引言
為了便于操作系統(tǒng)在不同硬件結(jié)構(gòu)上進行移植，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(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。
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行的或是并發(fā)的，縮短了整個設(shè)計周期。
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)；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、任務(wù)上下文管理、中斷異常管理以及時鐘管理。因此，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，并設(shè)計相應(yīng)的通用硬件抽象層API接口。通用硬件抽象層的總體功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。
(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，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，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，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)、存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差異。
(2) 任務(wù)上下文管理
任務(wù)上下文管理負責(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。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，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，是與體系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。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。
(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。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、進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。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行了必要的包裝，向嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核屏蔽底層的中斷異常處理；同時，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(shè)計中，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)程序以及進行對中斷控制器的操作，從而為操作系統(tǒng)內(nèi)核屏蔽了中斷控制器的直接操作。
(4) 定時管理
定時管理負責(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)，如TCP/IP協(xié)議棧等。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、任務(wù)定時等待更新等），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，并且對定時中斷服務(wù)程序進行了包裝，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，通過對抽象定時器的操作來實現(xiàn)定時服務(wù)，而不必直接操作硬件定時器。
為了便于操作系統(tǒng)在不同硬件結(jié)構(gòu)上進行移植，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(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。
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行的或是并發(fā)的，縮短了整個設(shè)計周期。
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)；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、任務(wù)上下文管理、中斷異常管理以及時鐘管理。因此，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，并設(shè)計相應(yīng)的通用硬件抽象層API接口。通用硬件抽象層的總體功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。
(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，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，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，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)、存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差異。
(2) 任務(wù)上下文管理
任務(wù)上下文管理負責(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。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，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，是與體系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。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。
(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。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、進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。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行了必要的包裝，向嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核屏蔽底層的中斷異常處理；同時，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(shè)計中，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)程序以及進行對中斷控制器的操作，從而為操作系統(tǒng)內(nèi)核屏蔽了中斷控制器的直接操作。
(4) 定時管理
定時管理負責(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)，如TCP/IP協(xié)議棧等。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、任務(wù)定時等待更新等），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，并且對定時中斷服務(wù)程序進行了包裝，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，通過對抽象定時器的操作來實現(xiàn)定時服務(wù)，而不必直接操作硬件定時器。