摘? 要： 板級(jí)支持包(BSP)是嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)中常用的硬件抽象形式,是介于操作系統(tǒng)和硬件之間的軟件層次。介紹BSP的功能和特點(diǎn),并結(jié)合工作實(shí)踐提出了設(shè)計(jì)BSP的一般方法;最后針對(duì)當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)中BSP的設(shè)計(jì)方法所面臨的問(wèn)題提出了可行的解決辦法。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)? 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)? 硬件抽象層(HAL)? 板級(jí)支持包(BSP)
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隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了越來(lái)越多的便攜設(shè)備和智能設(shè)備。這些設(shè)備中通常包含控制用的CPU和相應(yīng)的操作系統(tǒng);這類特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)叫做嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)以其簡(jiǎn)潔高效等特點(diǎn)在計(jì)算機(jī)、通信等領(lǐng)域中廣泛使用。
由于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的特殊性,因此在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中存在著許多特殊問(wèn)題。其中,操作系統(tǒng)及其他系統(tǒng)軟件模塊與硬件之間的接口形式是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要特征和系統(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。經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展,隨著通用嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)的日趨成熟和應(yīng)用的不斷擴(kuò)大,一種統(tǒng)一的接口形式得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用,這就是通常所說(shuō)的板級(jí)支持包,即BSP。
1 嵌入式系統(tǒng)硬件抽象層的原理
1.1 硬件抽象層的引入
嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為一類特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自底向上包含三個(gè)部分,如圖1所示。
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(1)硬件環(huán)境:是整個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序運(yùn)行的硬件平臺(tái);不同的應(yīng)用通常有不同的硬件環(huán)境;硬件平臺(tái)的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn)。
(2)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)——RTOS:完成嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能,具有內(nèi)核較精簡(jiǎn)、可配置、與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對(duì)不變性。
(3)嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序:運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上,利用操作系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)機(jī)制完成特定功能的嵌入式" title="的嵌入式">的嵌入式應(yīng)用。不同的系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)不同的嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。
由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的硬件環(huán)境差異較大,因此,如何簡(jiǎn)潔有效地使嵌入式系統(tǒng)能夠應(yīng)用于各種不同的應(yīng)用環(huán)境是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中所必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展,原先嵌入式系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)逐步演化成為一種四層結(jié)構(gòu)。這個(gè)新增加的中間層次位于操作系統(tǒng)和硬件之間,包含了系統(tǒng)中與硬件相關(guān)的大部分功能。通過(guò)特定的上層接口與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互,向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息;并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對(duì)硬件的直接操作。由于引入了一個(gè)中間層次,屏蔽了底層硬件的多樣性,操作系統(tǒng)不再直接面對(duì)具體的硬件環(huán)境。而是面向由這個(gè)中間層次所代表的、邏輯上的硬件環(huán)境。因此,把這個(gè)中間層次叫做硬件抽象層HAL(Hardware Abstraction Layer)。在目前的嵌入式領(lǐng)域中通常也把HAL叫做板級(jí)支持包 BSP(Board Support Package)。圖2顯示了引入HAL以后的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。BSP的引入大大推動(dòng)了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的通用化,從而為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能。
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1.2 BSP的特點(diǎn)與功能
HAL/BSP的提出使通用的嵌入式操作系統(tǒng)及高層的嵌入式應(yīng)用能夠有效地運(yùn)行于特定的、應(yīng)用相關(guān)的硬件環(huán)境之上,使操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序能夠控制和操作具體的硬件設(shè)備,完成特定的功能。因此,在絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)中,BSP是一個(gè)必不可少的層次。
由于在系統(tǒng)中的特殊位置,因此BSP具有以下主要特點(diǎn):
(1)硬件相關(guān)性
因?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性,所以,作為高層軟件與硬件之間的接口,BSP必須為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。
(2)操作系統(tǒng)相關(guān)性
不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu),因此,不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。
在實(shí)現(xiàn)上,BSP是一個(gè)介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次,包括了系統(tǒng)中大部分與硬件相關(guān)的軟件模塊。在功能上包含兩部分:系統(tǒng)初始化及與硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
2 BSP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
為實(shí)現(xiàn)上述兩部分功能,設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作:
(1)設(shè)計(jì)初始化過(guò)程,完成嵌入式系統(tǒng)的初始化;
(2)設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng),完成操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序?qū)唧w硬件的操作。
2.1 嵌入式系統(tǒng)初始化以及BSP的功能
嵌入式系統(tǒng)的初始化過(guò)程是一個(gè)同時(shí)包括硬件初始化和軟件(主要是操作系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件模塊)初始化的過(guò)程;而操作系統(tǒng)啟動(dòng)以前的初始化操作是BSP的主要功能之一。由于嵌入式系統(tǒng)不僅具有硬件環(huán)境的多樣性,同時(shí)具有軟件的可配置性,因此,不同的嵌入式系統(tǒng)初始化所涉及的內(nèi)容各不相同,復(fù)雜程度也不盡相同。但是初始化過(guò)程總是可以抽象為三個(gè)主要環(huán)節(jié),按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為:片級(jí)初始化、板級(jí)初始化和系統(tǒng)級(jí)" title="系統(tǒng)級(jí)">系統(tǒng)級(jí)初始化。
(1)片級(jí)初始化:主要完成CPU的初始化,包括設(shè)置CPU的核心寄存器和控制寄存器,CPU核心工作模式以及CPU的局部總線模式等。片級(jí)初始化把CPU從上電時(shí)的缺省狀態(tài)逐步設(shè)置成為系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個(gè)純硬件的初始化過(guò)程。
(2)板級(jí)初始化:完成CPU以外的其他硬件設(shè)備的初始化。除此之外,還要設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù),為隨后的系統(tǒng)級(jí)初始化和應(yīng)用程序的運(yùn)行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個(gè)同時(shí)包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過(guò)程。
(3)系統(tǒng)級(jí)初始化:這是一個(gè)以軟件初始化為主的過(guò)程,主要進(jìn)行操作系統(tǒng)初始化。BSP將控制轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng),由操作系統(tǒng)進(jìn)行余下的初始化操作。包括加載和初始化與硬件無(wú)關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序" title="設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序">設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū),加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊,比如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等;最后,操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境并將控制轉(zhuǎn)交給應(yīng)用程序的入口。
經(jīng)過(guò)以上三個(gè)層次的操作,嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行所需要的硬件和軟件環(huán)境已經(jīng)進(jìn)行了正確設(shè)置,從這里開(kāi)始,高層的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序可以運(yùn)行了。
需要指出:系統(tǒng)級(jí)初始化不是BSP的工作。但是,系統(tǒng)級(jí)初始化成功與否的關(guān)鍵在于BSP的前兩個(gè)初始化過(guò)程中所進(jìn)行的軟件和硬件的正確設(shè)置,而且系統(tǒng)級(jí)初始化也是由BSP發(fā)起的。因此,設(shè)計(jì)BSP中初始化功能的重點(diǎn)主要集中在前兩個(gè)環(huán)節(jié)。圖3顯示了嵌入式系統(tǒng)的初始化過(guò)程。
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2.2 硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
BSP另一個(gè)主要功能是硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。與初始化過(guò)程相反,硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化和使用通常是一個(gè)從高層到底層的過(guò)程。
盡管BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,但是這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常不直接由BSP使用,而是在系統(tǒng)初始化過(guò)程中由BSP把它們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái),并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作。設(shè)計(jì)與硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序是BSP設(shè)計(jì)中另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖4顯示了調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)系統(tǒng)各個(gè)層次之間的關(guān)系。
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3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)BSP的方法
3.1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)BSP的一般方法
因?yàn)锽SP同時(shí)具有硬件相關(guān)性和操作系統(tǒng)相關(guān)性,是一個(gè)介于硬件與軟件之間的中間層次。因此BSP的開(kāi)發(fā)不僅需要具備一定的硬件知識(shí),例如CPU的控制、中斷控制器的設(shè)置、內(nèi)存控制器的設(shè)置及有關(guān)的總線規(guī)范等;同時(shí)還要求掌握操作系統(tǒng)所定義的BSP接口。另外,在BSP的初始化部分通常會(huì)包含一些匯編代碼,因此還要求對(duì)所使用的CPU匯編指令有所了解,例如X86的匯編和PowerPC的匯編指令等;對(duì)于某些復(fù)雜的BSP還要了解所使用的開(kāi)發(fā)工具,例如GNU、Diab Data等。
總之,開(kāi)發(fā)BSP要求具備比較全面的軟、硬件知識(shí)和必要的編程經(jīng)驗(yàn)。由于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性,在設(shè)計(jì)特定BSP時(shí)很少?gòu)牧汩_(kāi)始,而是采用以下兩種快捷方法。
方法一:以經(jīng)典BSP為參考
在設(shè)計(jì)BSP時(shí),首先選擇與應(yīng)用硬件環(huán)境最為相似的參考設(shè)計(jì),例如Motorola的ADS系列評(píng)估板等。針對(duì)這些評(píng)估板,不同的操作系統(tǒng)都會(huì)提供完整的BSP,這些BSP是學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)自己BSP的最佳參考。針對(duì)具體應(yīng)用的特定環(huán)境對(duì)參考設(shè)計(jì)的BSP進(jìn)行必要的修改和增加,就可以完成簡(jiǎn)單的BSP設(shè)計(jì)。
下面以設(shè)計(jì)pSOS操作系統(tǒng)的BSP初始化過(guò)程為例。pSOS系統(tǒng)初始化的層次非常清晰,與初始化過(guò)程相對(duì)應(yīng)的是以下三個(gè)文件:
1)init.s :對(duì)應(yīng)于片級(jí)初始化;完成CPU的初始化操作,設(shè)置CPU的工作狀態(tài);
2)board.c :對(duì)應(yīng)于板級(jí)初始化;繼續(xù)CPU初始化,并設(shè)置CPU以外的硬件設(shè)備;
3)sysinit.c :對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)級(jí)初始化;完成操作系統(tǒng)的初始化,并啟動(dòng)應(yīng)用程序。
以參考BSP為切入點(diǎn),針對(duì)初始化過(guò)程的具體環(huán)節(jié),在對(duì)應(yīng)的文件中進(jìn)行某些參數(shù)的修改及功能的增加就可以實(shí)現(xiàn)BSP的系統(tǒng)初始化功能。
因?yàn)锽SP具有操作系統(tǒng)相關(guān)性,因此,不同的操作系統(tǒng)會(huì)使用不同的文件完成類似的初始化操作。
BSP中硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序隨操作系統(tǒng)的不同而具有比較大的差異,設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)參照操作系統(tǒng)相應(yīng)的接口規(guī)范。
方法二:使用操作系統(tǒng)提供的BSP模板
除了提供某些評(píng)估板的BSP以外,很多操作系統(tǒng)還提供相應(yīng)的BSP模板(一組需要編寫的文件),根據(jù)模板的提示也可以逐步完成特定BSP的設(shè)計(jì)。
相比較而言,第一種方法最為簡(jiǎn)單快捷。因此,在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中,通常以第一種方法為主,同時(shí)結(jié)合使用第二種方法。
在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)BSP兩部分功能時(shí)應(yīng)采用以下兩種不同方法:
(1)“自底向上”地實(shí)現(xiàn)BSP中的初始化操作:從片級(jí)初始化開(kāi)始到系統(tǒng)級(jí)初始化;
(2)“自頂向下”地設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序:從API開(kāi)始,到操作系統(tǒng)內(nèi)部的通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,再到BSP內(nèi)部的硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,最后到底層具體的硬件設(shè)備。
3.2 BSP設(shè)計(jì)方法的不足與改進(jìn)
從以上介紹的兩種設(shè)計(jì)方法可以看出:目前BSP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要是針對(duì)某些特定的文件進(jìn)行修改。這種方法比較原始,它不僅要求設(shè)計(jì)人員了解BSP的各個(gè)組成部分及所對(duì)應(yīng)的文件和相關(guān)參數(shù)的具體含義,還要求具備比較全面的軟硬件知識(shí)。直接修改相關(guān)文件容易造成代碼的不一致性,增加軟件設(shè)計(jì)上的隱形錯(cuò)誤,從而增加系統(tǒng)調(diào)試和代碼維護(hù)的難度。隨著底層硬件功能的日益復(fù)雜,開(kāi)發(fā)BSP所涉及的內(nèi)容也越來(lái)越多。這種原始方法的不足之處也越來(lái)越突出。進(jìn)行BSP設(shè)計(jì)方法和工具的創(chuàng)新成為一個(gè)日益突出的問(wèn)題。
解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)可行辦法是:設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種具有圖形界面的BSP開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)向?qū)?由該向?qū)е笇?dǎo)設(shè)計(jì)者逐步完成BSP的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),并最終由向?qū)上鄳?yīng)的BSP文件,而不再由設(shè)計(jì)人員直接對(duì)源文件進(jìn)行修改。這樣不僅可以大大縮短BSP的開(kāi)發(fā)周期,減少代碼不一致性,而且系統(tǒng)排錯(cuò)、調(diào)試以及維護(hù)都很簡(jiǎn)單。因此,這種方法是目前嵌入式領(lǐng)域中BSP設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢(shì)和研究方向。但是,由于嵌入式系統(tǒng)硬件環(huán)境的多樣性,設(shè)計(jì)向?qū)У膶?shí)現(xiàn)仍需解決若干關(guān)鍵問(wèn)題。為此,作者仍將在這一方面作進(jìn)一步研究。
文中提出的方法在華環(huán)公司的寬帶網(wǎng)絡(luò)工程中得到實(shí)踐和應(yīng)用,并取得了非常良好的應(yīng)用成果。
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參考文獻(xiàn)
1 “Understanding and Developing Board-Support Packages”Chapter 1 of 《pSOSystem Advanced Topics》,pSOSystem Documents. Wind River systems.