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(shè)備多樣的特性，這決定了其應(yīng)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(shè)計過程中的必需環(huán)節(jié)，也是影響嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用前景的關(guān)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(yīng)用軟件隔離開來的軟件層次，通過硬件抽象技術(shù)實現(xiàn)硬件相關(guān)和硬件無關(guān)兩部分程序代碼的隔離，為應(yīng)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(shè)計方法的改進，更直接關(guān)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。其運動控制特性包括：刀具半徑和長度補償、軸同步運動、自適應(yīng)進給速度、恒速度控制等。EMC2在原有EMC軟件的基礎(chǔ)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(yīng)用程序提供底層硬件操作支持，提高了應(yīng)用程序的平臺無關(guān)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(shè)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
??? EMC2的HAL提供了一種簡便方法，將一些已有軟硬件模塊進行加載和組合形成一個復(fù)雜的系統(tǒng)，從而使EMC2更容易配置，以使用各種硬件設(shè)備。硬件資源在HAL中被封裝成特定組件，隨時被控制系統(tǒng)載入使用。EMC2中的HAL有以下基本概念：
??? Component，組件。是定義好輸入、輸出及行為的軟件模塊，可以在需要時安裝及連接。
??? Parameter，參數(shù)。許多硬件組件有可調(diào)整參數(shù)需要進行訪問。HAL有輸入及輸出兩種類型的參數(shù)。
??? Pin，引腳。硬件組件用于互聯(lián)的連接端子。所有Pin都有名稱，并在連接時使用。HAL的Pin是只存在于計算機內(nèi)的軟件實體。
??? Physical_Pin，物理引腳。許多I／O設(shè)備有真正的物理引腳或終端連接到外部硬件，這些被稱為物理引腳。
??? Signal，信號。現(xiàn)實中硬件組件使用導(dǎo)線互連。在HAL中導(dǎo)線相當于“信號”。HAL的信號將HAL的引腳連接在一起，可以隨意斷開或重新連接。
??? Type，類型。引腳和信號都有類型屬性，即信號只能連接到相同類型的引腳。目前，HAL有4種類型：BIT、FLOAT、U32、S32。
??? Function，函數(shù)。每個函數(shù)是一個執(zhí)行具體行為的代碼塊，執(zhí)行讀取輸入、計算輸出等操作。系統(tǒng)設(shè)計者可以使用“線程”對一系列函數(shù)加以調(diào)度，以使其按照特定的順序及時間間隔運行。
??? Thread，線程。作為一個實時任務(wù)的組成部分，線程是一個以特定時間間隔運行的函數(shù)序列。函數(shù)可以添加到線程并在每次線程運行時調(diào)用。

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(yīng)一個相應(yīng)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
??? hal_CNC由源文件hal_CNC．c和hal_CNC．h構(gòu)成。hal_CNC．c定義了對hal_CNC的初始化、底層硬件驅(qū)動函數(shù)、hal_CNC退出時的操作等。rtapi_app_main()函數(shù)是載入Component時的程序入口。
??? 首先申請當前Component的ID號，對Component的每個操作都由該ID號索引。
??? comp_id=hal_init(“hal_CNC”)；
??? ／／hal_CNC為Component的名字
??? 其次，分配組件運行時所需內(nèi)存，代表Pin的指針指向的內(nèi)存區(qū)域便是在此分配：
??? CNC_driver=hal_malloc(sizeof(CNC_struct))；
??? 接著將所定義Pin導(dǎo)出到HAL。該操作通過調(diào)用自定義的export()函數(shù)來完成。以DAC模塊為例，操作如下：
??? for(n=0；n<8；n++)
??? export_dac(n，CNC_driver)； ／／導(dǎo)出Pin
??? 每次調(diào)用export_dac()時，都會調(diào)用如下語句注冊一個Pin。
??? rtapi_snprintf(buf，HAL_NAME_LEN，“CNC．DAC．％d．value”，num)；
??? hal_pin_float_new(buf，HAL_IN，&(addr->dac_value[num])，comp_id)；
??? 其中“CNC．DAC．XXX．value”是Pin的名稱。軟PLC通過該名稱對此Pin進行引用。hal_pin_float_new()是HAL提供的函數(shù)，在新建Type為FLOAT型的Pin時使用。該函數(shù)一共有4個參數(shù)，依次是Pin名、Pin方向、Pin內(nèi)存指針地址、Component ID。引腳方向HAL_IN表示該值是從軟件層“輸入”到HAL中的，該方向針對軟件層與HAL層而言。
??? 對Pin進行操作的Function也要導(dǎo)出到HAL：
??? hal_export_[unct(“CNC．DAC．write”，CNC_dac_write，CNC_driver，1，0，comp_id)；其中“CNC．DAC．write”為軟件層使用該Function時引用的名字；CNC_dac_write為函數(shù)在C源文件中實際對應(yīng)的C函數(shù)名稱；CNC_driver為Component的內(nèi)存指針；1表示函數(shù)用到了浮點數(shù)；0表示該函數(shù)不可重入；comp_id為Component ID。

??? 依照上述做法將所有硬件功能模塊全部導(dǎo)出到HAL后，在rtapi_app_main()的最后調(diào)用hal_ready(comp_id)，表明該Component已經(jīng)初始化完畢，可以開始使用了。
??? 在關(guān)閉Component退出時，系統(tǒng)會自動調(diào)用hal_CNC．C中編寫的rtapi_app_exit()。其實現(xiàn)如下：
??? void rtapi_app_exit(void){hal_exit(comp_id)；)
??? hal_exit()關(guān)閉并釋放HAL及RTAPI使用到的系統(tǒng)資源，使這些資源可被重新使用。
??? 用EMC2自帶的工具comp對源文件hal_CNC．c和hal_CNC．h進行編譯，即可得到名為hal_CNC的Compo-nent。該組件自動放入EMC2的模塊庫中，隨時可被其他軟件模塊調(diào)用。

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(yīng)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(shè)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(guān)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(shè)計、分工協(xié)作奠定了良好的基礎(chǔ)。該架構(gòu)已成功應(yīng)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。