嵌入式操作系统的通用硬件抽象层设计
时间：03-26
来源：单片机与嵌入式系统应用
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2.2 通用硬件抽象层的层次结构设计
通用硬件抽象层的设计是为在各种不同硬件平台上的嵌入式操作系统内核的开发提供统一的硬件平台相关的功能，因此这就要求硬件抽象层本身能够易于扩展和移植到不同的硬件平台之上，才能为这种硬件平台上嵌入式操作系统内核的开发提供支持。与硬件平台相关的软件分为体系结构相关以及外围端口寄存器操作相关部分。体系结构相关软件部分能够用于与CPU内核体系结构兼容的不同嵌入式微处理器上，而对外围端口寄存器的操作，则每种嵌入式微处理器都不同。因此，通用硬件抽象层功能的实现设计成为图4所示的3个层次的结构：通用层、体系结构层以及外围层。通过这3个实现层次的划分尽可能地实现代码的可复用性。
(1) 通用层
通用层是以C语言编写的、不涉及体系结构及外围端口寄存器具体操作的、能够通用于各种硬件平台的一层。通用层内包括： 对统一的与编译器无关的数据类型、抽象设备的数据结构定义，以及提供给嵌入式操作系统内核的对抽象设备的各种统一的操作服务的接口通用的实现部分。
通用层中抽象设备操作的实现中需要涉及的对CPU内核寄存器的操作以及对外围I/O端口寄存器的操作，是通过调用体系结构层以及外围层中统一定义的接口进行的。当扩展或移植到其他硬件平台上时，上层无须修改，而只须进行下层替换。
(2) 体系结构层
针对各种嵌入式微处理器CPU内核的体系结构，体系结构层需要分别设计实现。体系结构层中对体系结构相关的数据类型以及数据结构进行定义，包括寄存器上下文保存格式的定义以及对中断异常向量起始地址、各种异常和中断处理的入口偏移等，并负责通用硬件抽象层功能中体系结构相关部分的实现。实现的内容主要是对CPU内核中各个寄存器的访问，对于中断异常向量表的操作以及底层的中断和异常处理。
体系结构层的实现是按照上层规定的调用接口来进行的，因而针对不同的体系结构，上层通用层无须进行修改。体系结构层中对有关I/O端口寄存器的操作通过对外围层接口的调用来实现。
针对某种体系结构设计实现的体系结构层能够通用于CPU内核体系结构兼容的嵌入式微处理器的硬件平台上，从而易于硬件抽象层在体系结构兼容的嵌入式微处理器硬件平台上的扩展和移植。
(3) 外围层
外围层是针对各种嵌入式微处理器而分别设计实现的。外围层主要包括对外围I/O接口和设备属性的定义（包括中断控制器连接的外设个数、定时器个数等），并且负责对各个外围I/O设备端口寄存器的访问操作。外围层的实现需要根据上层定义的接口进行。
通用硬件抽象层的外围层必须提供对存储控制、总线控制、中断控制器、定时器控制器、UART等基本I/O接口和设备的I/O端口寄存器的访问功能。外围层是与各种嵌入式微处理器一一对应的，在采用不同的嵌入式微处理器的硬件平台之间，外围层是无法通用的。因此针对新的嵌入式微处理器的通用硬件抽象层的扩展或移植，外围层都需要重新设计实现。
(4) 层次间接口的设计
通用硬件抽象层除了为嵌入式操作系统内核提供统一的功能服务接口外，为了便于扩展和移植到其他硬件平台，还在各层的调用之间设计了统一的调用接口。下层的功能实现需要按照与上层确定的接口规范来进行。其中某些上下层之间的接口，尤其是外围层与上层之间的接口是使用宏定义的方式进行的。宏定义在预编译时进行替换，没有执行时的性能损失。相反，对于底层的操作直接使用宏定义能够提高执行效率，尤其对外围端口寄存器的操作，由于操作本身的执行时间短，而一般函数调用则需要返回地址、参数压栈等过程。这些开销可能超过这些I/O端口寄存器的访问时间，使用宏定义则没有调用开销，从而能够直接实现接口对底层端口寄存器的访问而不损失操作的效率。
参考文献
[1] Fernando Friedrich L, John Stankovic, et al. A Survey of Configurable, Componentbased Operating System for Embedded Applications, IEEE MICRO, 2001,5~6：54-68.
[2] Labrosse J. 嵌入式系统构件. 第2版. 袁勤勇，黄绍金，唐青，译. 北京：机械工业出版社，2001.
[3] 罗蕾. 嵌入式实时操作系统及应用开发. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4] 王涛，张伟良，冯重熙. 嵌入式系统硬件抽象层原理与实现. 电子技术应用，2001(10)
通用硬件抽象层的设计是为在各种不同硬件平台上的嵌入式操作系统内核的开发提供统一的硬件平台相关的功能，因此这就要求硬件抽象层本身能够易于扩展和移植到不同的硬件平台之上，才能为这种硬件平台上嵌入式操作系统内核的开发提供支持。与硬件平台相关的软件分为体系结构相关以及外围端口寄存器操作相关部分。体系结构相关软件部分能够用于与CPU内核体系结构兼容的不同嵌入式微处理器上，而对外围端口寄存器的操作，则每种嵌入式微处理器都不同。因此，通用硬件抽象层功能的实现设计成为图4所示的3个层次的结构：通用层、体系结构层以及外围层。通过这3个实现层次的划分尽可能地实现代码的可复用性。
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| 图4 通用硬件抽象层层次结构示意图 |
(1) 通用层
通用层是以C语言编写的、不涉及体系结构及外围端口寄存器具体操作的、能够通用于各种硬件平台的一层。通用层内包括： 对统一的与编译器无关的数据类型、抽象设备的数据结构定义，以及提供给嵌入式操作系统内核的对抽象设备的各种统一的操作服务的接口通用的实现部分。
通用层中抽象设备操作的实现中需要涉及的对CPU内核寄存器的操作以及对外围I/O端口寄存器的操作，是通过调用体系结构层以及外围层中统一定义的接口进行的。当扩展或移植到其他硬件平台上时，上层无须修改，而只须进行下层替换。
(2) 体系结构层
针对各种嵌入式微处理器CPU内核的体系结构，体系结构层需要分别设计实现。体系结构层中对体系结构相关的数据类型以及数据结构进行定义，包括寄存器上下文保存格式的定义以及对中断异常向量起始地址、各种异常和中断处理的入口偏移等，并负责通用硬件抽象层功能中体系结构相关部分的实现。实现的内容主要是对CPU内核中各个寄存器的访问，对于中断异常向量表的操作以及底层的中断和异常处理。
体系结构层的实现是按照上层规定的调用接口来进行的，因而针对不同的体系结构，上层通用层无须进行修改。体系结构层中对有关I/O端口寄存器的操作通过对外围层接口的调用来实现。
针对某种体系结构设计实现的体系结构层能够通用于CPU内核体系结构兼容的嵌入式微处理器的硬件平台上，从而易于硬件抽象层在体系结构兼容的嵌入式微处理器硬件平台上的扩展和移植。
(3) 外围层
外围层是针对各种嵌入式微处理器而分别设计实现的。外围层主要包括对外围I/O接口和设备属性的定义（包括中断控制器连接的外设个数、定时器个数等），并且负责对各个外围I/O设备端口寄存器的访问操作。外围层的实现需要根据上层定义的接口进行。
通用硬件抽象层的外围层必须提供对存储控制、总线控制、中断控制器、定时器控制器、UART等基本I/O接口和设备的I/O端口寄存器的访问功能。外围层是与各种嵌入式微处理器一一对应的，在采用不同的嵌入式微处理器的硬件平台之间，外围层是无法通用的。因此针对新的嵌入式微处理器的通用硬件抽象层的扩展或移植，外围层都需要重新设计实现。
(4) 层次间接口的设计
通用硬件抽象层除了为嵌入式操作系统内核提供统一的功能服务接口外，为了便于扩展和移植到其他硬件平台，还在各层的调用之间设计了统一的调用接口。下层的功能实现需要按照与上层确定的接口规范来进行。其中某些上下层之间的接口，尤其是外围层与上层之间的接口是使用宏定义的方式进行的。宏定义在预编译时进行替换，没有执行时的性能损失。相反，对于底层的操作直接使用宏定义能够提高执行效率，尤其对外围端口寄存器的操作，由于操作本身的执行时间短，而一般函数调用则需要返回地址、参数压栈等过程。这些开销可能超过这些I/O端口寄存器的访问时间，使用宏定义则没有调用开销，从而能够直接实现接口对底层端口寄存器的访问而不损失操作的效率。
参考文献
[1] Fernando Friedrich L, John Stankovic, et al. A Survey of Configurable, Componentbased Operating System for Embedded Applications, IEEE MICRO, 2001,5~6：54-68.
[2] Labrosse J. 嵌入式系统构件. 第2版. 袁勤勇，黄绍金，唐青，译. 北京：机械工业出版社，2001.
[3] 罗蕾. 嵌入式实时操作系统及应用开发. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4] 王涛，张伟良，冯重熙. 嵌入式系统硬件抽象层原理与实现. 电子技术应用，2001(10)
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