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嵌入式系統(tǒng)硬件抽象層的建立及軟件的可移植性設(shè)計
摘要：在闡述嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，介紹嵌入式系統(tǒng)底層軟件可移值性設(shè)計和硬件抽象層的建立；舉例說明利用此思想的嵌入式軟件的設(shè)計及測試過程。關(guān)鍵詞：設(shè)備驅(qū)動程序 嵌入式系統(tǒng) 軟件設(shè)計 可移植性
1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)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(guān)注的問題。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，通常采用以下設(shè)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(wù)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(jìn)行。此類開發(fā)方式有以下特點(diǎn)：
◇ 小系統(tǒng)，如利用8051控制的低速率信號采集等；(范文先生網(wǎng)www.qkfawen.com收集整理)
◇ 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(shè)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(wù)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(jìn)行，最后聯(lián)合調(diào)試。此類開發(fā)方式有以下特點(diǎn)：
◇ 大系統(tǒng)，如利用PowerPC等處理器設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)交換/訪問設(shè)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(shè)計獨(dú)立進(jìn)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(shè)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(guān)性；
◇ 軟件測試需要等硬件完成以后才能進(jìn)行；
◇ 對于每個設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)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(jìn)，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(shè)計特性
（1）包含硬件抽象層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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(shè)備驅(qū)動程序與硬件設(shè)備無關(guān)，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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)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(yīng)包含相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作、硬件設(shè)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(shè)計要求以后，就需要花費(fèi)一定的時間來定義硬件抽象層的接口，以確保硬件設(shè)計和測試與軟件設(shè)計和測試工作能夠在相同的接口上進(jìn)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(shè)計和調(diào)試具有無關(guān)性，并可完全地并行進(jìn)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(shè)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(diǎn)
硬件抽象層接口的定義和代碼設(shè)計應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
◇ 硬件抽象層具有與硬件密切相關(guān)性；
◇ 硬件抽象層具有與操作系統(tǒng)無關(guān)性；
◇ 接口定義的功能應(yīng)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(fù)雜性；
◇ 具有可測性的接口設(shè)計有利于系統(tǒng)的軟硬件測試和集成。
3 硬件抽象層的設(shè)計示例
硬件抽象層接口的設(shè)計一般應(yīng)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(guān)函數(shù)。
下面給出以字符為單位進(jìn)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(shè)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(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來索引設(shè)備的相關(guān)寄存器。
② 第二個參數(shù)為一個設(shè)備屬性的結(jié)構(gòu)，用于描述設(shè)備初始化設(shè)置的屬性（波特率、校驗(yàn)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(shè)備字符輸入
BOOL ReadDevice（Device_Register *regs, unsigned char *c）
① 第一個參數(shù)為指向設(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來索引設(shè)備的相關(guān)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(shè)備輸入的字符。
③ 函數(shù)返回一個布爾類型，用于描述設(shè)備字符輸入的正確性。
◇ 設(shè)備字符輸出
BOOL WriteDevice（Device_Register *regs, unsigned char c）
① 第一個參數(shù)為指向設(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來索引設(shè)備的相關(guān)寄存器。
② 第二個參數(shù)為設(shè)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(shè)備字符輸出的正確性。
◇ 設(shè)備屬性設(shè)置
BOOL SetDevice（Device_Register *regs, Device_Attribute *attr）
① 第一個參數(shù)為指向設(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來索引設(shè)備的相關(guān)寄存器。
② 第二個參數(shù)為一個設(shè)備屬性的結(jié)構(gòu)，用于描述設(shè)備初始化設(shè)置的屬性（波特率、校驗(yàn)位等等）。
③ 函數(shù)返回一個布爾類型，用于描述設(shè)備屬性設(shè)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(shí)踐應(yīng)用中起到了很好的效果。相信在一個較為復(fù)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。
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