来源：单片机与嵌入式系统应用  作者：同济大学 王力生 仇志付 唐军敏
　
摘要 基于嵌入式操作系统硬件抽象层理论，设计一种用于嵌入式操作系统内核开发的通用硬件抽象层平台。通用硬件抽象层能够为嵌入式操作系统内核的设计开发屏蔽硬件平台的特性，提供统一的硬件相关的服务接口，可以使嵌入式操作系统内核的设计开发不依赖于特定的硬件平台，同时开发的嵌入式操作系统内核具有更强的可移植性。
关键词 嵌入式操作系统 通用硬件抽象层（HAL） BSP V开发模式
引言
为了便于操作系统在不同硬件结构上进行移植，美国微软公司首先提出了将底层与硬件相关的部分单独设计成硬件抽象层美国微软公司提出了将操作系统底层与硬件相关的部分单独设计成硬件抽象层HAL（Hardware Abstraction Layer）的思想。硬件抽象层的引入大大推动了嵌入式操作系统的通用程度，为嵌入式操作系统的广泛应用提供了可能。然而，目前BSP形式的硬件抽象层仅仅能够解决有限的几种操作系统在同样有限的BSP所支持的硬件平台上的移植，而对绝大多数需要根据不同嵌入式应用而专门定制的嵌入式操作系统来说能起的作用则非常有限。
1 硬件抽象层原理
1.1 硬件抽象层概念
嵌入式系统是一类特殊的计算机系统。它自底向上包括3个主要部分：硬件环境、嵌入式操作系统和嵌入式应用程序。硬件环境是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通常有不同的硬件环境；因此如何有效地使嵌入式操作应用于各种不同的应用环境，是嵌入式操作系统发展中所必须解决的关键问题。
硬件抽象层通过硬件抽象层接口向操作系统以及应用程序提供对硬件进行抽象后的服务。当操作系统或应用程序使用硬件抽象层API进行设计时，只要硬件抽象层API能够在下层硬件平台上实现，那么操作系统和应用程序的代码就可以移植。

图1 引入HAL后的嵌入式系统结构

这样，原先嵌入式系统的3层结构逐步演化为一种4层结构。图1显示了引入硬件抽象层后的嵌入式系统的结构。
在整个嵌入式系统设计过程中，硬件抽象层同样发挥着不可替代的作用。传统的设计流程是采用瀑布式设计开发过程，首先是硬件平台的制作和调试，而后是在已经定型的硬件平台的基础上再进行软件设计。由于硬件和软件的设计过程是串行的，因此需要很长的设计周期；而硬件抽象层能够使软件设计在硬件设计结束前开始进行，使整个嵌入式系统的设计过程成为软硬件设计并行的V模式开发过程，如图2所示。这样两者的设计过程大致是同时进行的或是并发的，缩短了整个设计周期。

图2 硬件抽象层引入后的V开发模式

1.2 BSP分析
作为硬件抽象层的一种实现，板级支持包BSP（Board Support Package）是现有的大多数商用嵌入式操作系统实现可移植性所采用的一种方案。BSP隔离了所支持的嵌入式操作系统与底层硬件平台之间的相关性，使嵌入式操作系统能够通用于BSP所支持的硬件平台，从而实现嵌入式操作系统的可移植性和跨平台性，以及嵌入式操作系统的通用性、复用性。
然而现有应用较为广泛的BSP形式的硬件抽象层，完全是为了现有通用或商业嵌入式操作系统在不同硬件平台间的移植而设计的，因此BSP形式的硬件抽象层与BSP所向上支持的嵌入式操作系统是紧密相关的。在同一种嵌入式微处理器的硬件平台上支持不同嵌入式操作系统的BSP之间不仅从组成结构、向操作系统内核所提供的功能以及所定义的服务的接口都完全不同，因而一种嵌入式操作系统的BSP不可能用于其他嵌入式操作系统。这种硬件抽象层是一种封闭的专用硬件抽象层。因此，我们提出了为上层嵌入式操作系统内核的开发和构建提供一种开放、通用的硬件抽象层平台，使得在某种硬件平台上的嵌入式操作系统内核的开发能够在支持这种硬件平台的硬件抽象层上进行。
2 通用硬件抽象层总体设计
2.1 通用硬件抽象层的功能结构设计
通用硬件抽象层需要为上层操作系统内核提供统一的硬件相关功能服务；而嵌入式操作系统内核主要的硬件相关部分包括系统启动初始化、任务上下文管理、中断异常管理以及时钟管理。因此，通用硬件抽象层对嵌入式操作系统内核所相关的硬件平台的基本硬件组成部分进行抽象，提供嵌入式操作系统内核硬件平台的相关功能，并设计相应的通用硬件抽象层API接口。通用硬件抽象层的总体功能结构如图3所示。

图3 通用硬件抽象层总体功能结构示意图

(1) 系统启动初始化
启动初始化功能为操作系统的启动和运行提供了必要的软硬件环境。启动和初始化过程中，对硬件平台的直接访问包括对CPU内核的寄存器的初始化设置，以及对于起系统控制作用的端口寄存器的设置。通过启动初始化过程，为整个操作系统内核的运行提供