嵌入式系统平台抽象层设计与接口实现①

丁如艺,张 激,李嘉伟

(中国电子科技集团公司第32 研究所,上海 201808)

随着嵌入式计算机的飞速发展与其技术发展的网络化[1,2],一些领域对嵌入式操作系统的可靠性、可移植性、开发效率以及功耗等方面提出了更高的要求[3].

在开发大规模复杂系统时,由于不同编程语言和开发平台间存在的差异,所以需要开发人员针对操作系统的特性对应用程序的实现代码进行相应的修改,这样不仅增加了他们的工作量,也使得嵌入式产品的研发周期变得更长.在激烈的市场竞争中,有效地进行资源复才能对用户的需求做出迅速的响应,高效的满足其需求.而这种资源复用可以通过接口的标准化或者提高代码的可移植性来实现.

本文对Linux 系统及国产嵌入式实时操作系统“锐华”进行研究,提出了一种通用性较强的平台抽象层(Platform Abstraction Layer,PAL).平台抽象层针对不同操作系统和硬件平台的应用程序开发接口(Application Programming Interface,API)进行抽象,为用户提供标准化接口进行嵌入式开发.与现有的抽象层设计方案相比,平台抽象层不但可以应用于不同嵌入式操作系统,同时还可以提高操作系统的通用性和应用程序的可移植性.

1 相关工作

1.1 嵌入式操作系统

嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机[4].如图1 所示,在传统的嵌入式系统组成结构中,嵌入式系统包含硬件系统与软件系统两部分.硬件系统包括处理器/微处理器、存储器、I/O 接口、外设器件;软件系统主要包括嵌入式操作系统、嵌入式应用程序以及应用程序开发接口.

图1 嵌入式系统结构图

实时嵌入式操作系统(Real-Time embedded Operating Systems,RTOS)是一种实时、支持嵌入式系统应用的操作系统软件,在嵌入式软件系统中距离硬件最近,与硬件联系最为紧密[5].

本文所选取的嵌入式实时操作系统——“锐华”是中国电子科技集团公司第32 研究所自主研制的操作系统.该操作系统的内核采用了“十二五”核高基成果——ReWorks.ReWorks 内核可抢占、中断可嵌套,并且具备高效的中断管理机制和任务调度、上下文切换算法,具有强实时性.其采用微内核的体系架构和面向对象的设计方法,具有良好的可裁剪性.ReWorks 的接口设计符合POSIX 标准[6],具有较强的可移植性.此外,ReWorks 作为一款自主可控的操作系统,还具有可持续性特点[7].

1.2 WindowsNT 硬件抽象层[8]

Windows NT 是一个被广泛应用的抢占式多任务操作系统.为了提高其稳定性与兼容性,微软公司首次提出了硬件抽象层(Hardware Abstract Layer,HAL)的概念,将大部分与硬件相关的操作放在内核和硬件抽象层中,由内核与硬件抽象层负责完成与硬件操作有关的细节.

硬件抽象层以动态链接库的形式(HAL.DLL)提供面向平台的函数.这些函数将Windows NT 操作系统与其所依赖的基本硬件进行了分离,不需要对设备驱动程序做任何修改就可以支持同类处理机不同平台中的相同设备[9].

由于硬件抽象层的优化是针对PC 的,所以无法适用于嵌入式应用开发环境.

1.3 Linux 实时硬件抽象层[10]

实时硬件抽象层(Real Time Hardware Abstract Layer,RTHAL)是Linux 操作系统和底层硬件之间的一个中间层.RTHAL 对硬件完全控制,为Linux 屏蔽了硬件细节并禁止其对硬件直接操作,中断管理、任务管理、时钟管理等相关操作均由实时硬件抽象层完成.RTHAL 为硬件提供接口,Linux 和硬实时操作系统运行在其之上,有效的避免了操作系统对Linux 内核进行大量的修改,减少对标准Linux 内核可能带来的负面影响[11].

由于实时硬件抽象层是面向Linux 系统的,其结构、功能以及定义的接口都与Linux 系统紧密相关,所以无法为其他嵌入式系统所用.

1.4 操作系统抽象层[12]

文献[12]利用C++的虚函数机制,提出了操作系统抽象层(Operating System Abstraction Layer,OSAL)的概念.OSAL 封装具体操作系统实体为应用提供所需的各种服务,使开发的应用与操作系统完全无关,从而使应用的兼容性更强.

由于文献[12]使用的是面向对象的语言C++,执行过程中会引入大量临时对象,导致性能方面损失较大.同时实践证明,仅对操作系统进行抽象是不够的,还需考虑硬件平台的特殊性,所以该方案仍有改进空间.

2 PAL 设计与实现

2.1 体系结构设计

PAL 由操作系统抽象、硬件平台抽象和设备驱动抽象3 个部分构成,如图2 所示,对操作系统和硬件平台进行了封装.这3 个部分可以形象的分为两层:上层为应用程序提供基于POSIX 标准的标准化接口,这些接口不随宿主平台的改变而改变,使得开发的嵌入式应用不再拘泥于某一平台;下层是这些接口在操作系统与硬件平台上的具体实现.

图2 PAL 内部结构

加入PAL 后,软件体系结构在操作系统与应用程序之间多出一个独立接口层,该接口层起到了衔接不同操作系统、硬件平台与应用程序的作用,如图3.

2.2 函数接口设计

本小节对平台抽象层中提供操作系统基础服务的接口进行了简单的描述,具体如下:

任务接口:任务接口用于提供任务的注册、创建、删除、查询以及延迟服务.

信号量接口:信号量接口与经典操作系统中的设计思路一致,主要提供二进制信号量、计数信号量、互斥信号量的创建、删除、释放、锁操作、等待以及查询服务.

消息队列接口:消息队列接口用于提供队列的创建、删除、消息获取、消息输入、查询服务.

定时器接口:定时器接口用于提供定时器的初始化、创建、设置、查询、删除服务.

文件系统接口:文件系统接口除了用于提供文件和目录的创建、删除、打开、关闭服务以外,还为基于PAL 开发的应用程序提供了从文件中读取数据、向文件中写入数据和在文件中查询数据的服务.

中断/异常处理接口:与传统的中断机制一致,该模块接口用于提供中断和异常的使能、关闭、关联以及锁操作服务.

除了上述接口,PAL 还包括用于应用程序初始化、打印输出、等待的空闲任务接口等.

平台抽象层中部分设计的接口的具体实现如表1所示,即PAL 上层提供给应用程序的标准化接口.

图3 包含PAL 的体系结构

表1 PAL 部分接口及实现

2.3 宏设计

在PAL 的设计中,以宏的方式实现平台抽象层对不同操作系统和硬件平台的支持,来满足一些平台的特殊需求.例如,对于基于glibc 的Linux 系统,定义宏“_XOPEN_SOURCE=600”来启用X/Open 6 标准.因为glibc 支持多个标准[13],所以需要添加额外的宏定义以确定编译时采用的标准;对于不同的操作系统,定义宏“OS =”进行系统选择,这种方法的好处在于随着需要支持的操作系统增多,可以通过直接修改宏的方式增加选项,避免重复的工作.类似的,也可以通过定义宏“BSP =”来选择不同硬件平台.

通过使用宏并采用条件编译的方法,可以实现基于程序的透明性.

2.4 映射关系

由于自定义标识符可能会与C 库提供的其他标识符重叠,或与操作系统中的定义重叠,所以在设计时为自定义标识符添加前缀,避免命名空间带来的潜在冲突.如对于“锐华”操作系统,添加一个“RCS_”前缀,将C 库提供的所有标识符映射到一个带有“RCS_”前缀的命名空间,以避免命名时的相互影响.类似的,将枚举型定义、类型定义、结构体定义和函数定义都映射到带有“RCS_”前缀的命名空间,具体举例见表2.

表2 PAL 中关于“锐华”系统的映射关系

2.5 数据类型

不同宿主平台上C 语言对应的数据类型存在差异,PAL 并不直接使用C 语言所定义的数据类型,而是重新定义一套与平台无关的数据类型,具体如表3.

表3 数据结构

2.6 实现

本小节选取“锐华”操作系统、龙芯3a 硬件平台,以任务相关接口为例,对PAL 的实现进行详细阐述.

在实现方式上,受到平台独立[14]的启发,PAL 对各操作系统共有的系统特性和数据进行统一管理.各平台的异构性则主要体现在接口的实现上.

平台共有的定义,主要是指宏、数据结构等.平台定义1 定义了支持浮点运算的宏,并给出了任务相关接口所需的结构体定义以及函数接口定义.

标准化接口OS_TaskCreate()用于创建任务,其参数定义了任务ID、任务名、任务堆栈大小、优先级等.算法1 为“锐华”操作系统任务创建接口的实现代码,具体实现的不同保证了平台的异构性.

3 PAL 测试与分析

本节首先对PAL 提供的各类接口进行功能测试.通过编写测试例程,调用抽象完成的各类接口进行正确环境和错误环境测试;然后对加入PAL 之后的操作系统进行兼容性测试.使用平台抽象层提供的API 进行嵌入式开发,在不修改代码的前提下,该应用程序应当能够同时运行在Linux 以及“锐华”操作系统上;3.3 小节对加入PAL 前后的实时性能进行比较分析.因为任务调度延迟时间是评价操作系统实时性的重要指标之一[15],所以选择对其进行测量;最后,3.4 小节对PAL 的优势进行了分析与总结.

3.1 功能测试

以任务管理接口为例,在测试例程初始化完成后,分别进行正常情况和异常情况测试.其中正常情况包括创建任务、根据ID 查询任务信息、删除任务操作,而异常测试则是指创建超过个数限制的任务,创建两个同名任务,删除未创建任务、删除已删除的任务操作.测试结果表明,设计的PAL 能够完成正常情况下的需求,并对异常情况做出符合预期的反馈.

3.2 兼容性测试

兼容性测试采用PAL 提供的标准化接口编写测试例程,分别在Linux 系统与“锐华”系统上进行测试,测试结果如图4 所示.这段测试程序在两个系统上均运行成功并输出正确,这表明PAL 的设计提高了应用程序的代码重用性.

3.3 实时性测试

在实时任务测试中,获取测试任务执行前的时刻t1,将实时任务休眠时间设置为T;获取实时任务执行完成时的时刻记为t2,t2-t1-T就是所要测量的任务调度延迟时间.

使用上述方法对任务调度延迟时间进行测量,共测试1000 次,对数据进行初步处理后,得出结果如图5.

对实验数据进行分析得出,添加PAL 前任务调度延迟的平均值为0.875 ms,添加PAL 后任务调度延迟的平均值为1.094 ms.通过数据与图表对比可以看出,添加PAL 后的任务调度延迟时间要比添加PAL 前略微增加.这是由于PAL 的引入致使系统多出了一个PAL 接口与宿主平台接口间的函数调用,但添加PAL后的时间指标仍可以保持在与原有指标相同的量级.

分析以上实验,引入PAL 的嵌入式操作系统在扩展了应用程序的代码重用性后仍具有可靠的实时性.

3.4 PAL 优势分析

PAL 是位于嵌入式操作系统与应用程序之间的独立接口层,是一种衔接不同操作系统、硬件平台与应用程序的桥梁.

首先,在平台抽象层上进行开发可以避免嵌入式应用与操作系统和底层硬件的直接交互,有利于提高应用程序的健壮性.其次,平台抽象层可以根据具体应用所需的系统调用来构造相应的接口,因此平台抽象层具有良好的可裁剪性和伸缩性.最后,平台抽象层按照系统的相关性对应用程序代码进行分类,当应用适配新的宿主平台时,只需修改少量甚至无需修改代码即可在新平台上运行应用程序,大大提高了开发的效率.总的来说,PAL 有利于实现软硬件协同设计,促进可移植和可重用的实时嵌入式系统应用程序的创建.

图4 兼容性测试结果

图5 实时性测试结果

4 结束语

本文为嵌入式实时操作系统设计了一个平台抽象层,着重介绍平台抽象层的设计方案,并针对Linux 系统与“锐华”操作系统给出实现方案,最后对平台抽象层的功能,兼容性和实时性给出测试方案.实验证明,引入本文设计的平台抽象层不仅能提高应用程序的可移植性,同时操作系统还保留有可靠的实时性.

平台抽象层对不同操作系统与硬件平台的应用程序开发接口进行抽象,给用户开发各种嵌入式应用提供了标准化接口,极大减少移植带来的冗余工作,并可高效重用已开发的软件组件,有效实现了资源复用.