嵌入式系統(tǒng)硬件抽象層的建立及軟件的可移植性設計

關鍵詞：設備驅(qū)動程序 嵌入式系統(tǒng) 軟件設計 可移植性

1 嵌入式系統(tǒng)設計

　　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，已被廣泛地應用到日常生活的各個方面，如移動通信、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)的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，以及提高產(chǎn)品的可靠性已成為嵌入式行業(yè)普遍關注的問題。在嵌入式系統(tǒng)設計中，通常采用以下設計方法。

（1）瀑布模式開發(fā)過程

　　瀑布模式開發(fā)過程工作模式簡單，任務的劃分協(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，開發(fā)過程為從硬件到軟件的流水線式進行。此類開發(fā)方式有以下特點：

　◇ 小系統(tǒng)，如利用8051控制的低速率信號采集等；

　◇ 開發(fā)所需人力、物力資源有限，一般1個或幾個人即可完成；

　◇ 要求開發(fā)人員對軟、硬件設計和制作都比較熟悉；

　◇ 對開發(fā)周期要求不高，此類開發(fā)過程無疑會使用最長的開發(fā)周期；

　◇ 在開發(fā)過程中，任一環(huán)節(jié)的阻塞都會影響其它環(huán)節(jié)的開發(fā)。

（2）V模式開發(fā)過程

　　V模式開發(fā)過程為一種并行的工作方式，任務的劃分協(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。

　　開發(fā)過程為硬件和軟件同時進行，最后聯(lián)合調(diào)試。此類開發(fā)方式有以下特點：

　◇ 大系統(tǒng)，如利用PowerPC等處理器設計的網(wǎng)絡交換/訪問設備；

　◇ 開發(fā)人力、物力資源比較豐富；

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

　◇ 有利于縮短開發(fā)周期；

　◇ 在開發(fā)過程中，軟、硬件設計獨立進行。 硬件開發(fā)的阻塞不會影響軟件開發(fā)過程，同樣，軟件開發(fā)的阻塞不會影響硬件的開發(fā)過程。

但在V模式開發(fā)過程中，仍存在以下問題：

　◇ 設備驅(qū)動程序的可移值性差，與硬件和操作系統(tǒng)均有密切相關性；

　◇ 軟件測試需要等硬件完成以后才能進行；

　◇ 對于每個設備驅(qū)動程序設計人員都需有軟件和硬件的知識背景；

　◇ 在測試過程中，很難判斷錯誤是由硬件還是由軟件造成的。

　　為了克服V模式開發(fā)過程中的上述問題，本文將V模式開發(fā)過程稍作改進，增加了硬件抽象層，對系統(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)軟件設計特性

（1）包含硬件抽象層的系統(tǒng)結(jié)構

　　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來，這樣就使得系統(tǒng)的設備驅(qū)動程序與硬件設備無關，從而大大提高了系統(tǒng)的可移植性。從軟硬件測試角度來看，軟硬件的測試工作都可分別基于硬件抽象層來完成，使得軟硬件的測試工作的并行進行成為可能。在抽象層的定義方面，需要規(guī)定統(tǒng)一的軟硬件接口標準，其設計工作需要基于系統(tǒng)需求來做，代碼工作可由對硬件比較熟悉的人員來完成。抽象層一般應包含相關硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作、硬件設備的配置操作等功能。

（2）包含硬件抽象層的系統(tǒng)開發(fā)過程

　　如圖5給出的包含硬件抽象層V模式開發(fā)過程，在系統(tǒng)需求分析并定義了軟硬件各自的設計要求以后，就需要花費一定的時間來定義硬件抽象層的接口，以確保硬件設計和測試與軟件設計和測試工作能夠在相同的接口上進行，從而有利于最終的軟硬件集成測試。

　　從圖5可以看出，在基于硬件抽象層的V模式開發(fā)過程，軟硬件的設計和調(diào)試具有無關性，并可完全地并行進行。硬件的錯誤不會影響到系統(tǒng)軟件的調(diào)試，同樣軟件設計的錯誤也不會影響硬件的調(diào)試工作，這樣就可大大縮短系統(tǒng)的測試周期和提高系統(tǒng)的可靠性。

（3）硬件抽象層的特點

　　硬件抽象層接口的定義和代碼設計應具有以下特點：

◇ 硬件抽象層具有與硬件密切相關性；

◇ 硬件抽象層具有與操作系統(tǒng)無關性；

◇ 接口定義的功能應包含硬件或系統(tǒng)所需硬件支持的所有功能；

◇ 接口定義簡單明了，太多接口函數(shù)會增加軟件模擬的復雜性；

◇ 具有可測性的接口設計有利于系統(tǒng)的軟硬件測試和集成。

3 硬件抽象層的設計示例

　　硬件抽象層接口的設計一般應包含以下幾個步：

◇ 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函數(shù)。

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

◇ 設備初始化函數(shù)

BOOL InitDevice（Device_Register *regs, Device_Attribute *attr）

① 第一個參數(shù)為指向設備寄存器結(jié)構的指針，用來索引設備的相關寄存器。

② 第二個參數(shù)為一個設備屬性的結(jié)構，用于描述設備初始化設置的屬性（波特率、校驗位等等）。

③ 函數(shù)返回一個布爾類型，用于描述初始化過程的正確性。

◇ 設備字符輸入

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

① 第一個參數(shù)為指向設備寄存器結(jié)構的指針，用來索引設備的相關寄存器。

② 第二個參數(shù)為指向字符的地址空間，用于保存設備輸入的字符。

③ 函數(shù)返回一個布爾類型，用于描述設備字符輸入的正確性。

◇ 設備字符輸出

BOOL WriteDevice（Device_Register *regs, unsigned char c）

① 第一個參數(shù)為指向設備寄存器結(jié)構的指針，用來索引設備的相關寄存器。

② 第二個參數(shù)為設備所要輸出的字符。

③ 函數(shù)返回一個布爾類型，用于描述設備字符輸出的正確性。

◇ 設備屬性設置

BOOL SetDevice（Device_Register *regs, Device_Attribute *attr）

① 第一個參數(shù)為指向設備寄存器結(jié)構的指針，用來索引設備的相關寄存器。

② 第二個參數(shù)為一個設備屬性的結(jié)構，用于描述設備初始化設置的屬性（波特率、校驗位等等）。

③ 函數(shù)返回一個布爾類型，用于描述設備屬性設置的正確性。

4 結(jié) 論

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