（计算机应用技术专业论文）参照autosar标准的汽车电子板级支撑平台设计与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 嵌入式系统应用越来越广泛，汽车电子产业进入高速发展时期。随着人们对 汽车舒适性、安全性等需求的不断提高，汽车电子领域软件功能剧增，控制系统 日趋复杂。软件系统的移植和复用变得更为重要。汽车电子板级支撑平台采用层 次模块化的结构设计方法，针对汽车电子的应用特点对底层硬件进行抽象，包含 一个功能丰富、可配置的底层驱动库和一套统一的硬件抽象接口。不仅极大简化 硬件操作，提高效率，而且实现上层软件的平台无关性，降低软件开发复杂度， 提高软件的可移植性和复用性。同时参照欧洲的汽车开放式系统架构a u t o s a r 标准进行设计，使得支撑平台本身具有良好的扩展性和广泛的适用性。 本论文的主要内容包括： 1 调研了国内外汽车电子发展状况，并分析最新的a u l o s a r 标准，特别 研究了其中与硬件抽象相关部分 2 总结了目前嵌入式系统领域采用的硬件抽象技术，包括：板级支持包技 术和通用硬件抽象层技术，分析了两者的局限性，并在此基础上提出板 级支撑平台概念。 3 参照a u t o s a r 标准，按照层次化、模块化的架构设计了板级支撑平台。 4 选择飞思卡尔公司h c s l 2 系列微控制器，详细分析了在该硬件平台上实 现板级支撑平台应完成的具体工作。 5 将实现的h c s l 2 板级支撑平台移植到浙江大学e s e 工程中心开发的 s m a r t a m t 当中，并分析了应用效果。 本文的重点在于板级支撑平台的架构设计、模块实现以及具体应用。 关键词板级支撑平台，硬件抽象，a u t o s a r ，汽车电子，底层驱动 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l yu o fe m b e d d e ds y s t e m , a u t o m o t i v ee l e c t r o n i ci n d n s t r yh a s e n t e r e dt h eh i 曲- s p e e dd e v e l o p m e n tp e r i o d a sp e o p l e sd e m a n di nt h ec a re n m f o r t ， s a f e t ya n do t h e l c o n t i n u e st oi m p r o v e , t h ef u n c t i o n so fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i cs o f t w a r e s u r g e , a n de n r l t r o ls y s t e m sb e c a 3 m ei n c r e a s i n s l yc o m p l i c a t e d s y s t e ms o f t w a r er e v i s e a n dt r a n s p l a n t a t i o nb e c o m e m o r ei m p o r t a n t u s i n gh i e r a r c h i c a la n dm o d u l a rd e s i g n ， t h ea u t o m o t i v ee l e c t r o n i cb o a r ds u p p o r tp l a t f o f i nc o m p l e t e * t h eu n d e r l y i n gh a r d w a r e a b s t r a c t i o na c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea u t o m o t i v ee l e e t r o i n ca p p l i c a t i o n i t c o n t a i n saf e a t u r e - r i c ha n dc o n f i g u r a b l eb o a r dd r i v e rl i b r a r y , a n dp r o v i d e sau n i f i e ds e t o fh a r d w a r ea b s t r a c ti n t e r f a c e n o to n l yg r e a t l ys i m p l i f yt h eh a r d w a r eo p e r a t i o n s ， i m p r o v ee 币c i e n c y , b u ta l l o w e rs o f t w a r ed e v e l o p m e n tc o m p l e x i t y , i m p r o v e s o f t w a r ep o r t a b i l i t ya n dr e n s a b i l i t yb yi m p l e m e n t i n gt h ep l a t f o r m i n d e p e n d e n t so ft h e u p p e rs o f t w a r e b o a r ds u p p o r tp l a t f o r mi sd e s i g n e dc o n s u l t i n ga u j i d s a rs t a n d a r d ， a n di th a sag o o ds c a l a b i l i t ya n db r o a da p p l i c a b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 i n v e s t i g a t i o no fa u t o m o t i v ee l e e t r o n i c sd e v e l o p m e n t , a n da n a l y s i so ft h e l a t e s ta u t o s a rs t a n d a r d , e s p e c i a l l yt h er e l e v a n tp a r t so ft h eh a r d w a r e a b s t r a c t i o n 2 s u m m e du pt h eh a r d w a r ea b s t r a c t i o nt e c h n i q u e su s e di nt h ef i e l do f e m b e d d e ds y s t e m sc u r r e n t l y , i n c l u d i n gb o a r ds u p p o r tp a c k a g et e c h n o l o g y a n dc o m m o nh a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e rt e c h n o l o g y a n a l y z e sb o t ho ft h e l i m i t a t i o n sa n dp r o p o s e st h ec o n c e p to fb o a r ds u p p o r tp l a t f o r m 3 a u t o s a rs t a n d a r dc o n s u l t e d , d e s i g n st h eb o a r ds u p p o r tp l a t f o r mi n a c c o r d a n c ew i t ht h eh i e r a r c h i c a la n dr o o d u l a ta r c h i t e c t u r e 4 d e t a i l e da n a l y s i so ft h es p e c i f i cw 6 r kb yw h i c hb o a r ds u p p o r tp l a t f o r mb e a c h i e v e do nf r e e s c a l e ) sh c s l 2s e r i e sm i c r o c o n t r o l l e r 5 t r a n s p l a n t a t i o no fb o a r ds u p p o r tp l a t f o r i l l o nh c s l 2t os m a r t a m t , d e v e l o p e db ye s ee n g i n e e r i n gc e n t e r , z h e j i a n gu n i v e r s i t y , a n da n a l y z e st h e e f f e c t t h ef o c u so f t h i sp a p e ri st h ea r c h i t e c t u r ed e s i g n , m o d u l ei m p l e m e n t a t i o na n dt h e s p e c i f i ca p p l i c a t i o no f b o a r ds u p p o r tp l a t f o r m k e y w o r d sb o a r ds u p p o r tp l a t f o r m , h a r d w a r ea b s t r a c t i o n , a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c ， a u t o s a b o a r dd r i v e r 浙江大学硕士学位论文 图目录 图1 - 1 基本a u t o s a r 方法f 5 j 图目录 图1 - 2a u t o s a r 软件架构层次卧5 1 图2 1b s p 在软件系统中的位置9 图2 2 加入h a l 的嵌入式系统结构示意图l l 图2 - 3 通用硬件抽象层层次结构示意图。1 3 图2 - 4 加入板级支撑平台的系统架构图1 4 图2 5a u t o s a r 详细软件层次图【5 】1 6 图3 1 板级支撑平台层次模块图1 8 图3 2 微控制器抽象层模块结构图1 9 图3 3e c u 抽象层中的外部设备驱动2 0 图3 4e c u 信号2 2 图3 - 5a d c 驱动的模式与功能一2 4 图3 6 转换模式行为举例2 6 图3 7d i o 服务2 7 图3 8 脉冲宽度信号相关参数示意图2 8 图3 - 9 存储模块结构示意图。3 0 图4 1 一个a d c 驱动程序调用例子的时序图3 6 图4 - 2i c u 驱动软件模块图3 7 图4 3c a n 包轮询发送函数流程图4 0 图4 4c a n 包轮询接收函数流程图4 1 图4 5 通用时钟驱动调用时序图。4 2 图5 1s m a r t a m t 系统结构4 5 图5 - 2 硬件控制单元结构嘲4 9 图5 3 应用板级支撑平台的s m a r t a m t 系统结构图5 3 图5 4s m a r t a m t 模拟测试方案 1 1 1 浙江大学硕十学位论文 表目录 表目录 表5 1 应用程序模块与驱动程序之间的调用关系 4 7 表5 - 2s m a r t a i v l t 中设计硬件操作程序。5 l 浙江大学硕t 学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 汽车的出现，缩短了距离，加速了物资交流，使人们能够轻易地实现“千里 江陵一日还”的梦想，极大得方便了人们的生活。经过百年的发展，汽车已成为 现代人类必不可少的交通工具。 计算机的出现，不但使人脱离了繁杂重复的脑力劳动，而且大大提高了生产 力，方便了人们的生活。随着计算机技术的不断发展，无处不在的计算，促进了 人类文明的进步，改变人们的生活方式。 而汽车与计算机的结合，使得汽车技术发生重大变革，催生了汽车电子这一 产业的蓬勃发展。 1 1 1 汽车电子发展概述 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的专用计算机系统，适用于对功 能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的系统。1 9 7 1 年i n t e l 公司推出了世 界上第一款微处理器i n t e l4 0 0 4 ，使得计算机技术出现了历史性的变化。经过几 十年的发展，微处理器经历了8 位机、1 6 位机直到目前的3 2 位机，内部集成的 接口无所不包，速度和存储器容量也大幅提高“1 每年有1 0 亿到2 0 亿的微处理 器用于嵌入式设备。它们具备体积小、造价低、适用性强等特点，被广泛地应用 于军事、医疗、通信、消费电子、交通运输、航空航天、工业生产等领域。 嵌入式技术的飞速发展，推动了汽车技术的电子化革新。汽车电子化的程度 被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型、改进汽车性能及提 高汽车安全性的最重要的技术措旌。 汽车电子发展可分为四个阶段。第一阶段为1 9 7 4 年以前，是汽车电子控制 技术发展的初级阶段。主要产品有：交流发电机、电压调节器、电子闪光器、电 子喇叭、间歇刮水装置、汽车收放音机、电子点火装置、数字时钟等。第二阶段 为1 9 7 4 年至1 9 8 2 年，是汽车电子控制技术快速发展阶段，以集成电路以及1 6 位以下的微处理器在汽车上的应用为标志。主要产品有：电子燃油喷射系统、空 燃比反馈控制系统、防抱死制动系统、安全气囊系统、电子控制自动变速系统、 巡航控制系统、电子控制门锁系统、程控驾驶系统、超速报警系统、车辆防盗系 统、故障自诊断系统、车身高度自动控制系统、数字式组合仪表盘( 包括数字式 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 车速表、里程表、转速计、燃油表、水温表) 等第三阶段为1 9 8 2 年至1 9 9 0 年， 是微机在汽车上应用日趋成熟并向智能化发展阶段。主要产品有：轮胎气压控制 系统、牵引力控制系统、全轮转向控制系统、声音合成与识别系统、电子负荷调 节器、蜂窝式电话、倒车示警器、自动后视镜系统、道路状况指示器、集成线束 等。目前，汽车电子技术已经发展进入第四阶段，出现车用微波系统、多路传输 系统、3 2 位微处理器。此时开发的产品有：通讯与导航协调系统、防撞系统、 动力最优化系统、自动驾驶系统和电子地图等。随着汽车电子第四阶段的发展， 智能化汽车将最终出现o 】。 1 1 2 我国汽车电子发展现状 近几年，随着中国经济的持续快速增长，汽车工业的发展变得更加重要。中 国汽车市场的增长速度惊人，国内汽车销售总量从2 0 0 5 年的5 7 2 万辆达到2 0 0 6 年的7 2 1 万辆。2 0 0 6 年，中国已超越同本而成为全球第二大汽车市场。快速发展 的汽车产业为汽车电子产品提供了广阔的应用市场。据统计，2 0 0 5 年中国汽车电 子市场整体规模达到了6 2 4 3 亿元，销售额与2 0 0 4 年的同比增长高达3 6 3 。 在国外每辆新车上的汽车电子支出占整车平均价值的2 6 2 9 ，越是高档车， 电子化趋势越明显，一些豪华轿车配置了多达4 8 个微处理器，电子产品在成本 中的比例甚至要超过一半以上我国汽车电子产业的发展严重滞后于汽车工业整 体发展水平，国内平均每辆新车的汽车电子支出为8 8 5 美元，而同期全球平均每 辆新车的汽车电子支出为2 0 2 5 美元，差距相当明显。另外目前中国汽车保有量 每千人不到3 0 辆，远远低于世界平均每千人1 2 0 辆。由此可见，我匡汽车电子 产业发展前景广阔，潜力巨大预计到2 0 1 0 年，我国汽车电子产品市场规模将 达到近2 0 0 0 亿元。汽车电子产业将成为我国又一个新的支柱产业 目前，我国汽车电子产业正处于加速发展阶段。然而与国外厂商相比，我国 的汽车电子水平仍十分落后。大部分先进汽车电子设备都依靠进口，为国外厂商 或合资企业所垄断，尤其是汽车电子控制系统产品的开发。它是汽车电子产业中 技术门槛最高，但同时也是利润率最好的产业，其在汽车电子产业中的产值也是 最大的。汽车电子控制系统的开发与应用正逐渐从过去的院校和研究机构为主的 研发向以企业为主导并以产业化为目标的趋势发展。未来几年国际知名汽车电子 企业的涌进以及国内大批汽车电子供应厂商的崛起将成为我国汽车电子产业发 展的重要特点。 2 浙江丈学顼上学位论文第l 章绪论 1 1 3 a u t o s a r 概述 随着汽车电子的飞速发展，应用需求不断增多，硬件资源不断丰富，软件系 统也就变得日趋复杂。当今汽车电子的主要任务是实现新的功能。然而越来越多 的资源被花费到将现有解决方案移植到不同的环境中。同时，互联组件数量的增 加，使得复杂性提高，用传统开发方法已难以处理。如何充分发挥各个厂商的优 势，分工合作共同完成复杂的控制系统开发，成为目前关注的一个重点。因而软 件标准化的重要性被越来越多的汽车厂、部件商所重视。 1 1 3 1 简要介绍 为了处理汽车电子领域软件功能剧增的问题，通过工业范围内的标准化软件 设施来大大减少结构上的复杂性是必须的。2 0 0 3 年夏天，a u t o s a r 开发协会正式 成立，并与2 0 0 4 年启动了主要的工作。除了1 0 个核心成员外，目前还有4 8 个 额外成员支持该方案。从半导体工业、工具和软件厂商到汽车制造商本身，整个 汽车领域内的价值体系给了方案积极的推动。口1 a u t o s a r 是a u t o m o t i v eo p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ( 汽车开放式系统架构) 的简称，定义了一套支持分布式的、功能驱动的汽车电子软件开发方法和电子控 制单元上的软件架构标准化方案，以便应用于不同的汽车和平台，提高软件复用， 降低开发成本。a u t o s a r 开发协会提倡“在标准上合作，在实现上竞争”的原则 它希望在汽车电子领域创造出一个标准，既是功能上、接口上的标准，也是方法 上、流程上的标准，以使得各个厂商可以在一个开放的平台下，提供符合标准的 不同实现。也就是说，标准大家都一样，但是实现不一样，谁实现得好谁就可以 赢得竞争。 a u t o s a r 的目的包括： 解决汽车功能可用性和安全性需求： 保持汽车电子系统一定的冗余； 方便移植到不同的汽车和平台； 实现标准的基本系统功能作为汽车供应商的标准软件模块； 通过网络共享软件功能； 集成多个开发商提供的软件模块； 贯穿整个产品生命期的软件维护； 更充分的利用硬件平台的处理能力； 进行汽车电子软件的更新和升级。m 3 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 3 2 基本概念 a u t o s a r 的核心思想在于“统标准、分散实现、集中配置”统一标准才能 给各个厂商提供一个通用的开放的平台；分敖实现则要求软件系统层次化、模块 化，并且降低应用与平台之间的耦合度；不同的模块来自不同的厂商，它们之间 存在复杂的相互联系，要想将其整合成一个完善的系统，必须要求将所有模块的 配置信息以统一的格式集中管理起来，集中配置生成系统嘲。 一个汽车电子应用系统可以包含多个互相关联的a u t o s a r 组件。这些组件通 过虚拟功能总线提供的标准通讯机制与服务，实现平台无关性。根据系统约束和 e c u 描述，如图1 1 所示，包含多个a u t o s a r 组件的汽车电子应用系统被映射到 多个电子执行单元中。 上文和图中提到的概念，介绍如下： a u t o s a rs w - cf s o f t w a r ec o m p o n e n t ) a u t o s a r 软件组件，封装了运行在a u t 0 s a r 基础构架上的应用程序( 如图1 1 最上层所示) ，a u t o s a r 标准对其接口进行了描述和标准化。 s w - cd e s c r i p t i o n 软件组件描述，a u t o s a r 提供的一种标准描述格式，描述用来集成a u t o s a r 软件组件所需的接口及其他方面信息。 v i r t u a lf u n c t i o n a lb u s ( v f b ) 虚拟功能总线，是由a u t o s a r 提供的所有通信机制的抽象当一个具体系统 的软件组件之间的连接被定义好之后，通过v f b 可以在开发的较早时期将它们虚 拟的集成。 s y s t e mc o n s t r a i n ta n de c ud e s c r i p t i o n s 系统约束和e c u 描述，为了使各个a u t o s a r 软件组件能够集成为e c u 网络， a u t o s a r 提供了描述格式，用来完成包括对单个e c u 系统配置在内的整个系统设 计。这些描述与软件组件描述是独立的。 m a p p i n go ne c u s e c u 映射，a u t o s a r 定义了必要的方法和工具支持，用于各种描述单元的信 息合成，从而建立一个个具体的e c u 系统。特别是，包含了各个e c u 的运行时环 境和基础软件的配置和生成。 r u n t i m ee n v i r o n m e n t ( r t e ) 运行时环境，r t e 是在一个特定的e c u 上实现的虚拟功能总线。 b a s i cs o f t w a r e 4 浙江大学硕上学位论文第1 章绪论 基础软件，提供某个e c u 上的基础功能包括系统服务、0 s 、底层驱动等等， 将在下节中介绍。 图i - 1 基本a u t o s a r 方法i s 1 1 3 3 软件架构 a u t o s a r 采用分层的结构设计一般情况下，每一层只能使用下一层的接口， 并向上一层提供接口。如图1 2 所示，从上至下依次为应用层、r t e 层、系统服 务层、e c u 抽象层和微控制器抽象层，还有一个复杂驱动模块。 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 - 2a u t o s a r 软件架构层次图唧 应用层 在应用层，1 1 - 3 2 小节中提到的所有a u t o s a r 软件组件，包括应用软件组 件、传感器和执行器软件组件，都位于此。该层的软件组件不管是内部通讯还是 访问e c u 资源，都是通过r t e 完成的。应用层的软件实现与微控制器、e c u 和硬 件都是独立的。 r t e 层 本层与1 1 3 2 小节中提到的r t e 层是一致的。r t e 层的目的就是使得应用 层的软件实现与具体硬件无关，它为应用层提供通讯服务。r t e 层之下，软件架 构是层次型，之上变成组件型。r t e 层的实现与f l u 和具体应用相关，必须为每 个e c u 分别实现。 服务层 服务层包含通讯、服务、操作系统等模块。它为应用和基础软件模块提供基 本服务。服务层位于1 1 3 2 小节中提到的基础软件的最高层，提供的包括：操 作系统服务、车载网络通讯和管理服务、存储服务、诊断服务和e c u 状态管理。 服务层的实现部分与微控制器、e c u 硬件和具体应用相关。 e c u 抽象层 e c t j 抽象层提供统一的接口来访问外设，为上层屏蔽该设备是芯片内部还是 外部的。它包含外部设备的驱动。e c u 抽象层的实现与e c u 硬件相关，与微控制 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 器无关 微控制器抽象层 微控制器抽象层是与实际硬件直接接触的一层，位于基础软件的最底层。它 包含驱动，用于访问微控制器内的外设或者内存映射到微控制器内的设备。很显 然，微控制器抽象层为上层屏蔽了具体的微控制器硬件，它的实现与微控制器是 相关的。 复杂驱动 复杂驱动与其他各层不同，它无法被归入某一层中，因此被单独列出。它包 含处理复杂的传感器和执行器的驱动模块，它们有特殊的功能和时闻要求。复杂 驱动的实现与微控制器、e c u 和具体应用是密切相关的。 1 2 本文的内容和主要贡献 面对汽车电子产品硬件资源不断丰富，软件系统复杂性剧增的现实，解决应 用程序重复开发、移植困难的问题，减少花费到现有方案移植上的资源浪费，成 为目前需要研究的一个重要课题。嵌入式系统，包括汽车电子控制系统，不像p c 机那样具有广泛应用的各种工业标准，一般不同的应用需求往往采用定制的硬件 平台由于汽车电子控制系统对实时性要求高、拥有的资源少，软件系统往往与 硬件平台密切相关。现有软件系统在不同平台上的移植，其成本可能比直接重新 开发还要高。 本文详细介绍了一种主要面向汽车电子领域的板级支撑平台技术。提出了具 体设计，并实现飞思卡尔公司h c s l 2 系列微控制器上的板级支撑平台之后该平 台被应用到浙江大学嵌入式系统工程实验室开发的s m a r t a m t 上，详细介绍了一 般汽车电子软件控制系统应用板级支撑平台应采取的具体步骤和取得的效果 本文提出的板级支撑平台针对汽车电子的应用特点对底层硬件进行了抽象， 使得上层软件的实现与硬件无关，极大的提商了软件的可移植性，并降低了软件 开发复杂度；同时，由于板级支撑平台的存在，汽车电子应用系统的设计可以摆 脱原先的硬件和软件串行开发模式，软件系统在硬件平台设计、调试完成之前即 可开始，实现软硬件并行开发，缩短设计开发周期。 板级支撑平台利用模块化和层次化设计思想，增强代码的可维护性，提高代 码的重复利用率。同时参照欧洲的汽车开放式系统架构a u t o s a r 标准进行设计， 所有模块都提供统一的a u t o s a r 标准接口，使得支撑平台本身具有良好的扩展性 和广泛的适用性。目前a u t o s a r 标准提出不久，国外各大汽车、芯片厂商纷纷加 7 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 盟，进入起步研究阶段，而国内还没有厂商加入该组织我国汽车电子正进入飞 速发展时期，我们应抓住机遇，现在就丌始研究a u t o s a r 一这个将在汽车电子 领域得到广泛认可的开放架构标准，以求在汽车电子这个分工日益细化的产业链 中占有一席之地。本文提出的板级支撑平台主要参照a u t o s a r 五层软件架构中的 最低两层，希望能对a u t o s a r 的研究起到一点抛砖引玉的作用。 1 3 本文的结构 第一章( 绪论) 介绍整个课题研究的背景，以及论文的主要内容和贡献所在。 第二章( 技术基础) 介绍与本文有关联的两种硬件抽象技术，以及本文所使 用到的一些技术基础和技术特点。 第三章( 总体设计) 介绍板级支撑平台的层次结构，并详细说明各个模块的 设计 第四章( 具体实现) 详细阐述板级支撑平台在h c s l 2 硬件平台上的实现。 第五章( 应用实例) 将实现的板级支撑平台应用到s m a r t a m t 当中，介绍具 体应用所做工作，并分析应用效果。 第六章( 总结与展望) 总结论文的主要内容并对后续的改进与应用做了展望。 1 4 本章小结 本章简单介绍了汽车电子及其发展的四个阶段，之后简述我国汽车电子的发 展现状，然后从目的、基本概念、软件架构等方面介绍a u t o s a r 标准，完成对 整个课题研究背景的介绍。 本章后两节介绍了论文的主要内容和贡献所在，并对论文的各章内容做了简 单介绍。 8 浙江大学硕士学位论文 第2 章板级支撑平台技术摹础 第2 章板级支撑平台技术基础 板级支撑平台是在两种现有技术板级支持包技术和通用硬件抽象层技 术的基础上，根据汽车电子应用系统的特点提出，与这两种技术有关联，但又有 较大不同。本章先介绍相关的这两种技术，之后着重阐述板级支撑平台的原理及 其在a u t o s a r 框架下的架构。 2 1 板级支持包技术 2 1 1 板级支持包概念 板级支持包，即所谓的b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k e t s ) ，是嵌入式系统中的 重要部分。不同的应用场合需要不同的嵌入式系统，硬件平台的多样性是嵌入式 系统的主要特点。但嵌入式系统不像p c 机那样具有广泛应用的各种工业标准， 一般不同的应用需求往往采用定制的硬件平台这种不定的硬件平台导致嵌入式 系统无法完全由操作系统来实现上层软件与底层硬件的无关性为了使嵌入式操 作系统在不同的硬件平台上能够有效地运行，需要有一个介于硬件平台和操作系 统之间的硬件相关层，这就是b s p 。它介于操作系统和硬件之间，是两者的桥梁 和屏障。如图2 1 所示，b s p 可以直接操作硬件，为操作系统屏蔽底层硬件细节， 使之更好地运行在该硬件平台上。 硬件无关的软件模块 i o 系统ii t c p i p 且操作系统库 千 主j 一 哗型 m u x t 硬件相关的软件模块 嵩 砸殛互 斗 i 驱动 卜- b s p h 一网络驱动f t r 。l f 。 | f lt i 茵凿张茜习向 图2 - ib s p 在软件系统中的位置 9 浙江大学硕十学位论文第2 章板级支撑平台技术基础 显然的，不同的嵌入式平台有不同的b s p 但对于同一个处理器，不同的操 作系统对应的b s p 也是不同的例如v x w o r k s 的b s p 和l i n u x 的b s p 在同一个嵌 入式平台上，尽管实现的功能一样，但写法和接口定义是完全不同的。b s p 是相 对于操作系统而言的，可以被认为是操作系统的一部分。因此，b s p 具有硬件相 关性和操作系统相关性的特点 b s p 的主要作用包括： 1 初始化底层硬件，为操作系统提供底层硬件信息； 2 初始化硬件设备，包括存储设备、通讯设备等； 3 检测系统硬件是否正常； 4 加载操作系统并启动系统。m 2 1 2 板级支持包开发 在嵌入式系统中，有效的b s p 对于系统的正确启动和运行起着至关重要的作 用。b s p 与一般软件不同，它有一整套相对固定的模版和格式，开发人员必须严 格遵守。在b s p 中，绝大部分文件的文件名和所要完成的功能都是事先指定的 由于b s p 的硬件相关性和操作系统相关性的特点，开发人员必须对硬件平台和操 作系统有相当的了解。 b s p 最主要的任务就是初始化硬件和引导操作系统。一般来说，它要完成对 c p u 、中断、存储、通讯等相关硬件的初始化工作，之后引导操作系统运行b s p 的实现因硬件平台和操作系统的不同而有较大差异。 对用户来说，从头开始开发一个全新的b s p ，工作量相当大，而且基本没有 必要。目前较多的是采用二次开发的方法。嵌入式操作系统通常会提供针对某种 类型c p u 的d e m o 板b s p ，用户可以在其上进行修改、移植，开发符合自己需要的 b s p 传统的b s p 开发是以单板为单位进行，往往造成代码重复开发、通用性差、 维护量大等问题。模块化思想正被应用到b s p 开发当中 2 2 通用硬件抽象层技术 2 2 1 硬件抽象层概念 为了便于操作系统在不同的硬件平台上移植，微软公司最早提出将操作系统 底层与硬件相关的部分单独设计成硬件抽象层h a l ( h a r d w a r ea b s t r a c t i o n l a y e r ) 的思想。 1 0 浙江大学硕十学位论文第2 章板级支撑平台技术基础 硬件抽象层屏蔽具体硬件细节，通过a p i 向上层操作系统和应用程序提供服 务，实现操作系统和应用程序与硬件无关。对于新的硬件平台，只要 i a l 能够实 现，那么上层软件就可以方便的移植。h a l 的提出推动了嵌入式操作系统的通用 程度，促进了嵌入式系统的发展。嵌入式系统也由原先的三层结构：硬件平台、 嵌入式操作系统、嵌入式应用程序，演变为如图2 - 2 所示的四层结构 二堕亟 l 操作系统驱动 内核程序 图2 - 2 加入h a l 的嵌入式系统结构示意圈 2 2 2 通用硬件抽象层设计 在2 1 中提到的板级支持包b s p 是目前大多数商用嵌入式操作系统对硬件抽 象层的一种实现。我们知道，b s p 是为嵌入式操作系统在不同的硬件平台上移植 而设计的，b s p 与操作系统和硬件平台都紧密相关。即使在同一种微处理器的硬 件平台上，支持不同的嵌入式操作系统的b s p 之间在组织结构、提供功能、实现 接口等方面都完全不同。在同一种硬件平台上，对于不同的操作系统，b s p 不通 用。因而，b s p 形式的硬件抽象层是一种封闭的专用硬件抽象层。 通用硬件抽象层的概念被提出。与b s p 不同，它为在某种硬件平台上的嵌入 式操作系统内核的开发和构件提供一种开放、通用的平台所有在该硬件平台上 运行的操作系统都能使用该平台。 2 2 2 1 功能模块设计 要向上层操作系统提供统一的硬件功能，则必须对嵌入式操作系统的硬件相 关部分功能进行抽象。主要功能模块包括：系统启动初始化、任务上下文管理、 中断异常管理和时钟管理。 系统启动初始化 操作系统内核启动前必须对相关的硬件设备初始化，包括c p u 、中断等，以 提供一个内核正常运行必要的软硬件环境 任务上下文管理 浙江大学硕士学位论文 第2 章板级支撑平台技术基础 操作系统的任务调度涉及到任务上下文的管理。任务上下文指的是任务运行 时c p u 中相关寄存器的内容因而任务上下文管理的实现依赖于具体的硬件体系 结构。通用硬件抽象层需要统一定义寄存器上下文的保护格式，向上层提供任务 上下文基本操作的a p i 中断异常管理 中断异常管理是嵌入式操作系统的重要组成部分。通用硬件抽象层为中断异 常处理进行了必要的包装，向嵌入式操作系统屏蔽底层的中断异常处理；同时将 中断控制器控制的外设请求抽象成为统一的i r q 设备。嵌入式操作系统通过操作 抽象i r q 设备来管理外设的中断服务程序，对中断控制器操作。 定时管理 定时管理负责为操作系统的时钟滴答处理提供必要的定时机制，同时也为其 它的系统功能提供定时服务。定时功能是硬件抽象层为嵌入式操作系统提供的非 常重要的功能，特别是对嵌入式实时操作系统而言。通用硬件抽象层根据对硬件 定时器的抽象为操作系统提供统一的抽象定时器设备。 2 2 2 2 层次结构设计 通用硬件抽象层是一个开放、通用的平台，为硬件平台上的各种嵌入式操作 系统的开发提供统一的平台。同时通用硬件抽象层也应该能够在不同的开发平台 上使用，虽然它的具体实现可能会有不同，但接口是统一的。这对硬件抽象层本 身的扩展性和可移植性提出了要求 与硬件平台相关的软件可分为体系结构相关和外设寄存器相关两部分体系 结构相关软件部分能够用于与c p u 内核体系结构兼容的不同嵌入式微处理器上， 而外设寄存器部分则因嵌入式微处理器的不同而不同。因此，通用硬件抽象层的 实现设计成为如图2 3 所示的三层结构：通用层、体系结构层、外设层。 通用层 通用层是与具体硬件无关，能够通用于各种硬件平台的一层。通用层内包括： 对统一的与编译器无关的数据类型、抽象设备的数据结构定义，以及提供给嵌入 式操作系统的各种操作服务的接口通用的实现部分。当扩展或移植到其他硬件平 台上时，通用层无需修改，而只需对下层进行替换。 1 2 浙江大学硕士学位论文第2 章板级支撑平台技术基础 图2 - 3 通用硬件抽象层层次结构示意图 体系结构层 体系结构层对体系结构相关的数据类型以及数据结构进行定义。包括寄存器 上下文保存格式的定义以及对中断异常向量起始地址、各种异常和中断处理的入 口偏移等。实现的内容主要是对于c p u 内核中各种寄存器的访问，对中断异常向 量表的操作以及底层的中断和异常处理。 针对某种体系结构实现的体系结构层，对于使用c p u 体系结构兼容的微处理 器的硬件平台是通用的。 外设层 外设层是针对各种嵌入式微处理器而分别设计实现的。外设层主要包括对外 围设备的操作，其实现由上层定义的接口决定外设层与具体的微处理器相关， 因此对于不同的硬件平台无法通用，必须重新设计实现。 各个层次之间的接口都是统一定义的。各层功能实现按照接口规范进行。有 些接口使用宏定义方式，从而减少分层带来的性能损失。嘲 2 3 板级支撑平台原理 在市场和法规的双重推动下，汽车电子飞速发展。硬件资源的不断丰富，软 件系统的日趋复杂，应用程序重复开发、移植困难的问题凸显，越来越多的资源 被花费到将现有解决方案移植到不同的环境中针对这一问题，本文提出了一种 主要面向汽车电子领域的硬件抽象技术板级支撑平台技术 1 3 浙江大学硕七学位论文 第2 章板级支捧平台技术基础 2 3 1 板级支撑平台概念 板级支撑平台是这样的一个软件系统，它包含一个功能丰富、可配置的底层 驱动库和一套统一的硬件抽象接口，向上屏蔽具体的硬件细节，通过提供统一的 接口，实现上层软件的可移植，并根据需要调用驱动库中程序实现对硬件的直接 操作。板级支撑平台是直接附着于电子控制单元e c u 上的，可以认为是e c u 的 个组成部分，包含对微控制器、存储、通讯、i o 等设备的控制处理。使用板级支 撑平台的系统架构图见图2 - 4 。 图2 4 加入板级支撑平台的系统架构图 板级支撑平台要对硬件直接操作，这意味着它是硬件平台相关的。但平台相 关并不表示板级支撑平台本身无法进行移植和扩展，模块化和层次化方法的利 用，增强了代码的可维护性，提高了代码的重复利用率。 板级支撑平台是相对于某个硬件平台，即某个e c u 来讲的。一个e c u 的板级 支撑平台实现了该e c u 能提供的各种功能。类似于个硬件驱动库，板级支撑平 台提供的功能和接口并不都是上层软件需要的。操作系统和应用软件的开发者可 以根据具体应用，利用宏开关、参数配置等方式选用需要的功能和接口，高效灵 活的完成嵌入式系统开发。 2 3 2 板级支撑平台技术特点 目前，本文所述的板级支撑平台主要面向汽车电子领域。板级支撑平台针对 汽车电子的应用特点对底层硬件进行了抽象，使得上层软件的实现与硬件无关， 极大的提高了软件的可移植性；同时，由于板级支撑平台的存在，汽车电子应用 系统的设计可以摆脱原先的硬件和软件串行开发模式，软件系统在硬件平台设 计、调试完成之前即可开始，实现软硬件并行开发，缩短设计开发周期。然而板 l 浙江大学硕上学位论文 第2 章板级支撑平台技术基础 级支撑平台技术与现有的板级支持包技术和通用硬件抽象层技术有着较大不同 目前的硬件抽象技术主要是为了便于操作系统在不同的硬件平台上移植而 设计的板级支持包是操作系统的一部分，是硬件与操作系统的桥梁，与其它驱 动或者应用程序没有关联；通用硬件抽象层是硬件与其它所有软件的桥梁，实现 寄存器级的硬件抽象，所有的上层软件包括驱动在内都是通过它实现对硬件的操 作；板级支撑平台则主要是为了便于上层应用程序在不同的硬件平台上移植而设 计。板级支撑平台为操作系统和上层应用提供接口，实现硬件抽象；同时，针对 汽车电子应用特点，板级支撑平台并没有完全将底层硬件与其它软件隔离开，它 允许操作系统和部分特殊程序( 如复杂驱动) 对硬件直接操作，从而实现程序的 高效性和稳定性。 从结构上来讲，板级支撑平台包含了底层硬件的驱动程序，减少了代码的重 复开发，提供了代码效率；板级支持包和通用硬件抽象层都没有这部分。板级支 持包由于本身的功能定义，不可能包含驱动程序，而对于通用硬件抽象层来说， 包含驱动也是不大可能的。因为嵌入式系统千差万别，所用硬件平台之间差别甚 大，很难抽象出通用的驱动接口并将其实现。驱动程序只能位于通用硬件抽象层 之上，通过它提供的接口对硬件进行操作。通用性和高效性是对立统一的，我们 需要找到一个适当的平衡点。汽车电子板级支撑平台正是依据汽车电子应用系统 的特点，总结抽象出一些通用模块，纳入到支撑平台中，其中各驱动模块是整个 平台的主要组成部分。 板级支撑平台借鉴板级支持包和通用硬件抽象层技术，针对应用领域的特 点，对硬件平台进行抽象，提供对操作系统和应用软件的支持；利用层次化结构 和模块化设计，提高代码的重复利用率和可维护性，并实现自身的可扩展性和可 维护性。 2 4a u t o s a r 中的板级支撑平台架构 a u t o s a r 定义了整套汽车电子软件开发方法和电子控制单元上的软件架构 标准化方案。r u t o s a r 对汽车电子应用系统的层次化结构进行详细划分，如图2 5 所示，基础软件的每层又被分为若干个模块。 1 5 浙江大学硕士学位论文 第2 章扳级支撑平台技术基础 图2 - 5a u t o s a r 详细软件层次图p j 按照a u t o s a r 的规定，图2 5 中右边绿色部分是复杂驱动模块，是独立的部 分，不属五层结构的任一层。我们先从横向分析，在1 1 3 3 中有过介绍，最靠 近硬件的红色层是微控制器抽象层，它可分为微控制器驱动模块，存储驱动模块， 通讯驱动模块和1 0 驱动模块四部分；其上绿色的是e c u 抽象层，分为板上设备 抽象模块、存储硬件抽象模块、通讯设备抽象模块和i o 硬件抽象模块：之上紫 色的是系统服务层，分为系统服务模块、存储服务模块、通讯服务模块，系统服 务模块包含了操作系统。每一层都提供统一的接口为上层服务 我们再从纵向看，r t e 下的基础软件可以分为五大块： 系统模块 由微控制器驱动模块、板上设备抽象模