嵌入式系統HAL原理與BSP的實現方法

隨著計算機軟硬件技術的快速發展,出現了越來越多的便攜設備和智能設備。這些設備中通常包含控制用的CPU和相應的操作系統;這類特殊的計算機系統叫做嵌入式實時系統。嵌入式實時系統以其簡潔高效等特點在計算機、通信等領域中廣泛使用。
由于嵌入式實時系統應用環境的特殊性,因此在設計實現過程中存在著許多特殊問題。其中,操作系統及其他系統軟件模塊與硬件之間的接口形式是嵌入式實時系 統的主要特征和系統設計過程中的必需環節,也是影響嵌入式系統應用前景的關鍵問題。經過近些年的發展,隨著通用嵌入式操作系統技術的日趨成熟和應用的不斷 擴大,一種統一的接口形式得到廣泛的認可和應用,這就是通常所說的板級支持包,即BSP。
1 嵌入式系統硬件抽象層的原理
1.1 硬件抽象層的引入

嵌入式實時系統作為一類特殊的計算機系統自底向上包含三個部分,如圖1所示。

(1)硬件環境:是整個嵌入式實時操作系統和實時應用程序運行的硬件平臺;不同的應用通常有不同的硬件環境;硬件平臺的多樣性是嵌入式系統的一個主要特點。
(2)嵌入式實時操作系統——RTOS:完成嵌入式實時應用的任務調度和控制等核心功能,具有內核較精簡、可配置、與高層應用緊密關聯等特點。嵌入式操作系統具有相對不變性。
(3)嵌入式實時應用程序:運行于操作系統之上,利用操作系統提供的實時機制完成特定功能的嵌入式應用。不同的系統需要設計不同的嵌入式實時應用程序。
由于嵌入式系統應用的硬件環境差異較大,因此,如何簡潔有效地使嵌入式系統能夠應用于各種不同的應用環境是嵌入式系統發展中所必須解決的關鍵問題。
經過不斷的發展,原先嵌入式系統的三層結構逐步演化成為一種四層結構。這個新增加的中間層次位于操作系統和硬件之間,包含了系統中與硬件相關的大部分功 能。通過特定的上層接口與操作系統進行交互,向操作系統提供底層的硬件信息;并根據操作系統的要求完成對硬件的直接操作。由于引入了一個中間層次,屏蔽了 底層硬件的多樣性,操作系統不再直接面對具體的硬件環境。而是面向由這個中間層次所代表的、邏輯上的硬件環境。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以后的嵌入式系統結構。BSP的引入大大推動了嵌入式實時操作系統的通用化,從而為嵌入式系統的廣泛應用提供了可能。

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及高層的嵌入式應用能夠有效地運行于特定的、應用相關的硬件環境之上,使操作系統和應用程序能夠控制和操作具體的硬件設備,完成特定的功能。因此,在絕大多數的嵌入式系統中,BSP是一個必不可少的層次。
由于在系統中的特殊位置,因此BSP具有以下主要特點:
(1)硬件相關性
因為嵌入式實時系統的硬件環境具有應用相關性,所以,作為高層軟件與硬件之間的接口,BSP必須為操作系統提供操作和控制具體硬件的方法。
(2)操作系統相關性
不同的操作系統具有各自的軟件層次結構,因此,不同的操作系統具有特定的硬件接口形式。
在實現上,BSP是一個介于操作系統和底層硬件之間的軟件層次,包括了系統中大部分與硬件相關的軟件模塊。在功能上包含兩部分:系統初始化及與硬件相關的設備驅動。

2 BSP的設計與實現
為實現上述兩部分功能,設計一個完整的BSP需要完成兩部分工作:
(1)設計初始化過程,完成嵌入式系統的初始化;
(2)設計硬件相關的設備驅動,完成操作系統及應用程序對具體硬件的操作。
2.1 嵌入式系統初始化以及BSP的功能
嵌入式系統的初始化過程是一個同時包括硬件初始化和軟件(主要是操作系統及系統軟件模塊)初始化的過程;而操作系統啟動以前的初始化操作是BSP的主要 功能之一。由于嵌入式系統不僅具有硬件環境的多樣性,同時具有軟件的可配置性,因此,不同的嵌入式系統初始化所涉及的內容各不相同,復雜程度也不盡相同。 但是初始化過程總是可以抽象為三個主要環節,按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為:片級初始化、板級初始化和系統級初始化。
(1)片級初始化:主要完成CPU的初始化,包括設置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逐步設置成為系統所要求的工作狀態。這是一個純硬件的初始化過程。
(2)板級初始化:完成CPU以外的其他硬件設備的初始化。除此之外,還要設置某些軟件的數據結構和參數,為隨后的系統級初始化和應用程序的運行建立硬件和軟件環境。這是一個同時包含軟硬件兩部分在內的初始化過程。
(3)系統級初始化:這是一個以軟件初始化為主的過程,主要進行操作系統初始化。BSP將控制轉交給操作系統,由操作系統進行余下的初始化操作。包括加 載和初始化與硬件無關的設備驅動程序,建立系統內存區,加載并初始化其他系統軟件模塊,比如網絡系統、文件系統等;最后,操作系統創建應用程序環境并將控 制轉交給應用程序的入口。
經過以上三個層次的操作,嵌入式系統運行所需要的硬件和軟件環境已經進行了正確設置,從這里開始,高層的實時應用程序可以運行了。
需要指出:系統級初始化不是BSP的工作。但是,系統級初始化成功與否的關鍵在于BSP的前兩個初始化過程中所進行的軟件和硬件的正確設置,而且系統級 初始化也是由BSP發起的。因此,設計BSP中初始化功能的重點主要集中在前兩個環節。圖3顯示了嵌入式系統的初始化過程。