第三章 系統架構
本章將介紹本輸入裝置所採用的 Windows CE 嵌入式作業系統，並且介紹相 關的硬體架構。
3.1 系統介紹
由於本研究是使用嵌入式系來研發本輸入裝置，所以必須先了解什麼是嵌入 式系統？接著將介紹嵌入式系統上的作業系統，最後將介紹本輸入裝置的硬體架 構。
3.1.1 嵌入式系統
嵌入式系統一開始僅僅只在工業中應用[14]，但是隨著電腦科技的進步，尤 其是微處理器技術的快速發展，電腦的運算速度越來越快，記憶體、硬碟容量越 來越大，性能越來越強，但是體積卻越來越小，成本越來越低。由於這樣的發展 趨勢，造就了將電腦技術應用到各個領域，嵌入到各種裝置、設備中的想法，於 是嵌入式系統成為電腦技術的一個新里程碑。
在日常生活中具處理器的、有運算能力的裝置已經超過我們的想像，最普通 的是就是個人電腦、筆記型電腦、伺服器，但是有更多的裝置其實都有內嵌處理 器，例如：手機、電梯、汽車、數位相機、MP3 隨身聽…等等。甚至在工業控 制中的生產線設備，或者是國防軍事上的雷達或衛星等通訊設備。這些裝置都是 嵌入式系統被普遍使用的証明，顯然的嵌入式系統已經普及到我們日常生活的每 一個角落了。
嵌入式系統跟一般個人電腦所使用的電腦系統是不一樣的，嵌入式系統不會 以獨立的設備狀態出現，嵌入式系統將會根據主體的設備和需求，嵌入在主體設 備的內部，並做運算、控制、儲存等動作。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、嵌 入式軟體和相關的硬體裝置所組成，嵌入式處理器一般是採用單晶片或微控制 器。嵌入式軟體則包括作業系統、硬體驅動程式、資料庫系統、通訊協定、圖形 介面等等。而相關的硬體裝置則包括 RAM、ROM、USB 介面、I/O 介面、顯示 介面、網路介面、硬碟等等。而嵌入式系統從以前發展至今，大約可分成三個階 段，如表 3-1 所示。
表 3-1 嵌入式系統發展歷史
發展階段 系統特點
第一階段 嵌入式系統發展的初期，通常是以單晶片作 為系統核心，並運用在工業控制系統中。這 種嵌入式系統沒有作業系統的支援，而是透 過組合語言程式來執行。
第二階段 嵌入式系統發展的中期，改用嵌入式微處理 器並採用嵌入式作業系統作為系統核心，效 能大大的提高，具有高度的模組化和擴充 性，並可提供圖形視窗、使用者介面。
第三階段 嵌入式系統發展的近期，結合網路設備、電 腦通訊並且正迅速發展。
而現今一般的嵌入式系統普遍的有以下的共通點：
(1). 系統資源有限
嵌入式系統擁有的資源嚴格的被限制住，例如：儲存空間有限，甚 至有些嵌入式系統使用電池供電，所以電能供應也受到限制。
(2). 系統具可配置性
嵌入式系統可在多種不同硬體環境下進行配置。
(3). 系統外接設備變化多
嵌入式系統可接受各式各樣的輸入、輸出裝置。一般的輸入裝置可 能是鍵盤或滑鼠，但若是軍事上用到的嵌入式系統其輸入裝置可能是雷 達信號。
(4). 作業系統可靠性要求嚴格
由於在某些領域應用的嵌入式系統不允許錯誤的產生，例如：飛機 上所採用的嵌入式系統。所以對嵌入式系統上的作業系統可靠性要求極 高。
(5). 作業系統佔用系統資源少
由於系統本身資源有限，所以不允許嵌入式系統上的作業系統佔用 太多的資源。
(6). 即時 (real time) 回應要求嚴格
例如：在軍事上使用的嵌入式系統，其即時回應的效能必須達到系
統規定。
3.1.2 嵌入式作業系統
由以上的介紹得知，嵌入式系統應用的環境跟一般的電腦系統並不相同，因 此對作業系統的要求也會有所不同，於是就產生出因應的作業系統：嵌入式作業 系統。
嵌入式作業系統若照應用的範圍來劃分可分為：通用型的嵌入式作業系統以 及專用型的嵌入式作業系統。比較常見的通用型的嵌入式作業系統有 Windows
CE、VxWorks (WindRiver 公司發展的嵌入式作業系統，美國太空總署的火星極 地登陸號即採用 VxWorks) 以及嵌入式 Linux；專用型的嵌入式作業系統則有
PDA 上的 Palm OS 以及用於行動電話的 Symbian。
然而，不管是哪一種嵌入式作業系統，它仍然是一種作業系統，所以他仍然 具有一般作業系統的功能，包括：程序管理、儲存管理、設備管理、中斷處理、
處理器排程等等。當然也有跟一般作業系統不一樣的地方，表 3-2 即為嵌入式作 業系統的特色。
表 3-2 嵌入式作業系統的特色
特色 說明
即時性 嵌入式作業系統必須嚴格規定在規定時間 內完成對任務的處理。
可靠性 嵌入式作業系統必須具有高度的可靠性，甚 至有些嵌入式作業系統還對關鍵程式提供
容錯的功能。
小型化 在保證系統可以正常運作下，盡量減少嵌入 式作業系統佔用的資源。
擴充性 嵌入式作業系統必須要能夠支援多種 CPU 硬體平台。
3.1.3 Windows CE 嵌入式作業系統
雖然上個小節所提到的 VxWorks 嵌入式作業系統性能廣受使用者的好評，
但是 VxWorks 取得不易，而且所需的授權費用極高，核心程式也不對外公開；
相對的，由 Microsoft 公司所開發的 Windows CE 嵌入式作業系統就比較親民了，
不僅授權費較便宜，而且 Microsoft 公司更提供了一個類似 Visual C++的開發軟 體：eMbedded Visual C++[15]。程式設計者可以直接利用 C/C++語言來編輯程式
[16]。由於種種的便利性，Windows CE 嵌入式作業系統在市場上的佔有率也逐 漸增加。
Windows CE 最小只需約 11MB 的空間，就可以將整個系統裝置好，其 Windows CE kernel 甚至只需 200K 的空間。並且支援四大系列的 CPU，包括：
ARM、MIPS、X86、SHx。Windows CE 擁有強大的通信能力以及優秀的圖形使 用者介面。而且 Windows CE 是模組化的，程式設計者可以選擇所需的模組，除 去不需要的模組，以節省使用空間。由於以上種種的優點，所以本研究將採用
Windows CE 嵌入式作業系統當作開發的環境。
3.2 硬體架構介紹
本輸入裝置將採用市面上現成的嵌入式硬體設備，並且開發自製的硬體設 備，以滿足本輸入裝置的需求。而我們採用的嵌入式硬體設備是 ICOP 公司[17]
所出產的 MISI-3000 Windows CE 5.0 嵌入式發展系統[18]，其規格如表 3-3 所示：
表 3-3 MISI-3000 Windows CE 5.0 嵌入式發展系統規格表
Chipset Chipset Embedded Vortex86 166MHz System-on-Chip CPU[19]。
Real Time Clock with lithium battery backup。
BIOS AMI BIOS。
Bus PC/104 ISA Bus。
x-PCI Bus: ICOP Propietary PCI Bus。
RAM 128MB SDRAM on board。
Watchdog Timer Software programmable from 4ms to 1hour。
VGA Equipped with AUO 8.4” LVDS LCD,Power Inverter, LVDS signal Converter(ICOP-0096), LCD Cable, 8.4”
Touch Screen, Touch Controller。
AGP Rev.2.0 compliant。
Shared system memory up to 64MB (Default 8 MB)。
Support resolution up to 1,280x1,024 true colors。
VGA and STN/DSTN/TFT Flat Panel interface support。
LAN Realtek 8100B 10/100Mbps Ethernet Controller。
Half/Full duplex capability。
Audio Fully compliant with AC97 V2.1。
Hardware DirectSound accelerator。
Flash Disk Support 64MB Embed Disk。
Preload Windows CE 5.0 word pad shell (800*600x 60hz) 。
I/O Interface Enhanced IDE port x1。
FDD port x1。
RS-232 port x3。
RS-232/485 port x1。
Parallel port x1。
USB port x2 (Ver 1.1) 。 10/100Mbps Ethernet port x1。
Connectors 2.0mm 44-pin box header for IDE x1。
2.0mm 44-pin box header for LCD connector x1。
2.0mm 34-pin box header for FDD x1。
32-pin DIP socket for DOC x1。
2.0mm 26-pin box header for Printer x1。
2.0mm 10-pin box header for RS-232 x3。
2.0mm 10-pin box header for USB x1。
2.0mm 4-pin wafer for Line-in/Line-out/MIC-in x3。
2.54mm 2-pin header for RS-485 x1。
2.54mm 2-pin header for Re-set x1。
External 15-pin D-Sub female connector for VGA x1。
External 9-pin D-Sub male connector for RS-232 x1。
External RJ-45 connector for Ethernet x1。
External Mini DIN socket for Keyboard/Mouse x1。
Type I/II Compact Flash slot x1 Power 100V – 240V AC INPUT。
Dimensions 360 x 250 mm。
Operating Temperature
0°~ +60°C。
本輸入裝置除了使用現成的硬體設備，包括：CPU、USB、Embed Disk、觸 控、顯示等部份，更需要自製硬體設備以滿足本輸入裝置的需求，本輸入裝置主 要的硬體使用架構如圖 3-1。
CPU (Vortex86)
USB 控制器 Embed Disk 觸控面板
控制器
LCD 控制器
自製介面
IDE介面 USB介面
USB 介面裝置 LCD
面板 觸控面板
Parallel Port
個人電腦端PS/2鍵盤介面
圖 3-1 本輸入裝置所使用硬體架構圖
本輸入裝置採用 166MHZ 的 CPU，並且使用 Embed Disk，這個裝置是 IDE 介面，可依需求隨時做更換，目前常見的 Embed Disk 容量大小有 64MB、128MB、
256MB、512MB、1GB 等等，而本輸入裝置將採用容量大小為 64MB 的 Embed Disk 就足以完成所有功能；顯示方面則是採用 10.4 吋的觸控液晶螢幕，解析度為
800x600，這個裝置也是可以依照需求作更換。自製介面則是我們自製的額外硬 體設備，我們是利用 Parallel Port[20]，並透過開集極輸出介面 7407IC[21]，連接 成 PS/2 介面[22]。有了這個自製介面才能將本輸入裝置上的信號傳送至電腦端。
自製介面的硬體架構如圖 3-2 所示。
圖 3-2 自製介面硬體架構圖
Data
GND 5V
Clock
25
Clock In Data In Clock Out
Data Out
14
4
3 5
1
PS/27 5V
Parallel Port
3
12 15 2
1
4 2
7407 3 IC
