摘要 硬件抽象層是一個處于硬件平臺和嵌入式操作系統之間的軟件層次。它的主要功能是對系統硬件進行初始化，為操作系統的硬件操作提供一系列接口函數。硬件抽象層提高了嵌入式操作系統的可移植性。本文基于LPC2292處理器，詳細介紹μC/OS-II硬件抽象層的構建方法。
關鍵詞 硬件抽象層 μC/OS-II 可移植性 LPC2292
引言
　　為了便于操作系統在不同硬件結構上進行移植，美國微軟公司首先提出了將底層與硬件相關的部分單獨設計成硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer,HAL）的思想。硬件抽象層的引入大大推動了嵌入式操作系統的通用程度，為嵌入式操作系統的廣泛應用提供了可能。
1 μC/OS-II簡介
　　μC/OS-II實時操作系統是一種開發源碼的實時操作系統，可固化，可剪裁，具有高穩定性和可靠性。它最鮮明的特點就是源碼公開，便于移植和維護。目前μC/OS-II版本2.52，通過了美國航空管理局的安全認證，其穩定性和可用性是經過實踐的。μC/OS-II的應用已經覆蓋了諸多領域，如照相機、醫療器械、音像設備等。
2 硬件抽象層簡介
　　硬件抽象層隱藏特定平臺的硬件接口細節,為操作系統提供虛擬硬件平臺,使其具有硬件無關性,可在多種平臺上進行移植。它通過硬件抽象層接口向操作系統以及應用程序提供對硬件進行抽象后的服務。它主要有以下特點：
① 硬件相關性。作為操作系統與硬件之間的接口，硬件抽象層（HAL）必須為操作系統提供具體操作硬件的方法。
② 操作系統相關性。不同的操作系統具有各自的軟件層次結構，因此，不同的操作系統具有特定的硬件接口形式。
　　硬件抽象層是一個處于硬件之上，操作系統之下的軟件層次。它主要功能包括：
① 對系統硬件進行初始化；
② 為操作系統提供各種操作硬件的接口函數。
　　系統硬件的初始化方法，主要由硬件廠家提供；操作系統的各種硬件接口函數和宏定義，則需要通過硬件和操作系統的使用者在熟悉了操作系統和硬件平臺后自行編寫。μC/OS-II需要完成的硬件接口主要包括：類型的定義、任務上下文切換、中斷處理、任務堆棧初始化和定時處理。
　　圖1為硬件抽象層的功能示意圖。

圖1 硬件抽象層功能示意圖

3 在LPC2292上構建硬件抽象層
3.1 LPC2292簡介
　　LPC2292/LPC2294 微控制器是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32 位ARM7TDMIS CPU，帶有256 KB 嵌入的高速Flash 存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 位代碼能夠在最高時鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16 位Thumb 模式將代碼規模減小30%以上，而性能的損失卻很小。
　　由于LPC2292/LPC2294 的144 腳封裝、極低的功耗、多個32 位定時器、8 通道10 位ADC、2/4 （LPC2292/LPC2294）高級CAN、PWM 通道以及多達9 個外部中斷引腳，使它們特別適用于汽車、工業控制應用以及醫療系統和容錯維護總線。LPC2292/LPC2294 含有76（使用了外部存儲器）到112 個（單片）可用GPIO 口。由于內置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網關、協議轉換器以及許多其他的應用中。
3.2 類型定義
　　在將μC/OS-II移植到LPC2292處理器上時,首先進行基本配置和數據類型定義。重新定義數據類型是為了增加代碼的可移植性，因為不同的編譯器所提供的同一數據類型的數據長度并不相同，例如int型,在有的編譯器中是16 位,而在另外一些編譯器中則是32 位。所以,為了便于移植，需要重新定義數據類型。μC/OS-II類型定義如下：
　　typedef unsigned char BOOLEAN;/*布爾變量*/
　　typedef unsigned char INT8U;/*無符號8位整型變量*/
　　typedef signed char INT8S;/*有符號8位整型變量*/
　　typedef unsigned short INT16U;/*無符號16位整型變量*/
　　typedef signed short INT16S;/*有符號16位整型變量*/
　　typedef unsigned int INT32U;/*無符號32位整型變量*/
　　typedef signed intINT32S;/*有符號32位整型變量*/
　　typedef floatFP32;/*單精度浮點數（32位長度）*/
　　typedef doubleFP64;/*雙精度浮點數（64位長度）*/
　　typedef INT32UOS_STK;/*堆棧是32位寬度*/
3.3 任務堆棧初始化
　　在μC/OS-II中，函數OSTaskStkInit（）對任務堆棧進行初始化,在LPC2292中,任務堆?？臻g由高到低依次為PC ,LR，R12 ,R11，…，R1，R0，CPSR，SPSR。 在進行堆棧初始化以后,OSTaskStkInit ( ) 返回新的堆棧棧頂指針。圖2為任務堆棧增長的方向。其初始化過程如下：
　　*stk = (OS_STK) task;/*PC*/
　　*--stk = (OS_STK) task;/*LR*/　　//寄存器初始化R12到R1
　　*--stk = 0;/*R12*/
　　*--stk = 0;/*R1*/
　　*--stk = (OS_STK)pdata;/* R0,參數*/
　　*--stk = (USER_USING_MODE|0x00);/*SPSR，允許IRQ、FIQ中斷*/

圖2 堆棧增長的方向

3.4 任務上下文切換
　　任務上下文管理負責嵌入式操作系統內核中任務管理部分對任務寄存器上下文的創建、刪除以及切換等操作。任務的寄存器上下文是操作系統內核所管理的任務的重要組成部分，是CPU內核的寄存器中內容的映像，因此上下文管理的實現依賴于CPU 內核中寄存器的組織，是與體系結構密切相關的。通用硬件抽象層的任務上下文管理統一定義體系結構中的寄存器上下文的保護格式，提供了任務管理對任務上下文的基本操作的API接口。
　　μC/OS-II的任務切換其實就是通過改變PC中的內容來實現的。將PC指向新任務開始運行的地方，同時將當前任務（被搶占任務）環境保存到相應的任務堆棧中，將新任務環境從任務堆棧中恢復到相應的寄存器中。
　　μC/OS-II用OS_TASK_SW（）完成任務級切換。將μC/OS-II移植到LPC2292上，其任務切換代碼如下：
　　;OS_TASK_SW
　　;/************************************************
　　;① 在當前任務（被搶占任務）的堆棧保存當前任務環境
　　;/************************************************
　　STMFDSP!, {LR};LR中其實是任務切換時對應的PC值
　　STMFDSP!, {LR}
　　STMFDSP!, {R0R12}
　　MRSR0,CPSR
　　STMFDSP!,{R0}
　　;/************************************************
　　;② 獲取當前任務（被搶占任務）控制塊地址，地址在R0；獲取當
　　;前任務（被搶占任務）SP地址，在R1；保存新SP到當前任務（被
　　;搶占任務）的TCB
　　;/************************************************
　　LDRR0,=OSTCBCur
　　LDRR1,[R0]
　　STRSP,[R1]
　　;/**********************************************
　　;③ 獲取新最高優先級任務控制塊地址，保存最高優先級任務
　　;地址到當前任務地址
　　;/************************************************
　　LDRR2,=OSTCBHighRdy
　　LDRR1,[R2]
　　STRR1,[R0]
　　;/************************************************
　　;④ 獲取當前新任務SP
　　;/************************************************
　　LDRSP,[R1]
　　;/************************************************
　　;⑤ 恢復任務環境
　　;/************************************************
　　LDMFDSP!,{R0}
　　MSRSPSR_csxf,R0
　　LDMFDSP!,{R0R12,PC}^

35 中斷結構和中斷處理程序的設計.

　　中斷結構和中斷處理程序的設計是嵌入式操作系統HAL中最重要的組成部分。中斷機制是操作系統內核實現與外部設備通信、任務系統調用、進行出錯處理，以及實現對任務的實時調度的重要手段。因此，硬件抽象層中斷系統的管理部分是整個硬件抽象層中的關鍵。
　　μC/OS-II采用了二次跳轉的辦法。首先在ARM處理器定義的中斷向量處安放跳轉指令，跳轉到指定位置后，再進行位置的第二次映射。其中位置的映射是通過一個匯編定義的宏來實現的。將μC/OS-II移植到LPC2292中，其宏匯編的定義如下：
MACRO
　　$IRQ_Label HANDLER $IRQ_Exception_Function
　　EXPORT$IRQ_Label; 輸出的標號
　　IMPORT$IRQ_Exception_Function; 引用的外部標號
$IRQ_Label
　　SUBLR, LR, #4; 計算返回地址
　　STMFDSP!, {R0R3, R12, LR}; 保存任務環境
　　MRSR3, SPSR; 保存狀態
　　STMFDSP, {R3, SP, LR}^; 保存用戶狀態的R3、SP、LR，注意不能回寫
　　BL$IRQ_Exception_Function; 調用C語言的中斷處理程序
　　;/************************************************
　　;比較當前任務控制塊和最高優先級任務控制塊是否一致，如果一致則直接恢復任務環境；否則，在中斷退出時需要進行任務切換，CPU將運行優先級最高的任務，而不是中斷前運行的任務
　　;***********************************************
　　LDRR0, =OSTCBHighRdy
　　LDRR0, [R0]
　　LDRR1, =OSTCBCur
　　LDRR1, [R1]
　　CMPR0, R1
　　ADDSP, SP, #4*3
　　MSRSPSR_cxsf, R3
　　LDMEQFDSP!, {R0R3, R12, PC}^; 恢復環境
　　LDRPC, =OS_TASK_SW; 調用進行任務切換
MEND
　　為了使用ISR的匯編宏，每個受μC/OS-II管理的ISR都必須按宏匯編要求的格式，在文件IRQ.S中定義：
　　XXXX_HANDLERHANDLERXXXX_Exception
　　其中：
　　XXXX_HANDLER是ISR的起始地址，即匯編宏的起始地址，在初始化向量中斷控制器時作為中斷向量的地址使用。用戶按中斷源來命名，即把其中的XXXX換為具體的中斷源名稱。
　　XXXX_Exception是用戶用C語言實現編寫的功能函數名。該函數供匯編宏調用，用戶可以按實際的中斷源來命名，即把XXXX換為具體的中斷源名稱。
3.6 定時管理
　　μC/OS-II需要一個周期性的中斷源來產生系統時鐘節拍。μC/OS-II利用了LPC2292的Timer0作為定時器產生時鐘節拍。其實現步驟為:
　　添加中斷句柄Timer0_HandlerHANDLER Timer0_Exception配置中斷源定時器T0IR = 0xffffffff;T0TC = 0;T0TCR = 0x01;T0MCR = 0x03;T0MR0 = (Fpclk / OS_TICKS_PER_SEC);配置向量中斷控制器extern void Timer0_Handler(void);VICVectAddr0 = (uint32)Timer0_Handler;VICVectCntl0 = (0x20 | 0x04);使能中斷VICIntEnable = 1<<4;
4 總結
　　硬件抽象層的出現，使得嵌入式操作系統的設計者不需要考慮嵌入式系統硬件環境差異較大的問題，可以專心設計通用的操作系統，而將與硬件的接口部分留給硬件抽象層來實現，這樣大大提高了嵌入式操作系統在不同硬件平臺之間的移植能力。本文基于LPC2292硬件平臺，詳細介紹了μC/OS-II的硬件抽象層的構建方法，對其向其他平臺的移植提供了參考。
參考文獻
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