嵌入式操作系統(tǒng)的通用硬件抽象層設(shè)計方案

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)計成硬件抽象層美國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所支持的硬件平臺上的移植，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。
　　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(jī)系統(tǒng)。它自底向上包括3個主要部分：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)境是整個嵌入式操作系統(tǒng)和 應(yīng)用程序運(yùn)行的硬件平臺，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)。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，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。
　　
　　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)。
　　在整個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程中，硬件抽象層同樣發(fā)揮著不可替代的作用。傳統(tǒng)的設(shè)計流程是采用瀑布式設(shè)計開發(fā)過程，首先是硬件平臺的制作和調(diào)試，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，因此需要很長的設(shè)計周期；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，如圖2所示。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。
　　
　　圖2 硬件抽象層引入后的V開發(fā)模式
　　1.2 BSP分析
　　作為硬件抽象層的一種實現(xiàn)，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，使嵌 入式操作系統(tǒng)能夠通用于BSP所支持的硬件平臺，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、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)在不同硬件平臺間的移植而設(shè)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(tǒng)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(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 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)核的開發(fā)和構(gòu)建提供一種開放、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(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。