EMC2的硬件抽象層原理與實(shí)現(xiàn)

1 概 述
    嵌入式系統(tǒng)具有專用性強(qiáng)、外圍設(shè)備多樣的特性，這決定了其應(yīng)用的硬件環(huán)境差異性較大。系統(tǒng)軟件模塊與硬件之間的接口是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要特征，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的必需環(huán)節(jié)，也是影響嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用前景的關(guān)鍵問(wèn)題之一。硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer，HAL)的引入可有效解決這一問(wèn)題。HAL是將硬件平臺(tái)與應(yīng)用軟件隔離開(kāi)來(lái)的軟件層次，通過(guò)硬件抽象技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件相關(guān)和硬件無(wú)關(guān)兩部分程序代碼的隔離，為應(yīng)用軟件提供一個(gè)沒(méi)有硬件特性的接口。硬件抽象層的引入不僅是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，更直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式以及嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性。硬件抽象層的引入大大推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的規(guī)范化進(jìn)程。
    EMC是一個(gè)開(kāi)放源代碼的用于機(jī)床或機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制軟件。它能同時(shí)驅(qū)動(dòng)9軸電機(jī)。其運(yùn)動(dòng)控制特性包括：刀具半徑和長(zhǎng)度補(bǔ)償、軸同步運(yùn)動(dòng)、自適應(yīng)進(jìn)給速度、恒速度控制等。EMC2在原有EMC軟件的基礎(chǔ)上加入了許多新的特性和功能，其中包括了HAL和軟件PLC模塊ClassicLadder。ClassicLadder是一個(gè)基于LGPL協(xié)議的梯形圖解釋器。它隨著EMC2一起發(fā)布，可以與EMC2的HAL一起工作。本文中的控制系統(tǒng)利用EMC2的HAL為軟PLC中的應(yīng)用程序提供底層硬件操作支持，提高了應(yīng)用程序的平臺(tái)無(wú)關(guān)性與可移植性。

2 硬件架構(gòu)
    控制器是鋰電池卷繞恒張力控制器，采用符合PC／104總線規(guī)范的單板計(jì)算機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PC104)與基于FPGA的專用主機(jī)板相結(jié)合的方法構(gòu)建系統(tǒng)硬件。PC104中運(yùn)行實(shí)時(shí)Linux，ClassicLadder及HAL作為實(shí)時(shí)模塊加載到Linux系統(tǒng)中。
    系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。其中ADS8361為12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于采集張力值等模擬量；AD5624為數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，用于控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速及氣壓閥壓力值；FPGA控制所有外圍芯片，并產(chǎn)生電機(jī)脈沖方向信號(hào)，同時(shí)對(duì)電機(jī)編碼器信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；CPLD控制I／O輸入／輸出點(diǎn)，并與FPGA交換信息。利用EMC2中HAL的實(shí)現(xiàn)原理，可編寫(xiě)組件將硬件系統(tǒng)所有設(shè)備抽象成引腳和函數(shù)的形式，供軟PLC在需要時(shí)加載。

3 EMC2中HAL的基本概念
    EMC2的HAL提供了一種簡(jiǎn)便方法，將一些已有軟硬件模塊進(jìn)行加載和組合形成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，從而使EMC2更容易配置，以使用各種硬件設(shè)備。硬件資源在HAL中被封裝成特定組件，隨時(shí)被控制系統(tǒng)載入使用。EMC2中的HAL有以下基本概念：
    Component，組件。是定義好輸入、輸出及行為的軟件模塊，可以在需要時(shí)安裝及連接。
    Parameter，參數(shù)。許多硬件組件有可調(diào)整參數(shù)需要進(jìn)行訪問(wèn)。HAL有輸入及輸出兩種類型的參數(shù)。
    Pin，引腳。硬件組件用于互聯(lián)的連接端子。所有Pin都有名稱，并在連接時(shí)使用。HAL的Pin是只存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)的軟件實(shí)體。
    Physical_Pin，物理引腳。許多I／O設(shè)備有真正的物理引腳或終端連接到外部硬件，這些被稱為物理引腳。
    Signal，信號(hào)?，F(xiàn)實(shí)中硬件組件使用導(dǎo)線互連。在HAL中導(dǎo)線相當(dāng)于“信號(hào)”。HAL的信號(hào)將HAL的引腳連接在一起，可以隨意斷開(kāi)或重新連接。
    Type，類型。引腳和信號(hào)都有類型屬性，即信號(hào)只能連接到相同類型的引腳。目前，HAL有4種類型：BIT、FLOAT、U32、S32。
    Function，函數(shù)。每個(gè)函數(shù)是一個(gè)執(zhí)行具體行為的代碼塊，執(zhí)行讀取輸入、計(jì)算輸出等操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以使用“線程”對(duì)一系列函數(shù)加以調(diào)度，以使其按照特定的順序及時(shí)間間隔運(yùn)行。
    Thread，線程。作為一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的組成部分，線程是一個(gè)以特定時(shí)間間隔運(yùn)行的函數(shù)序列。函數(shù)可以添加到線程并在每次線程運(yùn)行時(shí)調(diào)用。

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4 HAL架構(gòu)
    系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。用HAL將各I／O通道、ADC通道、DAC通道、脈沖通道、編碼器通道抽象成Pin，將對(duì)硬件各模塊的操作抽象成各個(gè)Function，將Pin和Function封裝在命名為hal_CNC的Component中。

    硬件在Component中被映射為如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

   
    由上述結(jié)構(gòu)可以看出，每個(gè)Pin對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)類型的指針，該指針指向的內(nèi)存區(qū)便存放該引腳的值。

5 基于HAL的驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)
    hal_CNC由源文件hal_CNC．c和hal_CNC．h構(gòu)成。hal_CNC．c定義了對(duì)hal_CNC的初始化、底層硬件驅(qū)動(dòng)函數(shù)、hal_CNC退出時(shí)的操作等。rtapi_app_main()函數(shù)是載入Component時(shí)的程序入口。
    首先申請(qǐng)當(dāng)前Component的ID號(hào)，對(duì)Component的每個(gè)操作都由該ID號(hào)索引。
    comp_id=hal_init(“hal_CNC”)；
    ／／hal_CNC為Component的名字
    其次，分配組件運(yùn)行時(shí)所需內(nèi)存，代表Pin的指針指向的內(nèi)存區(qū)域便是在此分配：
    CNC_driver=hal_malloc(sizeof(CNC_struct))；
    接著將所定義Pin導(dǎo)出到HAL。該操作通過(guò)調(diào)用自定義的export()函數(shù)來(lái)完成。以DAC模塊為例，操作如下：
    for(n=0；n<8；n++)
    export_dac(n，CNC_driver)； ／／導(dǎo)出Pin
    每次調(diào)用export_dac()時(shí)，都會(huì)調(diào)用如下語(yǔ)句注冊(cè)一個(gè)Pin。
    rtapi_snprintf(buf，HAL_NAME_LEN，“CNC．DAC．％d．value”，num)；
    hal_pin_float_new(buf，HAL_IN，&(addr->dac_value[num])，comp_id)；
    其中“CNC．DAC．XXX．value”是Pin的名稱。軟PLC通過(guò)該名稱對(duì)此Pin進(jìn)行引用。hal_pin_float_new()是HAL提供的函數(shù)，在新建Type為FLOAT型的Pin時(shí)使用。該函數(shù)一共有4個(gè)參數(shù)，依次是Pin名、Pin方向、Pin內(nèi)存指針地址、Component ID。引腳方向HAL_IN表示該值是從軟件層“輸入”到HAL中的，該方向針對(duì)軟件層與HAL層而言。
    對(duì)Pin進(jìn)行操作的Function也要導(dǎo)出到HAL：
    hal_export_[unct(“CNC．DAC．write”，CNC_dac_write，CNC_driver，1，0，comp_id)；其中“CNC．DAC．write”為軟件層使用該Function時(shí)引用的名字；CNC_dac_write為函數(shù)在C源文件中實(shí)際對(duì)應(yīng)的C函數(shù)名稱；CNC_driver為Component的內(nèi)存指針；1表示函數(shù)用到了浮點(diǎn)數(shù)；0表示該函數(shù)不可重入；comp_id為Component ID。[!--empirenews.page--]
    依照上述做法將所有硬件功能模塊全部導(dǎo)出到HAL后，在rtapi_app_main()的最后調(diào)用hal_ready(comp_id)，表明該Component已經(jīng)初始化完畢，可以開(kāi)始使用了。
    在關(guān)閉Component退出時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用hal_CNC．C中編寫(xiě)的rtapi_app_exit()。其實(shí)現(xiàn)如下：
    void rtapi_app_exit(void){hal_exit(comp_id)；)
    hal_exit()關(guān)閉并釋放HAL及RTAPI使用到的系統(tǒng)資源，使這些資源可被重新使用。
    用EMC2自帶的工具comp對(duì)源文件hal_CNC．c和hal_CNC．h進(jìn)行編譯，即可得到名為hal_CNC的Compo-nent。該組件自動(dòng)放入EMC2的模塊庫(kù)中，隨時(shí)可被其他軟件模塊調(diào)用。

6 HAL的使用
    以DAC為例，在Linux下的命令行輸入“halrun”進(jìn)入EMC2的HAL運(yùn)行界面，輸入：
    loadrt threads namel=thread periodl=1000000
    創(chuàng)建名為“thread”的線程，該線程執(zhí)行周期為1 ms。
執(zhí)行：
    loadrt hal_CNC
    將所編寫(xiě)的硬件系統(tǒng)組件調(diào)入，執(zhí)行：
    addf CNC．DAC．write thread
    將DAC的寫(xiě)函數(shù)加入到前面創(chuàng)建的線程thread，使之以與thread相同的執(zhí)行周期被調(diào)用。然后使可通過(guò)控制DAC的引腳來(lái)輸出相應(yīng)的電壓。如：
    setp CNC．DAC．0．value 1
    該語(yǔ)句將使電路板上的DAC輸出端子輸出1 V的電壓。
    用類似的方法將其他軟件模塊通過(guò)與HAL的引腳連接，便實(shí)現(xiàn)了其他軟件對(duì)HAL的調(diào)用。

7 HAL在ClassicLadder中的調(diào)用
    以從DAC輸出5 V為例，將classicladder的一個(gè)名為“classicladder．0．s320ut-00”的有符號(hào)32位整型Pin賦值為5。該值經(jīng)過(guò)HAL中的一個(gè)類型轉(zhuǎn)換Component“s32tofloat”變?yōu)楦↑c(diǎn)數(shù)，再連接到hal_CNC中的DAC單元的引腳“CNC．DAC．0．value”，便在實(shí)際硬件電路板的DAC輸出端輸出5 V的電壓。引腳連接如表1所列。

    其中“→”和“←”表示引腳之間的連接，用HAL中的Sig-nal實(shí)現(xiàn)。
    在軟PLC中設(shè)置變量W10的值為5，則在DA輸出端子引腳上用萬(wàn)用表測(cè)到5 V的電壓。軟PLC中的操作輸出如圖3所示。

    其中4個(gè)窗口表示DAC的4個(gè)通道，分別令DAC輸出5 V、2 V、3 V、4 V的電壓。

8 結(jié) 論
    實(shí)踐證明，HAL的引入可極大提高嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)的硬件無(wú)關(guān)性。從軟件的角度來(lái)看，其面向的硬件具有同質(zhì)的接口，對(duì)硬件的操作具有相似的方法與架構(gòu)，極大地簡(jiǎn)化了軟件對(duì)硬件的控制，方便了同類軟件在不同硬件平臺(tái)間的移植。這就為軟硬件同步設(shè)計(jì)、分工協(xié)作奠定了良好的基礎(chǔ)。該架構(gòu)已成功應(yīng)用在文中所述的鋰電池卷繞恒張力控制器中，取得了良好效果。