淺談EMC2的硬件抽象層原理與實(shí)現(xiàn)

1 概 述

嵌入式系統(tǒng)具有專用性強(qiáng)、外圍設(shè)備多樣的特性，這決定了其應(yīng)用的硬件環(huán)境差異性較大。系統(tǒng)軟件模塊與硬件之間的接口是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要特征，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的必需環(huán)節(jié)，也是影響嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用前景的關(guān)鍵問(wèn)題之一。硬件抽象層（Hardware AbSTractiON Layer，HAL）的引入可有效解決這一問(wèn)題。HAL是將硬件平臺(tái)與應(yīng)用軟件隔離開(kāi)來(lái)的軟件層次，通過(guò)硬件抽象技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件相關(guān)和硬件無(wú)關(guān)兩部分程序代碼的隔離，為應(yīng)用軟件提供一個(gè)沒(méi)有硬件特性的接口。硬件抽象層的引入不僅是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，更直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式以及嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性。硬件抽象層的引入大大推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的規(guī)范化進(jìn)程。

EMC是一個(gè)開(kāi)放源代碼的用于機(jī)床或機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制軟件。它能同時(shí)驅(qū)動(dòng)9軸電機(jī)。其運(yùn)動(dòng)控制特包括：刀具半徑和長(zhǎng)度補(bǔ)償、軸同步運(yùn)動(dòng)、自適應(yīng)進(jìn)給速度、恒速度控制等。EMC2在原有EMC軟件的基礎(chǔ)上加入了許多新的特性和功能，其中包括了HAL和軟件PLC模塊ClassicLadder。ClassicLadder是一個(gè)基于LGPL協(xié)議的梯形圖解釋器。它隨著EMC2一起發(fā)布，可以與EMC2的HAL一起工作。本文中的控制系統(tǒng)利用EMC2的HAL為軟PLC中的應(yīng)用程序提供底層硬件操作支持，提高了應(yīng)用程序的平臺(tái)無(wú)關(guān)性與可移植性。

2 硬件架構(gòu)

控制器是鋰電池卷繞恒張力控制器，采用符合PC／104總線規(guī)范的單板計(jì)算機(jī)（以下簡(jiǎn)稱PC104）與基于FPGA的專用主機(jī)板相結(jié)合的方法構(gòu)建系統(tǒng)硬件。PC104中運(yùn)行實(shí)時(shí)Linux，ClassicLadder及HAL作為實(shí)時(shí)模塊加載到Linux系統(tǒng)中。

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。其中ADS8361為12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于采集張力值等模擬量；AD5624為數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，用于控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速及氣壓閥壓力值；FPGA控制所有外圍芯片，并產(chǎn)生電機(jī)脈沖方向信號(hào)，同時(shí)對(duì)電機(jī)編碼器信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；CPLD控制I／O輸入／輸出點(diǎn)，并與FPGA交換信息。利用EMC2中HAL的實(shí)現(xiàn)原理，可編寫組件將硬件系統(tǒng)所有設(shè)備抽象成引腳和函數(shù)的形式，供軟PLC在需要時(shí)加載。

3 EMC2中HAL的基本概念

HAL,Hardware Abstraction Layer,硬件抽象層 Windows NT的一個(gè)目標(biāo)是使操作系統(tǒng)可跨平臺(tái)移植。理想情況下，當(dāng)一種新機(jī)器問(wèn)世時(shí)，他應(yīng)該可以僅僅使用新機(jī)器的編譯器來(lái)重新編譯這個(gè)操作系統(tǒng)，就讓他首次運(yùn)行。但是，現(xiàn)實(shí)中并不能這樣做。雖然上層的操作系統(tǒng)能夠完全移植（因?yàn)樗鼈兊奶幚泶蠖嗍莾?nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），但底層處理的是設(shè)備寄存器、中斷、DMA和其他的硬件特性，這些都是因機(jī)器而不同的。即使大部分底層代碼是用C語(yǔ)言編寫的，它也不能僅僅從X86上拿出來(lái)放到Alpha上，然后重新編譯、重新啟動(dòng)，因?yàn)閄86和ALPHA之間存在許多小的硬件差別，它們和不同的指令集相關(guān)并且不能被編譯器隱藏。

4 HAL架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。用HAL將各I／O通道、ADC通道、DAC通道、脈沖通道、編碼器通道抽象成Pin，將對(duì)硬件各模塊的操作抽象成各個(gè)Function，將Pin和Function封裝在命名為hal_CNC的Component中。

硬件在Component中被映射為如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

由上述結(jié)構(gòu)可以看出，每個(gè)Pin對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)類型的指針，該指針指向的內(nèi)存區(qū)便存放該引腳的值。

5 基于HAL的驅(qū)動(dòng)程序編寫

考慮內(nèi)存映射I/O和I/O端口的對(duì)比。一些機(jī)器具有前者，一些機(jī)器具有后者。驅(qū)動(dòng)程序該怎樣編寫？是否使用內(nèi)存映射呢？強(qiáng)制選擇會(huì)使驅(qū)動(dòng)程序無(wú)法移植到另一種實(shí)現(xiàn)方式的機(jī)器上，為此，硬件抽象層專為驅(qū)動(dòng)程序的編寫者提供了三個(gè)讀設(shè)備寄存器的函數(shù)和另外三個(gè)寫寄存器的函數(shù)：uc=READ_port_UCHAR（port）； WRIte_PORT_UCHAR（port, uc） us=READ_PORT_USHORT（port）； WRITE_PORT_USHORT（port, us），ul=READ_PORT_ULONG（port）； WRITE_PORT_LONG（port, ul） 這些函數(shù)分別讀寫無(wú)符號(hào)8位、16位、32位的證書到特定的端口。由HAL決定是否需要內(nèi)存映射I/O，這樣，一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可以不被修改而在具有不同設(shè)備寄存器實(shí)現(xiàn)的機(jī)器間移植。驅(qū)動(dòng)程序常由于各種原因而訪問(wèn)特定的I/O設(shè)備。在這個(gè)硬件層上，一個(gè)設(shè)備的某個(gè)總線上會(huì)有一個(gè)或多個(gè)地址。由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)常有多種總線（PCI、PCI-E、SCSI、USB等），很可能兩個(gè)或更多設(shè)備具有相同的總線地址，因此需要通過(guò)某種方式來(lái)區(qū)分它們。HAL提供了一個(gè)服務(wù)，該服務(wù)通過(guò)將總線相連的設(shè)備地址映射到系統(tǒng)范圍內(nèi)的邏輯地址來(lái)識(shí)別設(shè)備。這樣，驅(qū)動(dòng)程序就不需要知道哪條總線上有哪個(gè)設(shè)備了。這些邏輯地址與操作系統(tǒng)為用戶程序提供的指向文件和其他系統(tǒng)資源的句柄是類似的。這種機(jī)制也使總線結(jié)構(gòu)的屬性和尋址方式對(duì)于高層不可見(jiàn)。

6 HAL的使用

以DAC為例，在Linux下的命令行輸入“halrun”進(jìn)入EMC2的HAL運(yùn)行界面，輸入：

loadrt threads namel=thread periodl=1000000

創(chuàng)建名為“thread”的線程，該線程執(zhí)行周期為1 ms。

執(zhí)行：

loadrt hal_CNC

將所編寫的硬件系統(tǒng)組件調(diào)入，執(zhí)行：

addf CNC.DAC.write thread

將DAC的寫函數(shù)加入到前面創(chuàng)建的線程thread，使之以與thread相同的執(zhí)行周期被調(diào)用。然后使可通過(guò)控制DAC的引腳來(lái)輸出相應(yīng)的電壓。如：

setp CNC.DAC.0.value 1

該語(yǔ)句將使電路板上的DAC輸出端子輸出1 V的電壓。

用類似的方法將其他軟件模塊通過(guò)與HAL的引腳連接，便實(shí)現(xiàn)了其他軟件對(duì)HAL的調(diào)用。

7 HAL在ClassicLadder中的調(diào)用

以從DAC輸出5 V為例，將classicladder的一個(gè)名為“classicladder.0.s320ut-00”的有符號(hào)32位整型Pin賦值為5。該值經(jīng)過(guò)HAL中的一個(gè)類型轉(zhuǎn)換Component“s32tofloat”變?yōu)楦↑c(diǎn)數(shù)，再連接到hal_CNC中的DAC單元的引腳“CNC.DAC.0.value”，便在實(shí)際硬件電路板的DAC輸出端輸出5 V的電壓。引腳連接如表1所列。

其中“→”和“←”表示引腳之間的連接，用HAL中的Sig-nal實(shí)現(xiàn)。

在軟PLC中設(shè)置變量W10的值為5，則在DA輸出端子引腳上用萬(wàn)用表測(cè)到5 V的電壓。軟PLC中的操作輸出如圖3所示。

其中4個(gè)窗口表示DAC的4個(gè)通道，分別令DAC輸出5 V、2 V、3 V、4 V的電壓。

8 結(jié) 論

實(shí)踐證明，HAL的引入可極大提高嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)的硬件無(wú)關(guān)性。從軟件的角度來(lái)看，其面向的硬件具有同質(zhì)的接口，對(duì)硬件的操作具有相似的方法與架構(gòu)，極大地簡(jiǎn)化了軟件對(duì)硬件的控制，方便了同類軟件在不同硬件平臺(tái)間的移植。這就為軟硬件同步設(shè)計(jì)、分工協(xié)作奠定了良好的基礎(chǔ)。該架構(gòu)已成功應(yīng)用在文中所述的鋰電池卷繞恒張力控制器中，取得了良好效果。