嵌入式操作系統的通用硬件抽象層設計

　　引言

　　為了便于操作系統在不同硬件結構上進(jìn)行移植，美國微軟公司首先提出了將底層與硬件相關(guān)的部分單獨設計成硬件抽象層美國微軟公司提出了將操作系統 底層與硬件相關(guān)的部分單獨設計成硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）的思想。硬件抽象層的引入大大推動(dòng)了嵌入式操作系統的通用程度，為嵌入式操作系統的廣泛應用提供了可能。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在同樣有限的BSP所支持的硬件平臺上的移植，而對絕大多數需要根據不同嵌入式應用而專(zhuān)門(mén)定制的嵌入式操作系統來(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

　　嵌入式系統是一類(lèi)特殊的計算機系統。它自底向上包括3個(gè)主要部分：硬件環(huán)境、嵌入式操作系統和嵌入式應用程序。硬件環(huán)境是整個(gè)嵌入式操作系統和 應用程序運行的硬件平臺，不同的應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用于各種不同的應用環(huán)境，是嵌入式操作系統發(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以及應用程序提供對硬件進(jìn)行抽象后的服務(wù)。當操作系統或應用程序使用硬件抽象層API進(jìn)行設計時(shí)，只要硬件抽象層API能夠在下層硬件平臺上實(shí)現，那么操作系統和應用程序的代碼就可以移植。

　
圖1 引入HAL后的嵌入式系統結構

　　這樣，原先嵌入式系統的3層結構逐步演化為一種4層結構。圖1顯示了引入硬件抽象層后的嵌入式系統的結構。

　　在整個(gè)嵌入式系統設計過(guò)程中，硬件抽象層同樣發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。傳統的設計流程是采用瀑布式設計開(kāi)發(fā)過(guò)程，首先是硬件平臺的制作和調試，而 后是在已經(jīng)定型的硬件平臺的基礎上再進(jìn)行軟件設計。由于硬件和軟件的設計過(guò)程是串行的，因此需要很長(cháng)的設計周期；而硬件抽象層能夠使軟件設計在硬件設計結 束前開(kāi)始進(jìn)行，使整個(gè)嵌入式系統的設計過(guò)程成為軟硬件設計并行的V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程，如圖2所示。這樣兩者的設計過(guò)程大致是同時(shí)進(jìn)行的或是并發(fā)的，縮短了整個(gè) 設計周期。

　
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，板級支持包BSP（Board Support Package）是現有的大多數商用嵌入式操作系統實(shí)現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與底層硬件平臺之間的相關(guān)性，使嵌 入式操作系統能夠通用于BSP所支持的硬件平臺，從而實(shí)現嵌入式操作系統的可移植性和跨平臺性，以及嵌入式操作系統的通用性、復用性。

　　然而現有應用較為廣泛的BSP形式的硬件抽象層，完全是為了現有通用或商業(yè)嵌入式操作系統在不同硬件平臺間的移植而設計的，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是緊密相關(guān)的。在同一種嵌入式微處理器的硬件平臺上支持不同嵌入式操作系統的BSP之間不僅從組成結構、向操 作系統內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的BSP不可能用于其他嵌入式操作系統。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內核的開(kāi)發(fā)和構建提供一種開(kāi)放、通用的硬件抽象層平臺，使得在某種硬件平臺上的嵌入式操作系統內核的 開(kāi)發(fā)能夠在支持這種硬件平臺的硬件抽象層上進(jìn)行。

　　2 通用硬件抽象層總體設計

　　2.1 通用硬件抽象層的功能結構設計

　　通用硬件抽象層需要為上層操作系統內核提供統一的硬件相關(guān)功能服務(wù)；而嵌入式操作系統內核主要的硬件相關(guān)部分包括系統啟動(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，通用硬件抽象層對嵌入式操作系統內核所相關(guān)的硬件平臺的基本硬件組成部分進(jìn)行抽象，提供嵌入式操作系統內核硬件平臺 的相關(guān)功能，并設計相應的通用硬件抽象層API接口。通用硬件抽象層的總體功能結構如圖3所示。

　
圖3 通用硬件抽象層總體功能結構示意圖

　　(1) 系統啟動(dòng)初始化

　　啟動(dòng)初始化功能為操作系統的啟動(dòng)和運行提供了必要的軟硬件環(huán)境。啟動(dòng)和初始化過(guò)程中，對硬件平臺的直接訪(fǎng)問(wèn)包括對CPU內核的寄存器的初始化設 置，以及對于起系統控制作用的端口寄存器的設置。通過(guò)啟動(dòng)初始化過(guò)程，為整個(gè)操作系統內核的運行提供了必要的運行環(huán)境與基礎，隔離了不同硬件平臺上嵌入式 微處理器總線(xiàn)結構、存儲系統結構的差異。

　　(2) 任務(wù)上下文管理

　　任務(wù)上下文管理負責嵌入式操作系統內核中任務(wù)管理部分中對任務(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內核所管 理的任務(wù)的重要組成部分，是CPU內核的寄存器中內容的映像，因此上下文管理的實(shí)現依賴(lài)于CPU內核中寄存器的組織，是與體系結構密切相關(guān)的。通用硬件抽 象層的任務(wù)上下文管理統一定義體系結構中的寄存器上下文的保護格式，提供了任務(wù)管理對任務(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內核中的重要組成部分。中斷異常機制是操作系統內核實(shí)現與外部設備通信、任務(wù)系統調用、進(jìn)行出錯處理以及能夠實(shí)現對任務(wù)的實(shí)時(shí)調度的重要手段。因此,硬件抽象層中斷系統的管理部分是整個(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，向嵌入式操作系統內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中斷控制器的操 作。因此，通用硬件抽象層的設計中，將中斷控制器控制的外設請求抽象成為統一的IRQ設備，嵌入式操作系統通過(guò)操作抽象IRQ設備來(lái)管理外設的中斷服務(wù)程 序以及進(jìn)行對中斷控制器的操作，從而為操作系統內核屏蔽了中斷控制器的直接操作。

　　(4) 定時(shí)管理

　　定時(shí)管理負責為操作系統內核中的時(shí)鐘滴答處理提供必要的定時(shí)機制，同時(shí)也為內核之外的系統功能提供定時(shí)服務(wù)，如TCP/IP協(xié)議棧等。操作系統 內核通過(guò)時(shí)鐘滴答處理來(lái)執行重要的定時(shí)任務(wù)（如任務(wù)時(shí)間的分配、任務(wù)運行時(shí)間統計、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內核提 供的最為基本和重要的功能之一。

　　通用硬件抽象層根據對硬件定時(shí)器的抽象為操作系統內核提供統一的抽象定時(shí)器設備，并且對定時(shí)中斷服務(wù)程序進(jìn)行了包裝，從而使嵌入式操作系統內核直接面對的是統一、通用的抽象定時(shí)器設備，通過(guò)對抽象定時(shí)器的操作來(lái)實(shí)現定時(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構設計

　　通用硬件抽象層的設計是為在各種不同硬件平臺上的嵌入式操作系統內核的開(kāi)發(fā)提供統一的硬件平臺相關(guān)的功能，因此這就要求硬件抽象層本身能夠易于 擴展和移植到不同的硬件平臺之上，才能為這種硬件平臺上嵌入式操作系統內核的開(kāi)發(fā)提供支持。與硬件平臺相關(guān)的軟件分為體系結構相關(guān)以及外圍端口寄存器操作 相關(guān)部分。體系結構相關(guān)軟件部分能夠用于與CPU內核體系結構兼容的不同嵌入式微處理器上，而對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)現設計成為圖4所示的3個(gè)層次的結構：通用層、體系結構層以及外圍層。通過(guò)這3個(gè)實(shí)現層次的劃分盡可能地實(shí)現代碼的可復用性。

　
圖4 通用硬件抽象層層次結構示意圖

　　(1) 通用層

　　通用層是以C語(yǔ)言編寫(xiě)的、不涉及體系結構及外圍端口寄存器具體操作的、能夠通用于各種硬件平臺的一層。通用層內包括： 對統一的與編譯器無(wú)關(guān)的數據類(lèi)型、抽象設備的數據結構定義，以及提供給嵌入式操作系統內核的對抽象設備的各種統一的操作服務(wù)的接口通用的實(shí)現部分。

　　通用層中抽象設備操作的實(shí)現中需要涉及的對CPU內核寄存器的操作以及對外圍I/O端口寄存器的操作，是通過(guò)調用體系結構層以及外圍層中統一定義的接口進(jìn)行的。當擴展或移植到其他硬件平臺上時(shí)，上層無(wú)須修改，而只須進(jìn)行下層替換。

　　(2) 體系結構層

　　針對各種嵌入式微處理器CPU內核的體系結構，體系結構層需要分別設計實(shí)現。體系結構層中對體系結構相關(guān)的數據類(lèi)型以及數據結構進(jìn)行定義，包括 寄存器上下文保存格式的定義以及對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，并負責通用硬件抽象層功能中體系結構相關(guān)部分的實(shí)現。實(shí)現的內 容主要是對CPU內核中各個(gè)寄存器的訪(fǎng)問(wèn)，對于中斷異常向量表的操作以及底層的中斷和異常處理。

　　體系結構層的實(shí)現是按照上層規定的調用接口來(lái)進(jìn)行的，因而針對不同的體系結構，上層通用層無(wú)須進(jìn)行修改。體系結構層中對有關(guān)I/O端口寄存器的操作通過(guò)對外圍層接口的調用來(lái)實(shí)現。

　　針對某種體系結構設計實(shí)現的體系結構層能夠通用于CPU內核體系結構兼容的嵌入式微處理器的硬件平臺上，從而易于硬件抽象層在體系結構兼容的嵌入式微處理器硬件平臺上的擴展和移植。

　　(3) 外圍層

　　外圍層是針對各種嵌入式微處理器而分別設計實(shí)現的。外圍層主要包括對外圍I/O接口和設備屬性的定義（包括中斷控制器連接的外設個(gè)數、定時(shí)器個(gè)數等），并且負責對各個(gè)外圍I/O設備端口寄存器的訪(fǎng)問(wèn)操作。外圍層的實(shí)現需要根據上層定義的接口進(jìn)行。

　　通用硬件抽象層的外圍層必須提供對存儲控制、總線(xiàn)控制、中斷控制器、定時(shí)器控制器、UART等基本I/O接口和設備的I/O端口寄存器的訪(fǎng)問(wèn)功 能。外圍層是與各種嵌入式微處理器一一對應的，在采用不同的嵌入式微處理器的硬件平臺之間，外圍層是無(wú)法通用的。因此針對新的嵌入式微處理器的通用硬件抽 象層的擴展或移植，外圍層都需要重新設計實(shí)現。

　　(4) 層次間接口的設計

　　通用硬件抽象層除了為嵌入式操作系統內核提供統一的功能服務(wù)接口外，為了便于擴展和移植到其他硬件平臺，還在各層的調用之間設計了統一的調用接 口。下層的功能實(shí)現需要按照與上層確定的接口規范來(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 編譯時(shí)進(jìn)行替換，沒(méi)有執行時(shí)的性能損失。相反，對于底層的操作直接使用宏定義能夠提高執行效率，尤其對外圍端口寄存器的操作，由于操作本身的執行時(shí)間短， 而一般函數調用則需要返回地址、參數壓棧等過(guò)程。這些開(kāi)銷(xiāo)可能超過(guò)這些I/O端口寄存器的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間，使用宏定義則沒(méi)有調用開(kāi)銷(xiāo)，從而能夠直接實(shí)現接口對底 層端口寄存器的訪(fǎng)問(wèn)而不損失操作的效率。

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