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| -- 作者：wangxinxin -- 發(fā)布時間：2010-11-19 10:01:29 -- 嵌入式系統(tǒng)硬件抽象層的原理與實現(xiàn) 摘要：板級支持包（BSP）是嵌入式系統(tǒng)中常用的硬件抽象形式，是介于操作系統(tǒng)和硬件之間的軟件層次。介紹BSP的功能和特點，并結(jié)合工作實踐提出了設(shè)計BSP的一般方法；最后針對當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)中BSP的設(shè)計方法所面臨的問題提出了可行的解決辦法。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS） 硬件抽象層（HAL） 板級支持包（BSP） 隨著計算機硬件技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的便攜設(shè)備和智能設(shè)備。這些設(shè)備中通常包含控制用的CPU和相應(yīng)的操作系統(tǒng)；這類特殊的計算機系統(tǒng)叫做嵌入式實時系統(tǒng)。嵌入式實時系統(tǒng)以其簡潔高效等特點在計算機、通信等領(lǐng)域中廣泛使用。 由于嵌入式實時系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的特殊性，因此在設(shè)計實現(xiàn)過程中存在著許多特殊問題。其中，操作系統(tǒng)及其他系統(tǒng)軟件模塊與硬件之間的接口形式是嵌入式實時系統(tǒng)的主要特征和系統(tǒng)設(shè)計過程中的必需環(huán)節(jié)，也是影響嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用前景的關(guān)鍵問題。經(jīng)過近些年的發(fā)展，隨著通用嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)的日趨成熟和應(yīng)用的不斷擴大，一種統(tǒng)一的接口形式得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，這就是通常所說的板級支持包，即BSP。 1 嵌入式系統(tǒng)硬件抽象層的原理 1.1 硬件抽象層的引入 嵌入式實時系統(tǒng)作為一類特殊的計算機系統(tǒng)自底向上包含三個部分，如圖1所示。 （1）硬件環(huán)境：是整個嵌入式實時操作系統(tǒng)實時應(yīng)用程序運行的硬件平臺；不同的應(yīng)用通常有不同的硬件環(huán)境；硬件平臺的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的一個主要特點。 （2）嵌入式實時操作系統(tǒng)——RTOS：完成嵌入式實時應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能，具有內(nèi)核較精簡、可配置、與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)等特點。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對不變性。 （3）嵌入式實時應(yīng)用程序：運行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的實時機制完成特定功能的嵌入式應(yīng)用。不同的系統(tǒng)需要設(shè)計不同的嵌入式實時應(yīng)用程序。 由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的硬件環(huán)境差異較大，因此，如何簡潔有效地使嵌入式系統(tǒng)能夠應(yīng)用于各種不同的應(yīng)用環(huán)境是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中所必須解決的關(guān)鍵問題。 經(jīng)過不斷的發(fā)展，原先嵌入式系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)逐步演化成為一種四層結(jié)構(gòu)。這個新增加的中間層次位于操作系統(tǒng)和硬件之間，包含了系統(tǒng)中與硬件相關(guān)的大部分功能。通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息；并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對硬件的直接操作。由于引入了一個中間層次，展蔽了底層硬件的多樣性，操作系統(tǒng)不再直接面對具體的硬件環(huán)境。而是面向由這個中間層次所代表的、邏輯上的硬件環(huán)境。因此，把這個中間層次叫做硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）。在目前的嵌入式領(lǐng)域中通常也把HAL叫做板級支持包BSP（Board Support Package）。圖2顯示了引入HAL以后的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。BSP的引入大大推動了嵌入式實時操作系統(tǒng)的通用化，從而為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能。 1.2 BSP的特點與功能 HAL/BSP的提出使通用的嵌入式操作系統(tǒng)及高層的嵌入式應(yīng)用能夠有效地運行于特定的、應(yīng)用相關(guān)的硬件環(huán)境之上，使擔(dān)任系統(tǒng)和應(yīng)用程序能夠控制和操作具體的硬件設(shè)備，完成特定的功能。因此，在絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)中，BSP是一個必不可少的層次。 由于在系統(tǒng)中的特殊位置，因此BSP具有以下主要特點： （1）硬件相關(guān)性 因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性，所以，作為高層軟件與硬件之間的接口，BSP必須為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。 （2）操作系統(tǒng)相關(guān)性 不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)， 因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。 在實現(xiàn)上，BSP是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件相關(guān)的軟件模塊。在功能上包含兩部分：系統(tǒng)初始化及與硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。 2 BSP的設(shè)計與實現(xiàn) 為實現(xiàn)上述兩部分功能，設(shè)計一個完整的BSP需要完成兩部分工作： （1）設(shè)計初始化過程，完成嵌入式系統(tǒng)的初始化； （2）設(shè)計硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動，完成操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序?qū)唧w硬件的操作。 2.1 嵌入式系統(tǒng)初始化以及BSP的功能 嵌入式系統(tǒng)的初始化過程是一個同時包括硬件初始化和軟件（主要是操作系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件模塊）初始化的過程；而操作系統(tǒng)啟動以前的初始化操作是BSP的主要功能之一。由于嵌入式系統(tǒng)不僅具有硬件環(huán)境的多樣性，同時具有軟件的可配置性，因此，不同的嵌入式系統(tǒng)初始化所涉及的內(nèi)容各不相同，復(fù)雜程度也不盡相同。但是初始化過程總是可以抽象為三個主要環(huán)境，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為：片級初始化、板級初始化和系統(tǒng)級初始化。 （1）片級初始化：主要完成CPU的初始化，包括設(shè)置CPU的核心寄存器和控制寄存器，CPU核心工作模式以及CPU的局部總線模式等。片級初始化把CPU從上電時的缺省狀態(tài)逐步設(shè)置成為系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個純硬件的初始化過程。 （2）板級初始化：完成CPU以外的其他硬件設(shè)備的初始化。除此之外，還要設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級初始化和應(yīng)用程序的運行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個同時飲食軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過程。 （3）系統(tǒng)級初始化：這是一個以軟件初始化為主的過程，主要進行操作系統(tǒng)初始化。BSP將控制轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)進行余下的初始化操作。包括加載和初始化與硬件無關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，比如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等；最后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境并將控制轉(zhuǎn)交給應(yīng)用程序的入口。 經(jīng)過以上三個層次的操作，嵌入式系統(tǒng)運行所需要的硬件和軟件環(huán)境已經(jīng)進行了正確設(shè)置，從這里開始，高層的實時應(yīng)用程序可以運行了。 需要指出：系統(tǒng)級初始化不是BSP的工作。但是，系統(tǒng)級初始化成功與否的關(guān)鍵在于BSP的前兩個初始化過程中所進行的軟件和硬件的正確設(shè)置，而且系統(tǒng)級初始化也是由BSP發(fā)起的。因此，設(shè)計BSP中初始化功能的重點主要集中在前兩個環(huán)節(jié)。圖3顯示了嵌入式系統(tǒng)的初始化過程。 2.2 硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序 BSP另一個主要功能是硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。與初始化過程相反，硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序的初始化和使用通常是一個從高層到底層的過程。 盡管BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，但是這些設(shè)備驅(qū)動程序通常不直接由BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過程中由BSP把它們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來，并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用，實現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作。設(shè)計與硬件相關(guān)的驅(qū)動程序是BSP設(shè)計中另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖4顯示了調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序時系統(tǒng)各個層次之間的關(guān)系。
3 設(shè)計實現(xiàn)BSP的方法 3.1 設(shè)計實現(xiàn)BSP的一般方法 因為BSP同時具硬件相關(guān)性和操作系統(tǒng)相關(guān)性，是一個介于硬件與軟件之間的中間層次。因此BSP的開發(fā)不僅需要具備一定的硬件知識，例如CPU的控制、中斷控制器的設(shè)置、內(nèi)存控制器的設(shè)置及有關(guān)的總線規(guī)范等；同時還要求掌握操作系統(tǒng)所定義的BSP接口。另外，在BSP的初始化部分通常會包含一些匯編代碼，因此還要求對所使用的CPU匯編指令有所了解，例如X86的匯編和PowerPC的匯編指令等；對于某些復(fù)雜的BSP還要了解所使用的開發(fā)工具，例如GNU、Diab Data等。 總之，開發(fā)BSP要求具備比較全面的軟、硬件知識和必要的編程經(jīng)驗。由于設(shè)計實現(xiàn)的復(fù)雜性，在設(shè)計特定BSP時很少從零開始，而是采用以下兩種快捷方法。 方法一：以經(jīng)典BSP為參考 在設(shè)計BSP時，首先選擇與應(yīng)用硬件環(huán)境最為相似的參考設(shè)計，例如Motorola的ADS系列評估板等。針對這些評估板，不同的操作系數(shù)都會提供完整的BSP，這些BSP是學(xué)習(xí)和開發(fā)自己BSP的最佳參考。針對具體應(yīng)用的特定環(huán)境對參考設(shè)計的BSP進行必要的修改和增加，就可以完成簡單的BSP設(shè)計。 下面以設(shè)計pSOS操作系統(tǒng)的BSP初始化過程為例。PSOS系統(tǒng)初始化的層次非常清晰，與初始化過程相對應(yīng)的是以下三個文件： 1）init.s：對應(yīng)于片級初始化；完成CPU的初始化操作，設(shè)置CPU的工作狀態(tài)； 2）board.c：對慶于板級初始化；繼續(xù)CPU初始化，并設(shè)置CPU以外的硬件設(shè)備； 3)sysinit.c：對應(yīng)于系統(tǒng)級初始化；完成操作系統(tǒng)的初始化，并啟動應(yīng)用程序。 以參考BSP為切入點，針對初始化過程的具體環(huán)節(jié)，在對應(yīng)的文件中進行某些參數(shù)的修改及功能的增加就可以實現(xiàn)BSP的系統(tǒng)初始化功能。 因為BSP具有操作系統(tǒng)相關(guān)性，因此，不同的操作系統(tǒng)會使用不同的文件完成類似的初初化操作。 BSP中硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序隨操作系統(tǒng)的不同而具有比較大的差異，設(shè)計過程中應(yīng)參照操作系統(tǒng)相應(yīng)的接口規(guī)范。 方法二：使用操作系統(tǒng)提供的BSP模板 除了提供某些評估板的BPS以外，很多操作系統(tǒng)還提供相應(yīng)的BSP模板（一組需要編寫的文件），根據(jù)模板的提示也可以逐步完成特定BSP的設(shè)計。 相比較而言，第一種方法最為簡單快捷。因此，在實際的設(shè)計過程中，通常以第一種方法為主，同時結(jié)合使用第二種方法。 在設(shè)計實現(xiàn)BSP兩部分功能時應(yīng)采用以下兩種不同方法： （1）“自底向上”地實現(xiàn)BSP中的初始化操作：從片級初始化開始到系統(tǒng)初始化； （2）“自頂向下”地設(shè)計硬件相關(guān)的驅(qū)動程序：從API開始，到操作系統(tǒng)內(nèi)部的通用設(shè)備驅(qū)動程序，再到BSP內(nèi)部的硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，最后到底層具體的硬件設(shè)備。
3.2 BSP設(shè)計方法的不足與改進 從以上介紹的兩種設(shè)計方法可以看出：目前BSP的設(shè)計與實現(xiàn)主要是針對某些特定的文件進行修改。這種方法比較原始，它不僅要求設(shè)計人員了解BSP的各個組成部分及所對應(yīng)的文件和相關(guān)參數(shù)的具體含義，還要求具備比較全面的軟硬件知識。直接修改相關(guān)文件容易造成代碼的不一致性，增加軟件設(shè)計上的隱形錯誤，從而增加系統(tǒng)調(diào)試和代碼維護的難度。隨著底層硬件功能的日益復(fù)雜，開發(fā)BSP所涉及的內(nèi)容也越來越多。這種原始方法的足之處也越來越突出。進行BSP設(shè)計方法和工具的創(chuàng)新成為一個日益突出的問題。 解決這個問題的一個可行辦法是：設(shè)計實現(xiàn)一種具有圖形界面的BSP開發(fā)設(shè)計向?qū)В稍撓驅(qū)е笇?dǎo)設(shè)計者逐步完成BSP的設(shè)計和開發(fā)，并最終由向?qū)上鄳?yīng)的BSP文件，而不再由設(shè)計人員直接對源文件進行修改。這樣不僅可以大大縮短BSP的開發(fā)周期，減少代碼不一致性，而且系統(tǒng)排錯、調(diào)試以及維護都很簡單。因此，這種方法是目前嵌入式領(lǐng)域中BSP設(shè)計的一個趨勢和研究方向。但是，由于嵌入式系統(tǒng)硬件環(huán)境的多樣性，設(shè)計向?qū)У膶崿F(xiàn)仍需解決若干關(guān)鍵問題。為此，作者仍將在這一方面作進一步研究。 |