基于嵌入式硬件构件模型的底层软件开发方法的研究.pdf

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1、国家自然科学基金(60871086)资助 Supported by National Natural Science Foundation of China(60871086)1.苏州大学计算机科学与技术学院,苏州 215006 2.苏州大学电子信息学院,苏州 215021 1.Computer Science and Technology School of Soochow University,Suzhou 215006 2.Electronics and Information School of Soochow University,Suzhou 215021 基于嵌入式硬件构件模型的

2、底层软件构件开发方法研究 基于嵌入式硬件构件模型的底层软件构件开发方法研究 蒋银珍1 王宜怀1 王加俊2 摘 要 摘 要 为了提高嵌入式系统的硬件和底层软件的可移植性，本文对基于嵌入式硬件构件模型的底层硬件驱动程序（即底层构件）的开发方法进行了研究，给出了硬件构件与软件构件的层次关系图以及底层构件的封装原则，通过实例分别阐述了 GPIO 构件、功能构件和外设构件的程序编制方法以及移植性问题.关键字 关键字 构件,驱动程序,软件构件,底层构件,移植性 图分类号图分类号 TP311，18 Development Method Research for Bottom Driver Based on

3、EHC JIANG Yin-Zhen1 WANG Yi-Huai1 WANG Jia-Jun2 Abstract In order to increase the transplantable ability of the hardware and bottom software,this paper studies the development method of the driver(bottom component)based on hardware component,presents the hierarchy between hardware component and soft

4、ware component.The thesis also introduces the package rule for bottom component,expatiates on how to program and transplant GPIO component、inner-function component and outer-function component via example.Key words Component,Driver,Software component,Bottom component,Transplantable ability 1 前言前言 嵌入

5、式软件复杂度的增长对嵌入式软件开发技术的提高提出了迫切的要求。虽然软件工程在嵌入式领域的发展远远落后于其他领域，但近几年不少学者试图将软件工程中的基于构件的开发思想引入到嵌入式领域，为嵌入式软件开发提供理论支撑。但是，这方面的研究还刚刚起步，有关嵌入式软件设计建模及规范的理论与应用研究将成为嵌入式软件工程的研究热点。嵌入式软件工程的研究目标是建立起一套规则，规范程序的编写，减少工作的重复，提高软件的可移植性和可维护性，减少系统开发时间。目前，人们研究的嵌入式软件开发方法大多建立在嵌入式操作系统基础上，而对于很多专用领域的嵌入式系统而言，由于 Flash 容量较小，结构和功能相对比较单一，无需操

6、作系统的支持，因此与硬件打交道的底层驱动程序往往需要设计人员自己编写。目前有关底层驱动程序编写规范的研究很少。对于嵌入式系统工程师而言，开发出稳定、完备的驱动程序不仅需要有丰富的开发经验和熟练的开发技能，更需要一个具有指导作用的驱动程序开发模型。为了解决这个问题，本文在基于嵌入式硬件和软件协同设计思想的基础上，将与硬件密切相关的底层驱动程序抽象并封装起来，定义为底层构件，努力做到：对于以单 MCU 为核心的嵌入式系统而言，当 MCU 的型号发生改变或系统外围设备（如键盘、LCD 等）接口发生改变时，相应的驱动程序要改动很小甚至无需修改，而上层调用程序不必作任何改动，从而提高了系统软件的可重用性

7、和可移植性。2 嵌入式系统硬件设备驱动程序的特点和要求嵌入式系统硬件设备驱动程序的特点和要求 众所周知，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁剪，并能适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面的严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统与硬件紧密相关，是软件与硬件的综合体，硬件设计和软件设计相辅相成。嵌入式系统中的驱动程序是直接工作在各种硬件设备上的软件，是硬件和高层软件之间的桥梁。正是通过驱动程序，各种硬件设备才能正常运行，达到既定的工作效果。驱动程序的开发在嵌入式系统的开发中具有举足轻重的地位。驱动程序的好坏直接关系着整个嵌入式系统的稳定性和可

8、靠性。然而，开发出完备、稳定的驱动程序并非易事。长期以来，开发人员在编写驱动程序时缺少软件工程思想的支撑，软、硬件设计过程孤立，造成与硬件密切相关的底层软件缺乏通用性，导致可移植性和可复用性较差，开发过程中缺少标准化、文档化的管理，给开发人员之间的交流以及日后系统的维护带来很大的困难。下文提出的基于嵌入式硬件构件模型的底层驱动软件开发方法将硬件设计和底层软件设计这两个过程有机地联系起来，可以在一定程度上解决上述问题。3 嵌入式硬件构件和软件构件的层次模型嵌入式硬件构件和软件构件的层次模型 嵌入式硬件构件是将一个或多个硬件功能模块、支撑电路及其功能描述封装成一个可重用的硬件实体，并提供一系列规范

9、的输入/输出接口。按地位来分，硬件构件可分为核心构件、中间构件和终端构件。核心构件为MCU的最小系统，中间构件是核心构件与终端构件进行连接的桥梁。该文中提出的面向硬件构件的原理图绘制规则的应用不仅增强了硬件的可移植性，同时它也为编写底层驱动程序作好了充分的准备。嵌入式系统是硬件和软件的综合体。硬件系统可看作是由若干个硬件构件“组装”而成，同样，软件系统也可看作是由若干个软件构件“组装”而成。嵌入式软件构件（Embedded Software Component,ESC）是实现一定嵌入式系统功能的一组封装的、规范的、可重用的、具有嵌入特性的软件单元，是组织嵌入式系统的功能单位。嵌入式硬件构件与软

10、件构件的层次模型如图1所示。图1 嵌入式硬件构件与软件构件的层次模型 根据和硬件相关与否，嵌入式软件构件分为高层构件和底层构件。高层构件与硬件无关。而底层构件与硬件密不可分，是硬件的驱动程序。如何合理封装底层构件是本文研究的重点。上文提到，核心构件为MCU的最小系统。通常，MCU内部包含有通用IO口和一些内置底层内部构件 核心 构件硬件构件层 底层构件层 功能构件底层外设构件 中间构件 终端构件 高层构件 高层构件层 GPIO 构件MCU 头文件 功能模块，不同型号MCU可能存在名称相同或功能相似的内置模块，例如Freescale HC08系列芯片MC68HC908GP32（以下简称GP32）

11、、MC68HC908GZ60（以下简称GZ60）、HCS12系列芯片MC9S12DG128（以下简称DG128）内的串行通信模块称为SCI模块，而ColdFire系列芯片MCF52233芯片内的串行通信模块称为UART模块。通过对不同MCU的相同或相似的内置模块的共性和个性分析，抽取出属性和操作并封装成软件构件，本文将这种软件构件称为底层内部构件。其中，通用IO口封装成GPIO构件，其它内置模块封装成功能构件。相对于核心构件而言，中间构件和终端构件是核心构件的“外设”。由这些“外设”的驱动程序封装而成的软件构件称为底层外设构件。注意，并不是所有的中间构件和终端构件都可以作为编程对象。例如：键盘

12、、LED、LCD等硬件构件与编程有关，而电平转换硬件构件就与编程无关，因而不存在相应的底层驱动程序，当然也就没有相应的软件构件。由图1可看出，底层外设构件可以调用底层内部构件，如LCD构件可以调用GPIO构件、PCF8563构件（时钟构件）可以调用IIC构件等。而高层构件可以调用底层外设构件和底层内部构件中的功能构件，而不能直接调用GPIO构件。4 底层构件底层构件 4.1 底层构件封装的通用原则底层构件封装的通用原则 与高层构件一样，底层构件也有两个基本元素：描述和实体.其中，描述可看作是底层构件的使用说明，详细介绍构件的功能、移植时需修改的关键参数以及注意事项等。底层构件的实体可看作是属性

13、和操作的集合。属性用来描述底层构件的特性，如端口属性、硬件接口属性等。操作是构件可以执行的动作，如硬件的初始化、发送数据、接收数据等。对底层构件封装时需遵循下列通用原则：（1）属性和操作的命名统一以构件名开头。这样做的好处是：当使用底层构件组装软件系统时，避免构件之间出现同名现象。同时，名称要使人有“顾名思义”的效果。（2）对 MCU 内的模块寄存器名和端口名进行重定义，在其它的代码里面都将使用宏名对模块寄存器和端口进行操作。这样，当底层驱动程序移植到其它 MCU 时，只要修改重定义语句就可以了。（3）内部函数与外部函数要设计合理，函数参数个数及类型要考虑全面。内部函数仅提供给同一构件中的其它

14、内部函数或外部函数调用，作用域仅限于定义该函数的文件。外部函数是对外接口函数，供上层应用程序调用。在定义外部函数时，应该对函数名、函数功能、入口参数、函数返回值、使用说明、函数适用范围等进行详细描述，以增强程序的可读性。上层应用程序不能直接对构件的属性进行读取或设置，必须借助于该构件提供的接口操作函数来实现。（4）禁止通过全局变量来传递参数.应用程序在使用底层构件时，严格禁止通过全局变量来传递参数，所有的数据传递都要通过函数的形式参数来接收。这样做不但使得接口简洁，更加避免了全局变量可能引发的安全隐患。（5）头文件和程序文件的主文件名一致，且为构件名。头文件保存构件的属性定义和对外接口函数原型

15、说明；程序文件存放内部函数和外部函数的实现过程.C 语言具有较好的可移植性。由于不同系列 MCU 的 C 语言略有差异，为了达到通用的目的，本文采用标准 C语言进行设计。头文件为.h 文件，程序文件为.c 文件。4.2 MCU 头文件头文件 严格来讲，图 1 中的“MCU 头文件”不属于一个完整的构件。但考虑到几乎所有的底层内部构件都涉及到 MCU 各种寄存器的使用，因此将 MCU 的所有寄存器定义组织在一起，形成 MCU 头文件，以便其它构件头文件中包含 MCU 头文件。MCU 头文件的主文件名一般为 MCU 的名称，如 GP32.h、MCF52233.h 等。定义寄存器的语句形式为：#de

16、fine 寄存器名称 映像地址，例如 GP32.h 的文件内容为：#define SCC1 *(volatile unsigned char*)0 x13 /SCI 控制寄存器 1#define SCC2 *(volatile unsigned char*)0 x14 /SCI 控制寄存器 2#define SCC3 *(volatile unsigned char*)0 x15 /SCI 控制寄存器 3#define SCDR *(volatile unsigned char*)0 x18 /SCI 数据寄存器#define SCBR *(volatile unsigned char*)0

17、x19 /SCI 波特率寄存器 4.3 底层内部构件底层内部构件 4.3.1 GPIO 构件构件 所谓 GPIO，是指基本的输入/输出接口，是 MCU 与外界进行交互的重要通道。不同MCU 具有的 GPIO 口数目不同、名称不同、端口地址也不同.例如 GP32 具有 5 个 GPIO 口，分别为 A 口、B 口、C 口、D 口、E 口。DG128 具有 10 个 GPIO 口，分别为 A 口、B 口、E 口、H 口、J 口、K 口、M 口、P 口、S 口、T 口。而 MCF52233 具有 13 个 GPIO 口，分别为 AN 口、DD 口、GP 口、AS 口、TA 口、TC 口、TD 口、U

18、A 口、UB 口、UC 口、QS口、LD 口、NQ 口。通过对不同系列、不同位数 MCU 的对比研究发现，GPIO 口大部分具有双重功能，但作为普通 IO 口，它们的共性是均可通过相应口的数据方向寄存器独立地设置为输入或输出。输入时，端口寄存器某位为 0，表示外部输入低电平，为 1 表示输入高电平；输出时，0 表示输出低电平，1 表示输出高电平。除此之外，对于同一端口，数据寄存器和数据方向寄存器的映像地址偏差值均相同。GPIO 口在存在共性的同时，又具有各自的个性，例如 GP32 的 A 口、C 口和 D 口各自具有上拉电阻允许寄存器，而 B 口和 E 口没有；对于 DG128，A 口、B 口

19、、E 口和 K 口都有上拉电阻，共用一个控制寄存器，而其余端口都具有 6 个寄存器，除了所有端口都有的端口寄存器和数据方向寄存器之外，还有输入寄存器、低功耗寄存器、上拉下拉使能寄存器和上拉下拉选择寄存器。因此，对各种 MCU 的GPIO 口进行初始化的语句会有所不同。GPIO构件是对GPIO口驱动程序的封装。通过对不同MCU的GPIO共性和个性的分析，抽取出 GPIO 构件的属性有端口寄存器地址和端口数据方向寄存器地址；GPIO 构件的对外接口操作有初始化端口（GPIO_Init）、获得端口状态（GPIO_Get）以及设置端口状态（GPIO_Set）。以 GP32 为例，GPIO 构件头文件设

20、计如下：#include“GP32.h”/包含 MCU 头文件#define GPIO_PORTA 0#define GPIO_PORTB 1#define GPIO_PORTC 2#define GPIO_PORTD 3#define GPIO_PORT_Start 0 x00#define GPIO_DDR_Start 0 x04#define GPIO_PORT(x)(*(vuint8*)(GPIO_PORT_Start+(x)/端口数据寄存器#define GPIO_DDR(x)(*(vuint8*)(GPIO_DDR_Start+(x)/端口数据方向寄存器/初始化 port 端口的第

21、 pin 引脚状态，direction 表示输入还是输出，state 为输出时的值 void GPIO_Init(uint8 port,uint8 pin,uint8 direction,uint8 state);uint8 GPIO_Get(uint8 port,uint8 pin);/获取 port 端口的第 pin 引脚状态 void GPIO_Set(uint8 port,uint8 pin,uint8 state);/设置 port 端口的第 pin 引脚状态为 state 与 GP32 相比，对于其它型号的 MCU，端口名称不同、相对偏移量不同、数据寄存器和数据方向寄存器的起始地址

22、也不同，因此，在 GPIO 构件头文件（GPIO.h）中，相关的宏定义值（如#define GPIO_PORT_Start 0 x00 中的 0 x00）必定会有所不同。另外，对于不同的 MCU，初始化 GPIO 的代码也不完全相同，因此 GPIO 构件程序文件（GPIO.c）中，函数 GPIO_Init 的实现代码也会有所不同。GPIO 构件是最基本、最常用的构件，凡是与 MCU 的通用 IO 口具有连接关系的硬件构件的驱动程序（属于底层外设构件），都会调用 GPIO 构件，即构件头文件中将有包含语句：#include “GPIO.h”4.3.2 功能构件功能构件 功能构件是对 MCU 内部

23、功能模块（如 SCI、USB、ADC、PWM、SPI、I2C、CAN、Timer以及 Ethernet 等）驱动程序的封装。MCU 的各功能模块都具有若干个供程序员使用的寄存器，用于设置模块正常工作所需要的参数值。虽然这些寄存器的名称、各位含义因系列不同、生产厂家不同而有很大差异，甚至同一厂家的同一系列 MCU 的不同型号也有所区别，但是针对不同 MCU 的相同功能模块的编程，通过仔细分析就可以找出其中的共性，合理设计出适用于各种芯片的通用子程序。例如，串行通信模块 SCI 是大多数 MCU 都具有的内部模块。仔细分析各种 MCU 串行通信程序发现：在查询方式下，各种 MCU 都是根据状态寄存

24、器中的两个标志位来判断是否接收到数据和数据是否发送完毕，这就是 SCI 模块的共性。对于不同的 MCU，该状态寄存器的名称可能不同，这两个标志位的位号也有可能不同。此外，用以设置波特率、通信格式、是否校验、是否允许中断等参数的寄存器也不同，这就是 SCI 模块的个性。分析出了共性和个性之后，就可以抽取出 SCI 构件的属性和操作，编制构件头文件和程序文件了。以 GP32 为例，数据寄存器名称为 SCDR，空标志位（第 7 位）和满标志位（第 5 位）位于状态寄存器 SCS1 中，则 SCI 构件头文件 SCI.h 设计如下：#include“GP32.h”/包含 MCU 头文件#define

25、SCI_ReSendDataR SCDR/数据寄存器#define SCI_ReSendStatusR SCS1 /空标志位和满标志位所在的状态寄存器#define SCI_SendTestBit 7 /发送缓冲区空标志位#defineSCI_ReTestBit 5 /接收缓冲区满标志位 void SCI_Init(void);/初始化 SCI void SCI_Send1(unsigned char x);/发送 1 个字节 void SCI_SendN(unsigned char n，unsigned char ch);/发送 n 个字节 unsigned char SCI_Receive

26、1(unsigned char*p);/接收 1 个字节 unsigned char SCI_ReceiveN(unsigned char n，unsigned char ch);/接收 n 个字节 将 GP32 的 SCI 构件移植到另外的 MCU 上并不复杂，需要做的工作很少。由于不同MCU 的 SCI 模块的数据寄存器名称不同、状态寄存器的名称及位定义不同，初始化工作所涉及的波特率、通信格式、是否校验等设置值也不同，因此当 MCU 改变时，构件头文件中相关宏定义值和 SCI_Init 的函数体实现代码也会有所不同。以 DG128 为例，其有两个串行口 SCI0 和 SCI1.若使用串行口

27、 SCI0 进行收发数据，则数据寄存器名称为 SCI0DRL，空标志位（第 7 位）和满标志位（第 5 位）位于状态寄存器 SCI0SR1 中.因此需要将 GP32 的SCI 构件头文件中前三行修改成如下内容：#include“DG128.h”/包含 MCU 头文件#define SCI_ReceiveSendDataR SCI0DRL/数据寄存器#define SCI_ReceiveSendStatusR SCI0SR1/空标志位和满标志位所在的状态寄存器 前面着重讨论了 SCI 构件的封装方法。对于 MCU 的其它内部模块，如 USB、IIC、ADC、PWM 等，将其驱动程序封装成功能构件

28、的方法与 SCI 构件的封装方法类似，其关键是要通过对不同型号 MCU 的相同功能模块的共性和个性分析，提取出构件属性以及对外接口操作函数。4.4 底层外设构件底层外设构件 底层外设构件是对与核心构件具有连接关系的硬件构件（如液晶显示 LCD、数码管显示 LED、键盘 KeyBoard 等）的驱动程序的封装。这些硬件构件或者与 MCU 的通用 IO 口连接，或者与 MCU 的其它内部功能模块连接，因此底层外设构件头文件中至少包含有 1 个底层内部构件的头文件，如 GPIO.h、SPI.h、IIC.h 等。以编写液晶显示 LCD 的底层外设构件为例，在“基于嵌入式硬件构件模型的原理图绘制规则研究

29、”一文中给出LCD硬件构件设计图。若 LCD 的数据线（LCD-D0LCD-D7）与GP32芯片的通用IO口的B口相连，C 口作为 LCD 的控制信号传送口，其中，LCD寄存器选择信号LCD-RS与C口第 0 引脚连接，读写信号LCD-RW 与 C 口第 1 引脚连接，使能信号 LCD_E 与 C 口第 2 引脚连接，则 LCD 硬件构件实例如图 2 所示.虚线框左边的文字（如 PTC0、PTC1等）为接口网标，虚线框右边的文字（如 LCD-RS、LCD-RW等）为接口注释。这些接口信息将通过宏定义形式反映在 LCD 底层外设构件的头文件（LCD.h）中。对于编写高层软件的用户来说，通常希望L

30、CD构件提供初始化(LCD_Init)、填充屏幕(LCD_Fill)、画点(LCD_PutDot)、画线(LCD_PutLine)、显示字符(LCD_PutChar)、显示字符串(LCD_PutString)等对外接口函数供上层程序调用。而这些功能归根结底都是通过MCU对LCD模块的内部寄存器、显存进行操作来完成的，为此可设计三个最基本的内部函数：写寄存器函数(LCD_RegWrite)、写一个数据到RAM的函数(LCD_DataWrite)、从RAM读一个数据的函数(LCD_DataRead)。分析至此，与图2所示的硬件构件对应的LCD底层外设构件的头文件LCD.h设计如下：#include

31、“GPIO.h”/包含GPIO构件头文件#define LCD_Data GPIO_PORTB /显示数据传送口#define LCD_Ctrl GPIO_PORTC /控制信号传送口#define LCD_RS 0 /寄存器选择信号#define LCD_RW 1 /读写信号#define LCD_E 2 /使能信号 void LCD_Init(void);/液晶显示初始化 void LCD_Fill(INT8U a);/填充LCD，可实现清屏 void LCD_PutDot(INT8U x,INT8U y);/画点 void LCD_PutLine(INT8U x1,INT8U y1,IN

32、T8U x2,INT8U y2);/画线 void LCD_PutChar(INT8U a);/显示一个字符 void LCD_PutString(INT8U str);/显示一串字符 将上述代码中的宏定义语句与图 2 中的接口网标和接口注释关系进行对照，可以发现上面的代码更具体地展现了嵌入式软硬件协同设计思路。若图 2 中 LCD 硬件的数据口（LCD_Data）或控制信号口（LCD_Ctrl）与 MCU 的其它端口连接，或者控制信号与 MCU 端口连接的引脚发生改变，则仅需修改宏定义语句.图 2 LCD 硬件构件实例 若LCD硬件连接的MCU类型发生了改变，此时需要根据新MCU的通用IO口

33、属性修改GPIO构件头文件。若将驱动程序移植至另外一块LCD其实也很简单，一般只需要按照新LCD的接口时序要求重写与硬件直接打交道的三个内部函数（LCD_RegWrite、LCD_DataWrite、LCD_DataRead）；然后根据新的LCD内部控制寄存器的特点，修改对外接口函数，如LCD_Init、LCD_Fill等。5 结束语结束语 嵌入式软件越来越复杂，如何提高嵌入式系统的开发效率成为亟待解决的问题。本文在对硬件构件和软件构件的层次模型分析的基础上，提出了基于硬件构件的底层驱动软件的开发方法，该方法的优点主要体现在以下几个方面：（1）将硬件构件设计和底层构件设计巧妙地联系起来，在提高

34、硬件可移植性的同时，也提高了底层软件的可移植性，从而缩短了产品开发周期，提高了开发效率。（2）面向硬件构件的底层驱动软件开发方法方便程序设计人员为错误定位，为系统的稳定性奠定了基础。（3）规范的代码书写格式提高了程序的可读性，软件工程思想的引入提高了系统的可维护性。参考文献参考文献 1李涛，董云卫.一种嵌入式软件构件模型和构件库J计算机科学,2006(33):259-262 2沈娟，吴晓，张成栋.嵌入式软构件模型JECM的技术研究及实现J微电子学与计算机,2007(24):194-197 3史晓龙，倪洪科，林江.一种嵌入式系统设备驱动程序开发模型J计算机工程与应用,2004(40):111-114 作者简介：蒋银珍：女，讲师，硕士，主研方向：嵌入式系统与智能控制 王宜怀：男，教授，博士，主研方向：嵌入式系统与智能控制 王加俊：男，教授，博士，博士生导师，主研方向：智能控制与图像处理