嵌入式系統(tǒng)硬件抽象層的建立及軟件的可移植性設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 嵌入式系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 可移植性

1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　由于嵌入式系統(tǒng)有著體積小、功能集中、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用到日常生活的各個(gè)方面，如移動(dòng)通信、工業(yè)控制、醫(yī)療器械，家用電器等。如何縮短嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，以及提高產(chǎn)品的可靠性已成為嵌入式行業(yè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常采用以下設(shè)計(jì)方法。

（1）瀑布模式開(kāi)發(fā)過(guò)程

　　瀑布模式開(kāi)發(fā)過(guò)程工作模式簡(jiǎn)單，任務(wù)的劃分協(xié)調(diào)及人員安排、物質(zhì)材料的分配管理都比較容易。如圖1所示，開(kāi)發(fā)過(guò)程為從硬件到軟件的流水線式進(jìn)行。此類開(kāi)發(fā)方式有以下特點(diǎn)：

　◇ 小系統(tǒng)，如利用8051控制的低速率信號(hào)采集等；

　◇ 開(kāi)發(fā)所需人力、物力資源有限，一般1個(gè)或幾個(gè)人即可完成；

　◇ 要求開(kāi)發(fā)人員對(duì)軟、硬件設(shè)計(jì)和制作都比較熟悉；

　◇ 對(duì)開(kāi)發(fā)周期要求不高，此類開(kāi)發(fā)過(guò)程無(wú)疑會(huì)使用最長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期；

　◇ 在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，任一環(huán)節(jié)的阻塞都會(huì)影響其它環(huán)節(jié)的開(kāi)發(fā)。

（2）V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程

　　V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程為一種并行的工作方式，任務(wù)的劃分協(xié)調(diào)及人員安排、物質(zhì)材料的分配都必須考慮不同工作內(nèi)容，如圖2 所示。

　　開(kāi)發(fā)過(guò)程為硬件和軟件同時(shí)進(jìn)行，最后聯(lián)合調(diào)試。此類開(kāi)發(fā)方式有以下特點(diǎn)：

　◇ 大系統(tǒng)，如利用PowerPC等處理器設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)交換/訪問(wèn)設(shè)備；

　◇ 開(kāi)發(fā)人力、物力資源比較豐富；

　◇ 開(kāi)發(fā)人員分工比較明確，軟件開(kāi)發(fā)者可不需了解太多的硬件信息，而硬件開(kāi)發(fā)人員對(duì)軟件也可不做太多了解；

　◇ 有利于縮短開(kāi)發(fā)周期；

　◇ 在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，軟、硬件設(shè)計(jì)獨(dú)立進(jìn)行。 硬件開(kāi)發(fā)的阻塞不會(huì)影響軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，同樣，軟件開(kāi)發(fā)的阻塞不會(huì)影響硬件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

但在V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程中，仍存在以下問(wèn)題：

　◇ 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的可移值性差，與硬件和操作系統(tǒng)均有密切相關(guān)性；

　◇ 軟件測(cè)試需要等硬件完成以后才能進(jìn)行；

　◇ 對(duì)于每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)人員都需有軟件和硬件的知識(shí)背景；

　◇ 在測(cè)試過(guò)程中，很難判斷錯(cuò)誤是由硬件還是由軟件造成的。

　　為了克服V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程中的上述問(wèn)題，本文將V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程稍作改進(jìn)，增加了硬件抽象層，對(duì)系統(tǒng)軟硬件起到隔離作用，從而提高系統(tǒng)軟件的可移值性及有效地利用人力資源、縮短開(kāi)發(fā)周期和提高產(chǎn)品的可靠性。

2 基于硬件抽象層的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)特性

（1）包含硬件抽象層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　比較圖3和圖4，硬件抽象層完全把系統(tǒng)軟件和硬件部分隔離開(kāi)來(lái)，這樣就使得系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件設(shè)備無(wú)關(guān)，從而大大提高了系統(tǒng)的可移植性。從軟硬件測(cè)試角度來(lái)看，軟硬件的測(cè)試工作都可分別基于硬件抽象層來(lái)完成，使得軟硬件的測(cè)試工作的并行進(jìn)行成為可能。在抽象層的定義方面，需要規(guī)定統(tǒng)一的軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)工作需要基于系統(tǒng)需求來(lái)做，代碼工作可由對(duì)硬件比較熟悉的人員來(lái)完成。抽象層一般應(yīng)包含相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作、硬件設(shè)備的配置操作等功能。

（2）包含硬件抽象層的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程

　　如圖5給出的包含硬件抽象層V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程，在系統(tǒng)需求分析并定義了軟硬件各自的設(shè)計(jì)要求以后，就需要花費(fèi)一定的時(shí)間來(lái)定義硬件抽象層的接口，以確保硬件設(shè)計(jì)和測(cè)試與軟件設(shè)計(jì)和測(cè)試工作能夠在相同的接口上進(jìn)行，從而有利于最終的軟硬件集成測(cè)試。

　　從圖5可以看出，在基于硬件抽象層的V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程，軟硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試具有無(wú)關(guān)性，并可完全地并行進(jìn)行。硬件的錯(cuò)誤不會(huì)影響到系統(tǒng)軟件的調(diào)試，同樣軟件設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤也不會(huì)影響硬件的調(diào)試工作，這樣就可大大縮短系統(tǒng)的測(cè)試周期和提高系統(tǒng)的可靠性。

（3）硬件抽象層的特點(diǎn)

　　硬件抽象層接口的定義和代碼設(shè)計(jì)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

◇ 硬件抽象層具有與硬件密切相關(guān)性；

◇ 硬件抽象層具有與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)性；

◇ 接口定義的功能應(yīng)包含硬件或系統(tǒng)所需硬件支持的所有功能；

◇ 接口定義簡(jiǎn)單明了，太多接口函數(shù)會(huì)增加軟件模擬的復(fù)雜性；

◇ 具有可測(cè)性的接口設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)的軟硬件測(cè)試和集成。

3 硬件抽象層的設(shè)計(jì)示例

　　硬件抽象層接口的設(shè)計(jì)一般應(yīng)包含以下幾個(gè)步：

◇ 分析接口的數(shù)據(jù)傳輸特性（雙向/單向數(shù)據(jù)傳輸，字節(jié)型/數(shù)據(jù)幀型傳輸模式）；

◇ 分析接口配置屬性；

◇ 定義接口所需的相關(guān)函數(shù)。

下面給出以字符為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢ART接口硬件抽象層的接口定義內(nèi)容：

◇ 設(shè)備初始化函數(shù)

BOOL InitDevice（Device_Register *regs, Device_Attribute *attr）

① 第一個(gè)參數(shù)為指向設(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來(lái)索引設(shè)備的相關(guān)寄存器。

② 第二個(gè)參數(shù)為一個(gè)設(shè)備屬性的結(jié)構(gòu)，用于描述設(shè)備初始化設(shè)置的屬性（波特率、校驗(yàn)位等等）。

③ 函數(shù)返回一個(gè)布爾類型，用于描述初始化過(guò)程的正確性。

◇ 設(shè)備字符輸入

BOOL ReadDevice（Device_Register *regs, unsigned char *c）

① 第一個(gè)參數(shù)為指向設(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來(lái)索引設(shè)備的相關(guān)寄存器。

② 第二個(gè)參數(shù)為指向字符的地址空間，用于保存設(shè)備輸入的字符。

③ 函數(shù)返回一個(gè)布爾類型，用于描述設(shè)備字符輸入的正確性。

◇ 設(shè)備字符輸出

BOOL WriteDevice（Device_Register *regs, unsigned char c）

① 第一個(gè)參數(shù)為指向設(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來(lái)索引設(shè)備的相關(guān)寄存器。

② 第二個(gè)參數(shù)為設(shè)備所要輸出的字符。

③ 函數(shù)返回一個(gè)布爾類型，用于描述設(shè)備字符輸出的正確性。

◇ 設(shè)備屬性設(shè)置

BOOL SetDevice（Device_Register *regs, Device_Attribute *attr）

① 第一個(gè)參數(shù)為指向設(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來(lái)索引設(shè)備的相關(guān)寄存器。

② 第二個(gè)參數(shù)為一個(gè)設(shè)備屬性的結(jié)構(gòu)，用于描述設(shè)備初始化設(shè)置的屬性（波特率、校驗(yàn)位等等）。

③ 函數(shù)返回一個(gè)布爾類型，用于描述設(shè)備屬性設(shè)置的正確性。

4 結(jié) 論

　　以上所述的是作者在多年嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中所總結(jié)出的開(kāi)發(fā)流程，并在實(shí)踐應(yīng)用中起到了很好的效果。相信在一個(gè)較為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，很好地利用上述開(kāi)發(fā)流程，將會(huì)有利于提高系統(tǒng)的可移植性、減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和測(cè)試周期，并能很好地保證產(chǎn)品的可靠性。