嵌入式操作系統(tǒng)的通用硬件抽象層設(shè)計(jì)

摘要 基于嵌入式操作系統(tǒng)硬件抽象層理論，設(shè)計(jì)一種用于嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核開(kāi)發(fā)的通用硬件抽象層平臺(tái)。通用硬件抽象層能夠?yàn)榍度胧讲僮飨到y(tǒng)內(nèi)核的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)屏蔽硬件平臺(tái)的特性，提供統(tǒng)一的硬件相關(guān)的服務(wù)接口，可以使嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)不依賴(lài)于特定的硬件平臺(tái)，同時(shí)開(kāi)發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核具有更強(qiáng)的可移植性。
關(guān)鍵詞 嵌入式操作系統(tǒng) 通用硬件抽象層（HAL） BSP V開(kāi)發(fā)模式

引言

　　為了便于操作系統(tǒng)在不同硬件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行移植，美國(guó)微軟公司首先提出了將底層與硬件相關(guān)的部分單獨(dú)設(shè)計(jì)成硬件抽象層美國(guó)微軟公司提出了將操作系統(tǒng)底層與硬件相關(guān)的部分單獨(dú)設(shè)計(jì)成硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）的思想。硬件抽象層的引入大大推動(dòng)了嵌入式操作系統(tǒng)的通用程度，為嵌入式操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能。然而，目前BSP形式的硬件抽象層僅僅能夠解決有限的幾種操作系統(tǒng)在同樣有限的BSP所支持的硬件平臺(tái)上的移植，而對(duì)絕大多數(shù)需要根據(jù)不同嵌入式應(yīng)用而專(zhuān)門(mén)定制的嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)能起的作用則非常有限。

1  硬件抽象層原理

1.1  硬件抽象層概念

　　嵌入式系統(tǒng)是一類(lèi)特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它自底向上包括3個(gè)主要部分：硬件環(huán)境、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用程序。硬件環(huán)境是整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行的硬件平臺(tái)，不同的應(yīng)用通常有不同的硬件環(huán)境；因此如何有效地使嵌入式操作應(yīng)用于各種不同的應(yīng)用環(huán)境，是嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展中所必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　硬件抽象層通過(guò)硬件抽象層接口向操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序提供對(duì)硬件進(jìn)行抽象后的服務(wù)。當(dāng)操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序使用硬件抽象層API進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，只要硬件抽象層API能夠在下層硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，那么操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的代碼就可以移植。

圖1  引入HAL后的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　這樣，原先嵌入式系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)逐步演化為一種4層結(jié)構(gòu)。圖1顯示了引入硬件抽象層后的嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

　　在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，硬件抽象層同樣發(fā)揮著不可替代的作用。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是采用瀑布式設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，首先是硬件平臺(tái)的制作和調(diào)試，而后是在已經(jīng)定型的硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。由于硬件和軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程是串行的，因此需要很長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期；而硬件抽象層能夠使軟件設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)結(jié)束前開(kāi)始進(jìn)行，使整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程成為軟硬件設(shè)計(jì)并行的V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程，如圖2所示。這樣兩者的設(shè)計(jì)過(guò)程大致是同時(shí)進(jìn)行的或是并發(fā)的，縮短了整個(gè)設(shè)計(jì)周期。

圖2  硬件抽象層引入后的V開(kāi)發(fā)模式

1.2  BSP分析

　　作為硬件抽象層的一種實(shí)現(xiàn)，板級(jí)支持包BSP（Board Support Package）是現(xiàn)有的大多數(shù)商用嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可移植性所采用的一種方案。BSP隔離了所支持的嵌入式操作系統(tǒng)與底層硬件平臺(tái)之間的相關(guān)性，使嵌入式操作系統(tǒng)能夠通用于BSP所支持的硬件平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性和跨平臺(tái)性，以及嵌入式操作系統(tǒng)的通用性、復(fù)用性。

　　然而現(xiàn)有應(yīng)用較為廣泛的BSP形式的硬件抽象層，完全是為了現(xiàn)有通用或商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)在不同硬件平臺(tái)間的移植而設(shè)計(jì)的，因此BSP形式的硬件抽象層與BSP所向上支持的嵌入式操作系統(tǒng)是緊密相關(guān)的。在同一種嵌入式微處理器的硬件平臺(tái)上支持不同嵌入式操作系統(tǒng)的BSP之間不僅從組成結(jié)構(gòu)、向操作系統(tǒng)內(nèi)核所提供的功能以及所定義的服務(wù)的接口都完全不同，因而一種嵌入式操作系統(tǒng)的BSP不可能用于其他嵌入式操作系統(tǒng)。這種硬件抽象層是一種封閉的專(zhuān)用硬件抽象層。因此，我們提出了為上層嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的開(kāi)發(fā)和構(gòu)建提供一種開(kāi)放、通用的硬件抽象層平臺(tái)，使得在某種硬件平臺(tái)上的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的開(kāi)發(fā)能夠在支持這種硬件平臺(tái)的硬件抽象層上進(jìn)行。

2  通用硬件抽象層總體設(shè)計(jì)

2.1  通用硬件抽象層的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　通用硬件抽象層需要為上層操作系統(tǒng)內(nèi)核提供統(tǒng)一的硬件相關(guān)功能服務(wù)；而嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核主要的硬件相關(guān)部分包括系統(tǒng)啟動(dòng)初始化、任務(wù)上下文管理、中斷異常管理以及時(shí)鐘管理。因此，通用硬件抽象層對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核所相關(guān)的硬件平臺(tái)的基本硬件組成部分進(jìn)行抽象，提供嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核硬件平臺(tái)的相關(guān)功能，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的通用硬件抽象層API接口。通用硬件抽象層的總體功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3  通用硬件抽象層總體功能結(jié)構(gòu)示意圖

(1)  系統(tǒng)啟動(dòng)初始化

　　啟動(dòng)初始化功能為操作系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行提供了必要的軟硬件環(huán)境。啟動(dòng)和初始化過(guò)程中，對(duì)硬件平臺(tái)的直接訪問(wèn)包括對(duì)CPU內(nèi)核的寄存器的初始化設(shè)置，以及對(duì)于起系統(tǒng)控制作用的端口寄存器的設(shè)置。通過(guò)啟動(dòng)初始化過(guò)程，為整個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核的運(yùn)行提供了必要的運(yùn)行環(huán)境與基礎(chǔ)，隔離了不同硬件平臺(tái)上嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差異。

(2)  任務(wù)上下文管理

　　任務(wù)上下文管理負(fù)責(zé)嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核中任務(wù)管理部分中對(duì)任務(wù)寄存器上下文的創(chuàng)建、刪除以及切換等操作。任務(wù)的寄存器上下文是操作系統(tǒng)內(nèi)核所管理的任務(wù)的重要組成部分，是CPU內(nèi)核的寄存器中內(nèi)容的映像，因此上下文管理的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于CPU內(nèi)核中寄存器的組織，是與體系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。通用硬件抽象層的任務(wù)上下文管理統(tǒng)一定義體系結(jié)構(gòu)中的寄存器上下文的保護(hù)格式，提供了任務(wù)管理對(duì)任務(wù)上下文的基本操作的API接口。

(3)  中斷異常管理

　　中斷異常管理是嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核中的重要組成部分。中斷異常機(jī)制是操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備通信、任務(wù)系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)行出錯(cuò)處理以及能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)任務(wù)的實(shí)時(shí)調(diào)度的重要手段。因此,硬件抽象層中斷系統(tǒng)的管理部分是整個(gè)硬件抽象層中的關(guān)鍵。

　　通用硬件抽象層中為中斷異常處理進(jìn)行了必要的包裝，向嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核屏蔽底層的中斷異常處理；同時(shí)，由于中斷管理必須涉及對(duì)中斷控制器的操作。因此，通用硬件抽象層的設(shè)計(jì)中，將中斷控制器控制的外設(shè)請(qǐng)求抽象成為統(tǒng)一的IRQ設(shè)備，嵌入式操作系統(tǒng)通過(guò)操作抽象IRQ設(shè)備來(lái)管理外設(shè)的中斷服務(wù)程序以及進(jìn)行對(duì)中斷控制器的操作，從而為操作系統(tǒng)內(nèi)核屏蔽了中斷控制器的直接操作。

(4)  定時(shí)管理

　　定時(shí)管理負(fù)責(zé)為操作系統(tǒng)內(nèi)核中的時(shí)鐘滴答處理提供必要的定時(shí)機(jī)制，同時(shí)也為內(nèi)核之外的系統(tǒng)功能提供定時(shí)服務(wù)，如TCP/IP協(xié)議棧等。操作系統(tǒng)內(nèi)核通過(guò)時(shí)鐘滴答處理來(lái)執(zhí)行重要的定時(shí)任務(wù)（如任務(wù)時(shí)間的分配、任務(wù)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)、任務(wù)定時(shí)等待更新等），因此定時(shí)功能是硬件抽象層需要為操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的最為基本和重要的功能之一。

　　通用硬件抽象層根據(jù)對(duì)硬件定時(shí)器的抽象為操作系統(tǒng)內(nèi)核提供統(tǒng)一的抽象定時(shí)器設(shè)備，并且對(duì)定時(shí)中斷服務(wù)程序進(jìn)行了包裝，從而使嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核直接面對(duì)的是統(tǒng)一、通用的抽象定時(shí)器設(shè)備，通過(guò)對(duì)抽象定時(shí)器的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)服務(wù)，而不必直接操作硬件定時(shí)器。

2.2  通用硬件抽象層的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　通用硬件抽象層的設(shè)計(jì)是為在各種不同硬件平臺(tái)上的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的開(kāi)發(fā)提供統(tǒng)一的硬件平臺(tái)相關(guān)的功能，因此這就要求硬件抽象層本身能夠易于擴(kuò)展和移植到不同的硬件平臺(tái)之上，才能為這種硬件平臺(tái)上嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的開(kāi)發(fā)提供支持。與硬件平臺(tái)相關(guān)的軟件分為體系結(jié)構(gòu)相關(guān)以及外圍端口寄存器操作相關(guān)部分。體系結(jié)構(gòu)相關(guān)軟件部分能夠用于與CPU內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)兼容的不同嵌入式微處理器上，而對(duì)外圍端口寄存器的操作，則每種嵌入式微處理器都不同。因此，通用硬件抽象層功能的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成為圖4所示的3個(gè)層次的結(jié)構(gòu)：通用層、體系結(jié)構(gòu)層以及外圍層。通過(guò)這3個(gè)實(shí)現(xiàn)層次的劃分盡可能地實(shí)現(xiàn)代碼的可復(fù)用性。

圖4  通用硬件抽象層層次結(jié)構(gòu)示意圖

(1)  通用層

　　通用層是以C語(yǔ)言編寫(xiě)的、不涉及體系結(jié)構(gòu)及外圍端口寄存器具體操作的、能夠通用于各種硬件平臺(tái)的一層。通用層內(nèi)包括： 對(duì)統(tǒng)一的與編譯器無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型、抽象設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，以及提供給嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的對(duì)抽象設(shè)備的各種統(tǒng)一的操作服務(wù)的接口通用的實(shí)現(xiàn)部分。

　　通用層中抽象設(shè)備操作的實(shí)現(xiàn)中需要涉及的對(duì)CPU內(nèi)核寄存器的操作以及對(duì)外圍I/O端口寄存器的操作，是通過(guò)調(diào)用體系結(jié)構(gòu)層以及外圍層中統(tǒng)一定義的接口進(jìn)行的。當(dāng)擴(kuò)展或移植到其他硬件平臺(tái)上時(shí)，上層無(wú)須修改，而只須進(jìn)行下層替換。

(2)  體系結(jié)構(gòu)層

　　針對(duì)各種嵌入式微處理器CPU內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)，體系結(jié)構(gòu)層需要分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。體系結(jié)構(gòu)層中對(duì)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，包括寄存器上下文保存格式的定義以及對(duì)中斷異常向量起始地址、各種異常和中斷處理的入口偏移等，并負(fù)責(zé)通用硬件抽象層功能中體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容主要是對(duì)CPU內(nèi)核中各個(gè)寄存器的訪問(wèn)，對(duì)于中斷異常向量表的操作以及底層的中斷和異常處理。

　　體系結(jié)構(gòu)層的實(shí)現(xiàn)是按照上層規(guī)定的調(diào)用接口來(lái)進(jìn)行的，因而針對(duì)不同的體系結(jié)構(gòu)，上層通用層無(wú)須進(jìn)行修改。體系結(jié)構(gòu)層中對(duì)有關(guān)I/O端口寄存器的操作通過(guò)對(duì)外圍層接口的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　針對(duì)某種體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)層能夠通用于CPU內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)兼容的嵌入式微處理器的硬件平臺(tái)上，從而易于硬件抽象層在體系結(jié)構(gòu)兼容的嵌入式微處理器硬件平臺(tái)上的擴(kuò)展和移植。

(3)  外圍層

　　外圍層是針對(duì)各種嵌入式微處理器而分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。外圍層主要包括對(duì)外圍I/O接口和設(shè)備屬性的定義（包括中斷控制器連接的外設(shè)個(gè)數(shù)、定時(shí)器個(gè)數(shù)等），并且負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)外圍I/O設(shè)備端口寄存器的訪問(wèn)操作。外圍層的實(shí)現(xiàn)需要根據(jù)上層定義的接口進(jìn)行。

　　通用硬件抽象層的外圍層必須提供對(duì)存儲(chǔ)控制、總線控制、中斷控制器、定時(shí)器控制器、UART等基本I/O接口和設(shè)備的I/O端口寄存器的訪問(wèn)功能。外圍層是與各種嵌入式微處理器一一對(duì)應(yīng)的，在采用不同的嵌入式微處理器的硬件平臺(tái)之間，外圍層是無(wú)法通用的。因此針對(duì)新的嵌入式微處理器的通用硬件抽象層的擴(kuò)展或移植，外圍層都需要重新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

(4)  層次間接口的設(shè)計(jì)

　　通用硬件抽象層除了為嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供統(tǒng)一的功能服務(wù)接口外，為了便于擴(kuò)展和移植到其他硬件平臺(tái)，還在各層的調(diào)用之間設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的調(diào)用接口。下層的功能實(shí)現(xiàn)需要按照與上層確定的接口規(guī)范來(lái)進(jìn)行。其中某些上下層之間的接口，尤其是外圍層與上層之間的接口是使用宏定義的方式進(jìn)行的。宏定義在預(yù)編譯時(shí)進(jìn)行替換，沒(méi)有執(zhí)行時(shí)的性能損失。相反，對(duì)于底層的操作直接使用宏定義能夠提高執(zhí)行效率，尤其對(duì)外圍端口寄存器的操作，由于操作本身的執(zhí)行時(shí)間短，而一般函數(shù)調(diào)用則需要返回地址、參數(shù)壓棧等過(guò)程。這些開(kāi)銷(xiāo)可能超過(guò)這些I/O端口寄存器的訪問(wèn)時(shí)間，使用宏定義則沒(méi)有調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)，從而能夠直接實(shí)現(xiàn)接口對(duì)底層端口寄存器的訪問(wèn)而不損失操作的效率。

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