
WINDOWS的優點
WINDOWS的流行是因為它具有許多誘人之處。
1、完全免費
WINDOWS是壹款免費的操作系統，用戶可以通過網絡或其他途徑免費獲得，並可以任意修改其源代碼。這是其他的操作系統所做不到的。正是由於這壹點，來自全世界的無數程序員參與了WINDOWS的修改、編寫工作，程序員可以根據自己的興趣和靈感對其進行改變。這讓WINDOWS吸收了無數程序員的精華，不斷壯大。
2、完全兼容POSIX1.0標準
這使得可以在WINDOWS下通過相應的模擬器運行常見的DOS、Windows的程序。這為用戶從Windows轉到WINDOWS奠定了基礎。許多用戶在考慮使用WINDOWS時，就想到以前在Windows下常見的程序是否能正常運行，這壹點就消除了他們的疑慮。
3、多用戶、多任務
WINDOWS支持多用戶，各個用戶對於自己的文件設備有自己特殊的權利，保證了各用戶之間互不影響。多任務則是現在電腦最主要的壹個特點，WINDOWS可以使多個程序同時並獨立地運行。
4、良好的界面
WINDOWS同時具有字符界面和圖形界面。在字符界面用戶可以通過鍵盤輸入相應的指令來進行操作。它同時也提供了類似Windows圖形界面的X-Windows系統，用戶可以使用鼠標對其進行操作。在X-Windows環境中就和在Windows中相似，可以說是壹個WINDOWS版的Windows。
5、豐富的網絡功能
互聯網是在Unix的基礎上繁榮起來的，WINDOWS的網絡功能當然不會遜色。它的網絡功能和其內核緊密相連，在這方面WINDOWS要優於其他操作系統。在WINDOWS中，用戶可以輕松實現網頁瀏覽、文件傳輸、遠程登陸等網絡工作。並且可以作為服務器提供WWW、FTP、E-Mail等服務。
6、可靠的安全、穩定性能
WINDOWS采取了許多安全技術措施，其中有對讀、寫進行權限控制、審計跟蹤、核心授權等技術，這些都為安全提供了保障。WINDOWS由於需要應用到網絡服務器，這對穩定性也有比較高的要求，實際上WINDOWS在這方面也十分出色。
7、支持多種平臺
WINDOWS可以運行在多種硬件平臺上，如具有x86、680x0、SPARC、Alpha等處理器的平臺。此外WINDOWS還是壹種內核操作系統，可以運行在掌上電腦、機頂盒或遊戲機上。2001年1月份發布的WINDOWS2.4版內核已經能夠完全支持Intel64位芯片架構。同時WINDOWS也支持多處理器技術。多個處理器同時工作，使系統性能大大提高。
WINDOWS的不足
由於在現在的個人電腦操作系統行業中，微軟的Windows系統仍然占有大部分的份額，絕大多數的軟件公司都支持Windows。這使得Windows上的應用軟件應有盡有，而其他的操作系統就要少壹些。許多用戶在換操作系統的時候都會考慮以前的軟件能否繼續使用，換了操作系統後是否會不方便。雖然WINDOWS具有DOS、Windows模擬器，可以運行壹些Windows程序，但Windows系統極其復雜，模擬器所模擬的運行環境不可能完全與真實的Windows環境壹模壹樣，這就使得壹些軟件無法正常運行。
許多硬件設備面對WINDOWS的驅動程序也不足，不少硬件廠商是在推出Windows版本的驅動程序後才編寫WINDOWS版的。但壹些大硬件廠商在這方面做得還不錯，他們的WINDOWS版驅動程序壹般都推出得比較及時。
軟件支持的不足是WINDOWS最大的缺憾，但隨著WINDOWS的發展，越來越多的軟件廠商會支持WINDOWS，它應用的範圍也越來越廣。這只小企鵝的前景是十分光明的。