嵌入式計(jì)算機(jī)硬件抽象層與操作系統(tǒng)接口

◎王耀崗

嵌入式計(jì)算機(jī)硬件抽象層與操作系統(tǒng)接口

◎王耀崗

文章對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件抽象層進(jìn)行分析后，結(jié)合嵌入式計(jì)算機(jī)特點(diǎn)探討系統(tǒng)接口，最后通過(guò)對(duì)接口驗(yàn)證證明經(jīng)過(guò)隔離機(jī)制調(diào)整后的系統(tǒng)性能得到了顯著提升，以期為相關(guān)領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展提供支持。

近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程不斷深化，在科學(xué)技術(shù)支持下，自動(dòng)化、智能化逐漸成為社會(huì)生產(chǎn)力的主要趨勢(shì)。嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，在社會(huì)多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和普及。目前嵌入式計(jì)算機(jī)發(fā)展的主要障礙是系統(tǒng)兼容性問(wèn)題。而影響這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于硬件抽象層與操作系統(tǒng)接口。因此將這一關(guān)鍵問(wèn)題作為研究的主要內(nèi)容。

現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件抽象層概況

現(xiàn)階段，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用范圍越來(lái)越廣，通過(guò)對(duì)硬件中抽象層的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠建立良好的溝通接口，為硬件與軟件運(yùn)行構(gòu)建獨(dú)立的空間，避免互相干擾，形成良性運(yùn)行狀態(tài)。嵌入式計(jì)算機(jī)建立在應(yīng)用中心基礎(chǔ)之上，將現(xiàn)代個(gè)人PC技術(shù)引入其中，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟硬件的裁剪，能夠有效降低系統(tǒng)成本。系統(tǒng)由處理器、外圍設(shè)備及應(yīng)用軟件等構(gòu)成，能夠滿(mǎn)足單機(jī)、實(shí)時(shí)運(yùn)行需求。

軟件結(jié)構(gòu)模型。硬件抽象層包含大量硬件信息，以此來(lái)滿(mǎn)足軟件運(yùn)行需求。針對(duì)硬件抽象層來(lái)說(shuō)，無(wú)論是邏輯上、還是空間上的分離，硬件抽象層、操作系統(tǒng)都能夠獨(dú)立完成編譯指令，并呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的映像。該類(lèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)CPU處于不變的情況下，外圍芯片、硬件接口更改，其內(nèi)部映像依舊能夠呈現(xiàn)，減少了對(duì)系統(tǒng)維護(hù)成本。但事物兩面性決定了該類(lèi)結(jié)構(gòu)具有一定缺陷，該分離結(jié)構(gòu)使得硬件抽象層、操作系統(tǒng)與映像之間難以形成良性對(duì)接，需要通過(guò)一定機(jī)制給予支持，無(wú)形中增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，且不利于系統(tǒng)集成作用的有效發(fā)揮。

硬件抽象層結(jié)構(gòu)及功能。建立在上述軟件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上的硬件具備多項(xiàng)功能：一是能夠完成系統(tǒng)引導(dǎo)、數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)初始化，并啟動(dòng)用戶(hù)配置映像；二是為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)映像的管理，硬件抽象層涉及映像的固化、擦除及加載。用戶(hù)通過(guò)映像管理模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)，并從中調(diào)取出自己需要的內(nèi)容［1］。三是硬件抽象層的核心涉及體系結(jié)構(gòu)芯片、設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)對(duì)映像系統(tǒng)的操作，能夠顯著提升映像利用率。

嵌入式計(jì)算機(jī)硬件抽象層與操作系統(tǒng)接口優(yōu)化

一般來(lái)說(shuō)，硬件相關(guān)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，能夠提供一組標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，確保操作系統(tǒng)硬件無(wú)關(guān)性，并將其作為載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的高效訪(fǎng)問(wèn)。新時(shí)期下，為了滿(mǎn)足工作要求，硬件更新速度非?？?，但是使用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及設(shè)備生命周期較長(zhǎng)，如果系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，需要更換器件，在一定程度上增加了驗(yàn)證成本。而建立隔離機(jī)制則不同，能夠?qū)⒂布c系統(tǒng)分離開(kāi)來(lái)。即便遇到故障，能夠減少設(shè)備驗(yàn)證時(shí)間。具體來(lái)說(shuō)：

建立隔離機(jī)制?，F(xiàn)階段，我國(guó)自主版權(quán)的操作系統(tǒng)中尚未具備能夠完全支持當(dāng)前軟件支持的操作系統(tǒng)。因此對(duì)于該系統(tǒng)模型的構(gòu)建是一個(gè)理想模型。本文選擇的嵌入式計(jì)算機(jī)使用的是VxWorks操作系統(tǒng)，并將此作為硬件抽象層與操作系統(tǒng)隔離機(jī)制研究的主要載體［2］。一般來(lái)說(shuō)，為了達(dá)到接口良好銜接的目標(biāo)，我們?cè)谙到y(tǒng)接口函數(shù)中增加VxWorks操作系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)調(diào)整后形成新的軟件結(jié)構(gòu)。而該操作系統(tǒng)中的含數(shù)據(jù)還需要重新調(diào)整，以便促使函數(shù)能夠訪(fǎng)問(wèn)硬件抽象層中的BSP函數(shù)，最終達(dá)到隔離目標(biāo)。

驗(yàn)證及測(cè)試。系統(tǒng)接口引入新內(nèi)容后，對(duì)系統(tǒng)原有功能產(chǎn)生了深刻的影響。將原有功能進(jìn)劃分為兩個(gè)部分：一是接口之上與硬件無(wú)關(guān)的操作系統(tǒng)；二是接口之下硬件抽象層軟件。通過(guò)這種模式，能夠?qū)⒏鱾€(gè)獨(dú)立的接口有機(jī)整合到一起，形成統(tǒng)一的訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制，從而促使軟件結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，增強(qiáng)系統(tǒng)自身功能。

針對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，我們通過(guò)系統(tǒng)時(shí)間初始化、異常響應(yīng)及中斷響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行。同時(shí)需要注意的是，第一項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于精度要求并不高，因此可以采用軟件測(cè)量方式，需要強(qiáng)調(diào)后兩者的測(cè)量精度。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，針對(duì)第一項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量，從系統(tǒng)上電開(kāi)始到啟動(dòng)函數(shù)usrROOT作為系統(tǒng)需要的時(shí)間。除去系統(tǒng)調(diào)用時(shí)壓棧、出棧后，滿(mǎn)足時(shí)間測(cè)量要求，達(dá)到測(cè)量目標(biāo)。

第二項(xiàng)指標(biāo)自中斷產(chǎn)生之獲取中斷結(jié)束。作為重要的衡量指標(biāo)，可以采取硬件方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，如示波器等，以此來(lái)提高測(cè)量精度。在測(cè)量開(kāi)始時(shí)，我們需要在程序中增加一條語(yǔ)句，將其標(biāo)記為中斷標(biāo)志。然后通過(guò)通道傳遞中斷信號(hào)后，當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí)，示波器開(kāi)始記錄，并獲取到相應(yīng)波形，得到的結(jié)果就是中斷響應(yīng)的時(shí)間。

通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的比較來(lái)看，增加接口后的測(cè)量時(shí)間較之前有所提升，主要是受到接口中多了一層二者之間函數(shù)調(diào)用［3］。但是系統(tǒng)的時(shí)間指標(biāo)能夠保持原有量級(jí)。而在嵌入式計(jì)算機(jī)中使用powerPC603E性能更強(qiáng)的處理器，極易適得其反。因此嵌入式計(jì)算機(jī)中的抽象層采取定制方式，能夠更好地達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

根據(jù)上文所述，計(jì)算機(jī)作為社會(huì)各領(lǐng)域生存及發(fā)展的重要組成部分，引起了相關(guān)主體的關(guān)注。但是針對(duì)硬件抽象層的研究尚處于起步階段，并未形成較為完善的標(biāo)準(zhǔn)。本文從嵌入式計(jì)算機(jī)自身特點(diǎn)及其運(yùn)行具體要求，從抽象角度入手，對(duì)硬件進(jìn)行相關(guān)接口的制定，直接實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)的分離處理后，對(duì)隔離機(jī)制進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果證明經(jīng)過(guò)隔離處理的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的性能，且集成度較高，符合系統(tǒng)運(yùn)行要求，能夠在實(shí)踐中更好地發(fā)揮積極作用。

（作者單位：貴州民族大學(xué)人文科技學(xué)院）