淺談EMC2的硬件抽象層原理與實現(xiàn)

1 概 述

嵌入式系統(tǒng)具有專用性強、外圍設備多樣的特性，這決定了其應用的硬件環(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時系統(tǒng)的主要特征，是系統(tǒng)設計過程中的必需環(huán)節(jié)，也是影響嵌入式系統(tǒng)應用前景的關鍵問題之一。硬件抽象層（Hardware AbSTractiON Layer，HAL）的引入可有效解決這一問題。HAL是將硬件平臺與應用軟件隔離開來的軟件層次，通過硬件抽象技術實現(xiàn)硬件相關和硬件無關兩部分程序代碼的隔離，為應用軟件提供一個沒有硬件特性的接口。硬件抽象層的引入不僅是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計方法的改進，更直接關系到整個系統(tǒng)的開發(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了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的規(guī)范化進程。

EMC是一個開放源代碼的用于機床或機器人等運動控制系統(tǒng)的計算機控制軟件。它能同時驅(qū)動9軸電機。其運動控制特包括：刀具半徑和長度補償、軸同步運動、自適應進給速度、恒速度控制等。EMC2在原有EMC軟件的基礎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中的應用程序提供底層硬件操作支持，提高了應用程序的平臺無關性與可移植性。

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)范的單板計算機（以下簡稱PC104）與基于FPGA的專用主機板相結(jié)合的方法構(gòu)建系統(tǒng)硬件。PC104中運行實時Linux，ClassicLadder及HAL作為實時模塊加載到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)生電機脈沖方向信號，同時對電機編碼器信號進行計數(shù)；CPLD控制I／O輸入／輸出點，并與FPGA交換信息。利用EMC2中HAL的實現(xiàn)原理，可編寫組件將硬件系統(tǒng)所有設備抽象成引腳和函數(shù)的形式，供軟PLC在需要時加載。

3 EMC2中HAL的基本概念

HAL,Hardware Abstraction Layer,硬件抽象層 Windows NT的一個目標是使操作系統(tǒng)可跨平臺移植。理想情況下，當一種新機器問世時，他應該可以僅僅使用新機器的編譯器來重新編譯這個操作系統(tǒng)，就讓他首次運行。但是，現(xiàn)實中并不能這樣做。雖然上層的操作系統(tǒng)能夠完全移植（因為它們的處理大多是內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），但底層處理的是設備寄存器、中斷、DMA和其他的硬件特性，這些都是因機器而不同的。即使大部分底層代碼是用C語言編寫的，它也不能僅僅從X86上拿出來放到Alpha上，然后重新編譯、重新啟動，因為X86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，將對硬件各模塊的操作抽象成各個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Pin對應一個相應類型的指針，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)動程序編寫

考慮內(nèi)存映射I/O和I/O端口的對比。一些機器具有前者，一些機器具有后者。驅(qū)動程序該怎樣編寫？是否使用內(nèi)存映射呢？強制選擇會使驅(qū)動程序無法移植到另一種實現(xiàn)方式的機器上，為此，硬件抽象層專為驅(qū)動程序的編寫者提供了三個讀設備寄存器的函數(shù)和另外三個寫寄存器的函數(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)分別讀寫無符號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，一個驅(qū)動程序可以不被修改而在具有不同設備寄存器實現(xiàn)的機器間移植。驅(qū)動程序常由于各種原因而訪問特定的I/O設備。在這個硬件層上，一個設備的某個總線上會有一個或多個地址。由于現(xiàn)代計算機常有多種總線（PCI、PCI-E、SCSI、USB等），很可能兩個或更多設備具有相同的總線地址，因此需要通過某種方式來區(qū)分它們。HAL提供了一個服務，該服務通過將總線相連的設備地址映射到系統(tǒng)范圍內(nèi)的邏輯地址來識別設備。這樣，驅(qū)動程序就不需要知道哪條總線上有哪個設備了。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。這種機制也使總線結(jié)構(gòu)的屬性和尋址方式對于高層不可見。

6 HAL的使用

以DAC為例，在Linux下的命令行輸入“halrun”進入EMC2的HAL運行界面，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。然后使可通過控制DAC的引腳來輸出相應的電壓。如：

setp CNC.DAC.0.value 1

該語句將使電路板上的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與HAL的引腳連接，便實現(xiàn)了其他軟件對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的一個名為“classicladder.0.s320ut-00”的有符號32位整型Pin賦值為5。該值經(jīng)過HAL中的一個類型轉(zhuǎn)換Component“s32tofloat”變?yōu)楦↑c數(shù)，再連接到hal_CNC中的DAC單元的引腳“CNC.DAC.0.value”，便在實際硬件電路板的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實現(xiàn)。

在軟PLC中設置變量W10的值為5，則在DA輸出端子引腳上用萬用表測到5 V的電壓。軟PLC中的操作輸出如圖3所示。

其中4個窗口表示DAC的4個通道，分別令DAC輸出5 V、2 V、3 V、4 V的電壓。

8 結(jié) 論

實踐證明，HAL的引入可極大提高嵌入式軟件實現(xiàn)的硬件無關性。從軟件的角度來看，其面向的硬件具有同質(zhì)的接口，對硬件的操作具有相似的方法與架構(gòu)，極大地簡化了軟件對硬件的控制，方便了同類軟件在不同硬件平臺間的移植。這就為軟硬件同步設計、分工協(xié)作奠定了良好的基礎。該架構(gòu)已成功應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。