嵌入式系統(tǒng)平臺抽象層設(shè)計與接口實現(xiàn)①

丁如藝,張 激,李嘉偉

(中國電子科技集團公司第32 研究所,上海 201808)

隨著嵌入式計算機的飛速發(fā)展與其技術(shù)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)化[1,2],一些領(lǐng)域?qū)η度胧讲僮飨到y(tǒng)的可靠性、可移植性、開發(fā)效率以及功耗等方面提出了更高的要求[3].

在開發(fā)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)時,由于不同編程語言和開發(fā)平臺間存在的差異,所以需要開發(fā)人員針對操作系統(tǒng)的特性對應(yīng)用程序的實現(xiàn)代碼進行相應(yīng)的修改,這樣不僅增加了他們的工作量,也使得嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)周期變得更長.在激烈的市場競爭中,有效地進行資源復(fù)才能對用戶的需求做出迅速的響應(yīng),高效的滿足其需求.而這種資源復(fù)用可以通過接口的標(biāo)準(zhǔn)化或者提高代碼的可移植性來實現(xiàn).

本文對Linux 系統(tǒng)及國產(chǎn)嵌入式實時操作系統(tǒng)“銳華”進行研究,提出了一種通用性較強的平臺抽象層(Platform Abstraction Layer,PAL).平臺抽象層針對不同操作系統(tǒng)和硬件平臺的應(yīng)用程序開發(fā)接口(Application Programming Interface,API)進行抽象,為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)化接口進行嵌入式開發(fā).與現(xiàn)有的抽象層設(shè)計方案相比,平臺抽象層不但可以應(yīng)用于不同嵌入式操作系統(tǒng),同時還可以提高操作系統(tǒng)的通用性和應(yīng)用程序的可移植性.

1 相關(guān)工作

1.1 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心,以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),并且軟硬件可裁剪,適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機[4].如圖1 所示,在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)中,嵌入式系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分.硬件系統(tǒng)包括處理器/微處理器、存儲器、I/O 接口、外設(shè)器件;軟件系統(tǒng)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用程序以及應(yīng)用程序開發(fā)接口.

圖1 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實時嵌入式操作系統(tǒng)(Real-Time embedded Operating Systems,RTOS)是一種實時、支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件,在嵌入式軟件系統(tǒng)中距離硬件最近,與硬件聯(lián)系最為緊密[5].

本文所選取的嵌入式實時操作系統(tǒng)——“銳華”是中國電子科技集團公司第32 研究所自主研制的操作系統(tǒng).該操作系統(tǒng)的內(nèi)核采用了“十二五”核高基成果——ReWorks.ReWorks 內(nèi)核可搶占、中斷可嵌套,并且具備高效的中斷管理機制和任務(wù)調(diào)度、上下文切換算法,具有強實時性.其采用微內(nèi)核的體系架構(gòu)和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法,具有良好的可裁剪性.ReWorks 的接口設(shè)計符合POSIX 標(biāo)準(zhǔn)[6],具有較強的可移植性.此外,ReWorks 作為一款自主可控的操作系統(tǒng),還具有可持續(xù)性特點[7].

1.2 WindowsNT 硬件抽象層[8]

Windows NT 是一個被廣泛應(yīng)用的搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng).為了提高其穩(wěn)定性與兼容性,微軟公司首次提出了硬件抽象層(Hardware Abstract Layer,HAL)的概念,將大部分與硬件相關(guān)的操作放在內(nèi)核和硬件抽象層中,由內(nèi)核與硬件抽象層負責(zé)完成與硬件操作有關(guān)的細節(jié).

硬件抽象層以動態(tài)鏈接庫的形式(HAL.DLL)提供面向平臺的函數(shù).這些函數(shù)將Windows NT 操作系統(tǒng)與其所依賴的基本硬件進行了分離,不需要對設(shè)備驅(qū)動程序做任何修改就可以支持同類處理機不同平臺中的相同設(shè)備[9].

由于硬件抽象層的優(yōu)化是針對PC 的,所以無法適用于嵌入式應(yīng)用開發(fā)環(huán)境.

1.3 Linux 實時硬件抽象層[10]

實時硬件抽象層(Real Time Hardware Abstract Layer,RTHAL)是Linux 操作系統(tǒng)和底層硬件之間的一個中間層.RTHAL 對硬件完全控制,為Linux 屏蔽了硬件細節(jié)并禁止其對硬件直接操作,中斷管理、任務(wù)管理、時鐘管理等相關(guān)操作均由實時硬件抽象層完成.RTHAL 為硬件提供接口,Linux 和硬實時操作系統(tǒng)運行在其之上,有效的避免了操作系統(tǒng)對Linux 內(nèi)核進行大量的修改,減少對標(biāo)準(zhǔn)Linux 內(nèi)核可能帶來的負面影響[11].

由于實時硬件抽象層是面向Linux 系統(tǒng)的,其結(jié)構(gòu)、功能以及定義的接口都與Linux 系統(tǒng)緊密相關(guān),所以無法為其他嵌入式系統(tǒng)所用.

1.4 操作系統(tǒng)抽象層[12]

文獻[12]利用C++的虛函數(shù)機制,提出了操作系統(tǒng)抽象層(Operating System Abstraction Layer,OSAL)的概念.OSAL 封裝具體操作系統(tǒng)實體為應(yīng)用提供所需的各種服務(wù),使開發(fā)的應(yīng)用與操作系統(tǒng)完全無關(guān),從而使應(yīng)用的兼容性更強.

由于文獻[12]使用的是面向?qū)ο蟮恼Z言C++,執(zhí)行過程中會引入大量臨時對象,導(dǎo)致性能方面損失較大.同時實踐證明,僅對操作系統(tǒng)進行抽象是不夠的,還需考慮硬件平臺的特殊性,所以該方案仍有改進空間.

2 PAL 設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

PAL 由操作系統(tǒng)抽象、硬件平臺抽象和設(shè)備驅(qū)動抽象3 個部分構(gòu)成,如圖2 所示,對操作系統(tǒng)和硬件平臺進行了封裝.這3 個部分可以形象的分為兩層:上層為應(yīng)用程序提供基于POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化接口,這些接口不隨宿主平臺的改變而改變,使得開發(fā)的嵌入式應(yīng)用不再拘泥于某一平臺;下層是這些接口在操作系統(tǒng)與硬件平臺上的具體實現(xiàn).

圖2 PAL 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

加入PAL 后,軟件體系結(jié)構(gòu)在操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間多出一個獨立接口層,該接口層起到了銜接不同操作系統(tǒng)、硬件平臺與應(yīng)用程序的作用,如圖3.

2.2 函數(shù)接口設(shè)計

本小節(jié)對平臺抽象層中提供操作系統(tǒng)基礎(chǔ)服務(wù)的接口進行了簡單的描述,具體如下:

任務(wù)接口:任務(wù)接口用于提供任務(wù)的注冊、創(chuàng)建、刪除、查詢以及延遲服務(wù).

信號量接口:信號量接口與經(jīng)典操作系統(tǒng)中的設(shè)計思路一致,主要提供二進制信號量、計數(shù)信號量、互斥信號量的創(chuàng)建、刪除、釋放、鎖操作、等待以及查詢服務(wù).

消息隊列接口:消息隊列接口用于提供隊列的創(chuàng)建、刪除、消息獲取、消息輸入、查詢服務(wù).

定時器接口:定時器接口用于提供定時器的初始化、創(chuàng)建、設(shè)置、查詢、刪除服務(wù).

文件系統(tǒng)接口:文件系統(tǒng)接口除了用于提供文件和目錄的創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉服務(wù)以外,還為基于PAL 開發(fā)的應(yīng)用程序提供了從文件中讀取數(shù)據(jù)、向文件中寫入數(shù)據(jù)和在文件中查詢數(shù)據(jù)的服務(wù).

中斷/異常處理接口:與傳統(tǒng)的中斷機制一致,該模塊接口用于提供中斷和異常的使能、關(guān)閉、關(guān)聯(lián)以及鎖操作服務(wù).

除了上述接口,PAL 還包括用于應(yīng)用程序初始化、打印輸出、等待的空閑任務(wù)接口等.

平臺抽象層中部分設(shè)計的接口的具體實現(xiàn)如表1所示,即PAL 上層提供給應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)化接口.

圖3 包含PAL 的體系結(jié)構(gòu)

表1 PAL 部分接口及實現(xiàn)

2.3 宏設(shè)計

在PAL 的設(shè)計中,以宏的方式實現(xiàn)平臺抽象層對不同操作系統(tǒng)和硬件平臺的支持,來滿足一些平臺的特殊需求.例如,對于基于glibc 的Linux 系統(tǒng),定義宏“_XOPEN_SOURCE=600”來啟用X/Open 6 標(biāo)準(zhǔn).因為glibc 支持多個標(biāo)準(zhǔn)[13],所以需要添加額外的宏定義以確定編譯時采用的標(biāo)準(zhǔn);對于不同的操作系統(tǒng),定義宏“OS =”進行系統(tǒng)選擇,這種方法的好處在于隨著需要支持的操作系統(tǒng)增多,可以通過直接修改宏的方式增加選項,避免重復(fù)的工作.類似的,也可以通過定義宏“BSP =”來選擇不同硬件平臺.

通過使用宏并采用條件編譯的方法,可以實現(xiàn)基于程序的透明性.

2.4 映射關(guān)系

由于自定義標(biāo)識符可能會與C 庫提供的其他標(biāo)識符重疊,或與操作系統(tǒng)中的定義重疊,所以在設(shè)計時為自定義標(biāo)識符添加前綴,避免命名空間帶來的潛在沖突.如對于“銳華”操作系統(tǒng),添加一個“RCS_”前綴,將C 庫提供的所有標(biāo)識符映射到一個帶有“RCS_”前綴的命名空間,以避免命名時的相互影響.類似的,將枚舉型定義、類型定義、結(jié)構(gòu)體定義和函數(shù)定義都映射到帶有“RCS_”前綴的命名空間,具體舉例見表2.

表2 PAL 中關(guān)于“銳華”系統(tǒng)的映射關(guān)系

2.5 數(shù)據(jù)類型

不同宿主平臺上C 語言對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型存在差異,PAL 并不直接使用C 語言所定義的數(shù)據(jù)類型,而是重新定義一套與平臺無關(guān)的數(shù)據(jù)類型,具體如表3.

表3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.6 實現(xiàn)

本小節(jié)選取“銳華”操作系統(tǒng)、龍芯3a 硬件平臺,以任務(wù)相關(guān)接口為例,對PAL 的實現(xiàn)進行詳細闡述.

在實現(xiàn)方式上,受到平臺獨立[14]的啟發(fā),PAL 對各操作系統(tǒng)共有的系統(tǒng)特性和數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理.各平臺的異構(gòu)性則主要體現(xiàn)在接口的實現(xiàn)上.

平臺共有的定義,主要是指宏、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等.平臺定義1 定義了支持浮點運算的宏,并給出了任務(wù)相關(guān)接口所需的結(jié)構(gòu)體定義以及函數(shù)接口定義.

標(biāo)準(zhǔn)化接口OS_TaskCreate()用于創(chuàng)建任務(wù),其參數(shù)定義了任務(wù)ID、任務(wù)名、任務(wù)堆棧大小、優(yōu)先級等.算法1 為“銳華”操作系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建接口的實現(xiàn)代碼,具體實現(xiàn)的不同保證了平臺的異構(gòu)性.

3 PAL 測試與分析

本節(jié)首先對PAL 提供的各類接口進行功能測試.通過編寫測試?yán)?調(diào)用抽象完成的各類接口進行正確環(huán)境和錯誤環(huán)境測試;然后對加入PAL 之后的操作系統(tǒng)進行兼容性測試.使用平臺抽象層提供的API 進行嵌入式開發(fā),在不修改代碼的前提下,該應(yīng)用程序應(yīng)當(dāng)能夠同時運行在Linux 以及“銳華”操作系統(tǒng)上;3.3 小節(jié)對加入PAL 前后的實時性能進行比較分析.因為任務(wù)調(diào)度延遲時間是評價操作系統(tǒng)實時性的重要指標(biāo)之一[15],所以選擇對其進行測量;最后,3.4 小節(jié)對PAL 的優(yōu)勢進行了分析與總結(jié).

3.1 功能測試

以任務(wù)管理接口為例,在測試?yán)坛跏蓟瓿珊?分別進行正常情況和異常情況測試.其中正常情況包括創(chuàng)建任務(wù)、根據(jù)ID 查詢?nèi)蝿?wù)信息、刪除任務(wù)操作,而異常測試則是指創(chuàng)建超過個數(shù)限制的任務(wù),創(chuàng)建兩個同名任務(wù),刪除未創(chuàng)建任務(wù)、刪除已刪除的任務(wù)操作.測試結(jié)果表明,設(shè)計的PAL 能夠完成正常情況下的需求,并對異常情況做出符合預(yù)期的反饋.

3.2 兼容性測試

兼容性測試采用PAL 提供的標(biāo)準(zhǔn)化接口編寫測試?yán)?分別在Linux 系統(tǒng)與“銳華”系統(tǒng)上進行測試,測試結(jié)果如圖4 所示.這段測試程序在兩個系統(tǒng)上均運行成功并輸出正確,這表明PAL 的設(shè)計提高了應(yīng)用程序的代碼重用性.

3.3 實時性測試

在實時任務(wù)測試中,獲取測試任務(wù)執(zhí)行前的時刻t1,將實時任務(wù)休眠時間設(shè)置為T;獲取實時任務(wù)執(zhí)行完成時的時刻記為t2,t2-t1-T就是所要測量的任務(wù)調(diào)度延遲時間.

使用上述方法對任務(wù)調(diào)度延遲時間進行測量,共測試1000 次,對數(shù)據(jù)進行初步處理后,得出結(jié)果如圖5.

對實驗數(shù)據(jù)進行分析得出,添加PAL 前任務(wù)調(diào)度延遲的平均值為0.875 ms,添加PAL 后任務(wù)調(diào)度延遲的平均值為1.094 ms.通過數(shù)據(jù)與圖表對比可以看出,添加PAL 后的任務(wù)調(diào)度延遲時間要比添加PAL 前略微增加.這是由于PAL 的引入致使系統(tǒng)多出了一個PAL 接口與宿主平臺接口間的函數(shù)調(diào)用,但添加PAL后的時間指標(biāo)仍可以保持在與原有指標(biāo)相同的量級.

分析以上實驗,引入PAL 的嵌入式操作系統(tǒng)在擴展了應(yīng)用程序的代碼重用性后仍具有可靠的實時性.

3.4 PAL 優(yōu)勢分析

PAL 是位于嵌入式操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間的獨立接口層,是一種銜接不同操作系統(tǒng)、硬件平臺與應(yīng)用程序的橋梁.

首先,在平臺抽象層上進行開發(fā)可以避免嵌入式應(yīng)用與操作系統(tǒng)和底層硬件的直接交互,有利于提高應(yīng)用程序的健壯性.其次,平臺抽象層可以根據(jù)具體應(yīng)用所需的系統(tǒng)調(diào)用來構(gòu)造相應(yīng)的接口,因此平臺抽象層具有良好的可裁剪性和伸縮性.最后,平臺抽象層按照系統(tǒng)的相關(guān)性對應(yīng)用程序代碼進行分類,當(dāng)應(yīng)用適配新的宿主平臺時,只需修改少量甚至無需修改代碼即可在新平臺上運行應(yīng)用程序,大大提高了開發(fā)的效率.總的來說,PAL 有利于實現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計,促進可移植和可重用的實時嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的創(chuàng)建.

圖4 兼容性測試結(jié)果

圖5 實時性測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文為嵌入式實時操作系統(tǒng)設(shè)計了一個平臺抽象層,著重介紹平臺抽象層的設(shè)計方案,并針對Linux 系統(tǒng)與“銳華”操作系統(tǒng)給出實現(xiàn)方案,最后對平臺抽象層的功能,兼容性和實時性給出測試方案.實驗證明,引入本文設(shè)計的平臺抽象層不僅能提高應(yīng)用程序的可移植性,同時操作系統(tǒng)還保留有可靠的實時性.

平臺抽象層對不同操作系統(tǒng)與硬件平臺的應(yīng)用程序開發(fā)接口進行抽象,給用戶開發(fā)各種嵌入式應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)化接口,極大減少移植帶來的冗余工作,并可高效重用已開發(fā)的軟件組件,有效實現(xiàn)了資源復(fù)用.