姓名：李萌怡? 學(xué)號：19020100103? 學(xué)院：電子工程學(xué)院

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【嵌牛導(dǎo)讀】為了便于操作系統(tǒng)在不同硬件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行移植滩愁，美國微軟公司首先提出了將操作系統(tǒng)底層與硬件相關(guān)的部分單獨設(shè)計成硬件抽象層 HAL（Hardware Abstraction Layer）的思想横浑。硬件抽象層的引入大大推動了嵌入式操作系統(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。然而捧毛，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所支持的硬件平臺上的移植吼畏，而對絕大多數(shù)需要根據(jù)不同嵌入式應(yīng)用而專門定制的嵌入式操作系統(tǒng)來說能起的作用則非常有限。?

【嵌牛鼻子】：硬件抽象層

【嵌牛提問】：對于嵌入式系統(tǒng)埠褪，硬件抽象層的概念是怎樣的浓利？由哪些部分組成挤庇？

【嵌牛正文】

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 類特殊的計算機系統(tǒng)。它自底向上包括3個主要部分：硬件環(huán)境贷掖、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用程序嫡秕。硬件環(huán)境是整個嵌入式操作系統(tǒng)和應(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)境苹威；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)境昆咽，是嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展中所必須解決的關(guān)鍵問題。?

硬件抽象層通過硬件抽象層接口向操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序提供對硬件進(jìn)行抽象后的服務(wù)牙甫。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)計時掷酗，只要硬件抽象層API能夠在下層硬件平臺上實現(xiàn)，那么操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的代碼就可以移植窟哺。?

這樣泻轰，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)且轨。?

在整個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程中浮声，硬件抽象層同樣發(fā)揮著不可替代的作用。傳統(tǒng)的設(shè)計流程是采用瀑布式設(shè)計開發(fā)過程旋奢，首先是硬件平臺的制作和調(diào)試泳挥，而后是在已 經(jīng)定型的硬件平臺的基礎(chǔ)上再進(jìn)行軟件設(shè)計。由于硬件和軟件的設(shè)計過程是串行的至朗，因此需要很長的設(shè)計周期屉符；而硬件抽象層能夠使軟件設(shè)計在硬件設(shè)計結(jié)束前開始 進(jìn)行，使整個嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程成為軟硬件設(shè)計并行的V模式開發(fā)過程锹引，如圖2所示矗钟。這樣兩者的設(shè)計過程大致是同時進(jìn)行的或是并發(fā)的，縮短了整個設(shè)計周期粤蝎。

1.2 BSP分析?

作為硬件抽象層的一種實現(xiàn)真仲，板級支持包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)與底層硬件平臺之間的相關(guān)性初澎，使嵌 入式操作系統(tǒng)能夠通用于BSP所支持的硬件平臺秸应，從而實現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性和跨平臺性，以及嵌入式操作系統(tǒng)的通用性碑宴、復(fù)用性软啼。?

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)在不同硬件平臺間的移植而設(shè)計的延柠，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)的祸挪。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(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)的接口都完全不同贞间，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)贿条。這種硬件抽象層是一種封閉的專用硬件抽 象層雹仿。因此，我們提出了為上層嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的開發(fā)和構(gòu)建提供一種開放整以、通用的硬件抽象層平臺胧辽，使得在某種硬件平臺上的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的開發(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(shè)計

2.1 通用硬件抽象層的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)公黑；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 動初始化邑商、任務(wù)上下文管理、中斷異常管理以及時鐘管理凡蚜。因此人断，通用硬件抽象層對嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)核硬件平臺的相關(guān)功能朝蜘，并設(shè)計相應(yīng)的通用硬件抽象層API接口恶迈。

(1) 系統(tǒng)啟動初始化?

啟動初始化功能為操作系統(tǒng)的啟動和運行提供了必要的軟硬件環(huán)境。啟動和初始化過程中谱醇，對硬件平臺的直接訪問包括對CPU內(nèi)核的寄存器的初始化設(shè)置蝉绷，以及 對于起系統(tǒng)控制作用的端口寄存器的設(shè)置。通過啟動初始化過程枣抱，為整個操作系統(tǒng)內(nèi)核的運行提供了必要的運行環(huán)境與基礎(chǔ)，隔離了不同硬件平臺上嵌入式微處理器 總線結(jié)構(gòu)辆床、存儲?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差異佳晶。?

(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)管理部分中對任務(wù)寄存器上下文的創(chuàng)建、刪除以及切換等操作讼载。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) 的重要組成部分轿秧，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現(xiàn)依賴于CPU內(nèi)核中寄存器的組織咨堤，是與體系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的菇篡。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接口一喘。?

(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驱还。中斷異常機制是操作系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)與外部設(shè)備通信、任務(wù)系統(tǒng)調(diào)用凸克、進(jìn)行出錯處理以及能夠?qū)崿F(xiàn)對任務(wù)的實時調(diào)度的重要手段议蟆。因此,硬件抽象層中斷系統(tǒng)的管理部分是整個硬件抽象層中的關(guān)鍵。?

通用硬件抽象層中為中斷異常處理進(jìn)行了必要的包裝萎战，向嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核屏蔽底層的中斷異常處理咐容；同時，由于中斷管理必須涉及對中斷控制器的操作蚂维。因 此戳粒，通用硬件抽象層的設(shè)計中路狮，將中斷控制器控制的外設(shè)請求抽象成為統(tǒng)一的IRQ設(shè)備，嵌入式操作系統(tǒng)通過操作抽象IRQ設(shè)備來管理外設(shè)的中斷服務(wù)程序以及 進(jìn)行對中斷控制器的操作蔚约，從而為操作系統(tǒng)內(nèi)核屏蔽了中斷控制器的直接操作奄妨。?

(4) 定時管理?

定時管理負(fù)責(zé)為操作系統(tǒng)內(nèi)核中的時鐘滴答處理提供必要的定時機制，同時也為內(nèi)核之外的系統(tǒng)功能提供定時服務(wù)炊琉，如TCP/IP協(xié)議棧等展蒂。操作系統(tǒng)內(nèi)核通過時鐘滴答處理來執(zhí)行重要的定時任務(wù)（如任務(wù)時間的分配、任務(wù)運行時間統(tǒng)計苔咪、任務(wù)定時等待更新等）锰悼，因此定時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)對硬件定時器的抽象為操作系統(tǒng)內(nèi)核提供統(tǒng)一的抽象定時器設(shè)備团赏，并且對定時中斷服務(wù)程序進(jìn)行了包裝箕般，從而使嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核直接面對的是統(tǒng)一、通用的抽象定時器設(shè)備舔清，通過對抽象定時器的操作來實現(xiàn)定時服務(wù)丝里，而不必直接操作硬件定時器。?

2.2 通用硬件抽象層的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計?

通用硬件抽象層的設(shè)計是為在各種不同硬件平臺上的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的開發(fā)提供統(tǒng)一的硬件平臺相關(guān)的功能体谒，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杯聚，才能為這種硬件平臺上嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的開發(fā)提供支持。與硬件平臺相關(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 分抒痒。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幌绍，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故响。因此傀广，通用 硬件抽象層功能的實現(xiàn)設(shè)計成為圖4所示的3個層次的結(jié)構(gòu)：通用層、體系結(jié)構(gòu)層以及外圍層彩届。通過這3個實現(xiàn)層次的劃分盡可能地實現(xiàn)代碼的可復(fù)用性伪冰。

(1) 通用層?

通用層是以C語言編寫的、不涉及體系結(jié)構(gòu)及外圍端口寄存器具體操作的樟蠕、能夠通用于各種硬件平臺的一層贮聂。通用層內(nèi)包括： 對統(tǒng)一的與編譯器無關(guān)的數(shù)據(jù)類型、抽象設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義坯墨，以及提供給嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的對抽象設(shè)備的各種統(tǒng)一的操作服務(wù)的接口通用的實現(xiàn)部分寂汇。?

通用層中抽象設(shè)備操作的實現(xiàn)中需要涉及的對CPU內(nèi)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)行的捣染。當(dāng)擴展或移植到其他硬件平臺上時骄瓣，上層無須修改，而只須進(jìn)行下層替換。?

(2) 體系結(jié)構(gòu)層?

針對各種嵌入式微處理器CPU內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)榕栏，體系結(jié)構(gòu)層需要分別設(shè)計實現(xiàn)畔勤。體系結(jié)構(gòu)層中對體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)類型以及數(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中斷異常向量起始地址扒磁、各種異常和中斷處理的入口偏移等庆揪，并負(fù)責(zé)通用硬件抽象層功能中體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分的實現(xiàn)。實現(xiàn)的內(nèi)容主要是 對CPU內(nèi)核中各個寄存器的訪問妨托，對于中斷異常向量表的操作以及底層的中斷和異常處理缸榛。?

體系結(jié)構(gòu)層的實現(xiàn)是按照上層規(guī)定的調(diào)用接口來進(jìn)行的，因而針對不同的體系結(jié)構(gòu)兰伤，上層通用層無須進(jìn)行修改内颗。體系結(jié)構(gòu)層中對有關(guān)I/O端口寄存器的操作通過對外圍層接口的調(diào)用來實現(xiàn)。?

針對某種體系結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(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上敦腔，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上的擴展和移植均澳。

(3) 外圍層?

外圍層是針對各種嵌入式微處理器而分別設(shè)計實現(xiàn)的。外圍層主要包括對外圍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)個數(shù)符衔、定時器個數(shù)等）找前，并且負(fù)責(zé)對各個外圍I/O設(shè)備端口寄存器的訪問操作。外圍層的實現(xiàn)需要根據(jù)上層定義的接口進(jìn)行判族。?

通用硬件抽象層的外圍層必須提供對存儲?控 制躺盛、總線控制、中斷控制器形帮、定時器控制器颗品、UART等基本I/O接口和設(shè)備的I/O端口寄存器的訪問功能。外圍層是與各種嵌入式微處理器一一對應(yīng)的沃缘，在采 用不同的嵌入式微處理器的硬件平臺之間，外圍層是無法通用的则吟。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槐臀，外圍層都需要重新設(shè)計實現(xiàn)。?

(4) 層次間接口的設(shè)計?

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)接口外氓仲，為了便于擴展和移植到其他硬件平臺水慨，還在各層的調(diào)用之間設(shè)計了統(tǒng)一的調(diào)用接口。下層 的功能實現(xiàn)需要按照與上層確定的接口規(guī)范來進(jìn)行敬扛。其中某些上下層之間的接口晰洒，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)編譯時進(jìn) 行替換啥箭，沒有執(zhí)行時的性能損失谍珊。相反，對于底層的操作直接使用宏定義能夠提高執(zhí)行效率急侥，尤其對外圍端口寄存器的操作砌滞，由于操作本身的執(zhí)行時間短侮邀，而一般函 數(shù)調(diào)用則需要返回地址、參數(shù)壓棧等過程贝润。這些開銷可能超過這些I/O端口寄存器的訪問時間绊茧，使用宏定義則沒有調(diào)用開銷，從而能夠直接實現(xiàn)接口對底層端口寄 存器的訪問而不損失操作的效率打掘。