嵌入式計算機硬件抽象層與操作系統(tǒng)接口

◎王耀崗

嵌入式計算機硬件抽象層與操作系統(tǒng)接口

◎王耀崗

文章對現(xiàn)有計算機硬件抽象層進行分析后，結(jié)合嵌入式計算機特點探討系統(tǒng)接口，最后通過對接口驗證證明經(jīng)過隔離機制調(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，我國工業(yè)化進程不斷深化，在科學(xué)技術(shù)支持下，自動化、智能化逐漸成為社會生產(chǎn)力的主要趨勢。嵌入式計算機應(yīng)運而生，在社會多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和普及。目前嵌入式計算機發(fā)展的主要障礙是系統(tǒng)兼容性問題。而影響這一問題的關(guān)鍵在于硬件抽象層與操作系統(tǒng)接口。因此將這一關(guān)鍵問題作為研究的主要內(nèi)容。

現(xiàn)有計算機硬件抽象層概況

現(xiàn)階段，嵌入式實時操作系統(tǒng)使用范圍越來越廣，通過對硬件中抽象層的優(yōu)化設(shè)計，能夠建立良好的溝通接口，為硬件與軟件運行構(gòu)建獨立的空間，避免互相干擾，形成良性運行狀態(tài)。嵌入式計算機建立在應(yīng)用中心基礎(chǔ)之上，將現(xiàn)代個人PC技術(shù)引入其中，實現(xiàn)對軟硬件的裁剪，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，能夠滿足單機、實時運行需求。

軟件結(jié)構(gòu)模型。硬件抽象層包含大量硬件信息，以此來滿足軟件運行需求。針對硬件抽象層來說，無論是邏輯上、還是空間上的分離，硬件抽象層、操作系統(tǒng)都能夠獨立完成編譯指令，并呈現(xiàn)出對應(yīng)的映像。該類結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于當(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)，減少了對系統(tǒng)維護成本。但事物兩面性決定了該類結(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接，需要通過一定機制給予支持，無形中增加了系統(tǒng)設(shè)計成本，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功能：一是能夠完成系統(tǒng)引導(dǎo)、數(shù)據(jù)機構(gòu)初始化，并啟動用戶配置映像；二是為了能夠?qū)崿F(xiàn)對映像的管理，硬件抽象層涉及映像的固化、擦除及加載。用戶通過映像管理模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對存儲設(shè)備的訪問，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)動程序，通過對映像系統(tǒng)的操作，能夠顯著提升映像利用率。

嵌入式計算機硬件抽象層與操作系統(tǒng)接口優(yōu)化

一般來說，硬件相關(guān)系統(tǒng)在運行過程中，能夠提供一組標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，確保操作系統(tǒng)硬件無關(guān)性，并將其作為載體，實現(xiàn)對硬件的高效訪問。新時期下，為了滿足工作要求，硬件更新速度非?？欤鞘褂们度胧接嬎銠C系統(tǒng)及設(shè)備生命周期較長，如果系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)故障，需要更換器件，在一定程度上增加了驗證成本。而建立隔離機制則不同，能夠?qū)⒂布c系統(tǒng)分離開來。即便遇到故障，能夠減少設(shè)備驗證時間。具體來說：

建立隔離機制。現(xiàn)階段，我國自主版權(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)。因此對于該系統(tǒng)模型的構(gòu)建是一個理想模型。本文選擇的嵌入式計算機使用的是VxWorks操作系統(tǒng)，并將此作為硬件抽象層與操作系統(tǒng)隔離機制研究的主要載體［2］。一般來說，為了達到接口良好銜接的目標(biāo)，我們在系統(tǒng)接口函數(shù)中增加VxWorks操作系統(tǒng)，經(jīng)過調(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)能夠訪問硬件抽象層中的BSP函數(shù)，最終達到隔離目標(biāo)。

驗證及測試。系統(tǒng)接口引入新內(nèi)容后，對系統(tǒng)原有功能產(chǎn)生了深刻的影響。將原有功能進劃分為兩個部分：一是接口之上與硬件無關(guān)的操作系統(tǒng)；二是接口之下硬件抽象層軟件。通過這種模式，能夠?qū)⒏鱾€獨立的接口有機整合到一起，形成統(tǒng)一的訪問機制，從而促使軟件結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，增強系統(tǒng)自身功能。

針對系統(tǒng)的測試，我們通過系統(tǒng)時間初始化、異常響應(yīng)及中斷響應(yīng)時間進行。同時需要注意的是，第一項指標(biāo)對于精度要求并不高，因此可以采用軟件測量方式，需要強調(diào)后兩者的測量精度。詳細來說，針對第一項指標(biāo)的測量，從系統(tǒng)上電開始到啟動函數(shù)usrROOT作為系統(tǒng)需要的時間。除去系統(tǒng)調(diào)用時壓棧、出棧后，滿足時間測量要求，達到測量目標(biāo)。

第二項指標(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其進行測量，如示波器等，以此來提高測量精度。在測量開始時，我們需要在程序中增加一條語句，將其標(biāo)記為中斷標(biāo)志。然后通過通道傳遞中斷信號后，當(dāng)中斷產(chǎn)生時，示波器開始記錄，并獲取到相應(yīng)波形，得到的結(jié)果就是中斷響應(yīng)的時間。

通過對測試結(jié)果的比較來看，增加接口后的測量時間較之前有所提升，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)的時間指標(biāo)能夠保持原有量級。而在嵌入式計算機中使用powerPC603E性能更強的處理器，極易適得其反。因此嵌入式計算機中的抽象層采取定制方式，能夠更好地達到預(yù)期目標(biāo)。

根據(jù)上文所述，計算機作為社會各領(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)。本文從嵌入式計算機自身特點及其運行具體要求，從抽象角度入手，對硬件進行相關(guān)接口的制定，直接實現(xiàn)對操作系統(tǒng)的分離處理后，對隔離機制進行了測試，結(jié)果證明經(jīng)過隔離處理的系統(tǒng)具有較強的性能，且集成度較高，符合系統(tǒng)運行要求，能夠在實踐中更好地發(fā)揮積極作用。

（作者單位：貴州民族大學(xué)人文科技學(xué)院）