嵌入式技術(shù)概述-NIOSII處理器系統(tǒng)的軟件設計流程和方法(二)

嵌入式技術(shù)概述_NIOSII處理器系統(tǒng)的軟件設計流程和方法(二)硬件抽象層HAL概述

1）什么是HAL,基于HAL進行系統(tǒng)軟件設計的優(yōu)點是什么？

硬件抽象層HAL是輕量級的運行環(huán)境，提供了設備驅(qū)動程序接口，使用設備驅(qū)動程序接口訪問底層硬件。 優(yōu)點： （1）HAL將應用程序與驅(qū)動程序區(qū)別開來，使底層硬件的改變對應用程 序沒有影響，保證了應用程序代碼的可重用性； （2）、驅(qū)動程序開發(fā)是嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的主要組成部分， 對于應用程序開發(fā)人員，HAL提供了一套初始化和訪問各類設備的 函數(shù)，統(tǒng)一的API對系統(tǒng)硬件是透明的，開發(fā)人員不必關(guān)心底層硬 件的差異； 對于驅(qū)動程序開發(fā)人員，HAL提供了一套必要的驅(qū)動函數(shù)，驅(qū)動程 序調(diào)用驅(qū)動函數(shù)來訪問底層硬件，加快了驅(qū)動程序的開發(fā)。12/13/20232硬件抽象層HAL概述

2）基于HAL開發(fā)NIOSII軟件的特殊優(yōu)點是什么？

NIOSII處理器系統(tǒng)的HAL基于一個特定的SOPCBuilder系統(tǒng)創(chuàng)建，SOPCBuilder與NiosIIEDS之間的緊密集成保證了：

（1）用戶在創(chuàng)建應用工程時，NiosIIIDE也同時創(chuàng)建了HAL系統(tǒng)庫，用 戶不必創(chuàng)建、復制、編輯HAL系統(tǒng)庫，NiosIIIDE自動為用戶管理 和維護HAL庫； （2）若SOPCBuilder的硬件系統(tǒng)發(fā)生了改動，NiosIIIDE會自動地對 HAL系統(tǒng)庫進行更新，保證了底層硬件與應用程序的一致性。12/13/20233硬件抽象層HAL概述

3）NIOSII處理器系統(tǒng)的HAL的體系結(jié)構(gòu)

HAL提供的服務：1）提供newlibANSIC標準庫2）提供設備驅(qū)動程序3）提供統(tǒng)一的HAL應用程序接口API4）提供系統(tǒng)初始化：main（）函數(shù)執(zhí)行之前，執(zhí)行處理器和運行環(huán)境的初始化任務5）提供設備初始化：main（）函數(shù)執(zhí)行之前，例化和初始化系統(tǒng)中的各個設備12/13/20234硬件抽象層HAL概述

3）NIOSII處理器系統(tǒng)的HAL的體系結(jié)構(gòu) HAL系統(tǒng)庫對設備提供的兩個服務層次： 通用設備模型和驅(qū)動程序、頭文件和訪問函數(shù) （1）通用設備模型和驅(qū)動程序：通用設備模型是HAL強大功能的核心，用戶可采用統(tǒng)一的API編寫程序訪問提供通用設備模型的設備；HAL為大多數(shù)NIOSII系統(tǒng)外設提供驅(qū)動程序，使用戶可以通過HALAPI訪問硬件 字符型設備：UART核、JTAGUART核、LCD16207顯示控制器 定時器設備：TIMER核 文件子系統(tǒng)：基于ALTERA主機的文件系統(tǒng)、ALTERA壓縮只讀文件子系統(tǒng) 以太網(wǎng)設備：Ethernet核、LAN91C111EthernetMAC/PHY控制器 DMA設備：DMA控制器核、Scatter-gatherDMA控制器核 FLASH存儲設備：CFIFLASH接口、EPCS串口配置控制器12/13/20235硬件抽象層HAL概述

3）NIOSII處理器系統(tǒng)的HAL的體系結(jié)構(gòu) HAL系統(tǒng)庫對設備提供的三個服務層次： 通用設備模型、驅(qū)動程序、頭文件和訪問函數(shù) （2）頭文件和訪問函數(shù)：對于部分NIOSII系統(tǒng)外設和一些自定制外設,HAL只提供頭文件和訪問函數(shù)。 NIOSII系統(tǒng)的通用IO核：PIO核 用戶自定制的外設 此外，對于具有特殊硬件特性的外設，不能使用通用API，HAL提供了UNIX類型的ioctl（）函數(shù)12/13/20236基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

1）NIOSIIIDE工程結(jié)構(gòu)HAL系統(tǒng)庫工程包含了所有的用戶程序與系統(tǒng)硬件接口的必要信息HAL系統(tǒng)庫工程緊密依賴于SOPCBuiler系統(tǒng)，保證了HAL與目標硬件的同步12/13/20237基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

2）系統(tǒng)描述文件system.h

system.h文件提供了完整的NIOSII系統(tǒng)硬件的描述，包括：

外設的硬件配置 外設的基地址 外設的中斷請求優(yōu)先級 外設的符號名12/13/20238基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

2）系統(tǒng)描述文件system.h12/13/20239基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

3）數(shù)據(jù)寬度和HAL類型定義 對于嵌入式處理器，準確的數(shù)據(jù)寬度和精度定義是非常重要的，而標準C的數(shù)據(jù)類型寬度取決于編譯器的約定。頭文件alt_types.h定義了HAL類型12/13/202310基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

4）文件系統(tǒng) HAL提供支持UNIX風格的文件訪問機制，用戶能夠在基于HAL的文件系統(tǒng)中訪問文件： （1）可以使用newlibC庫中的文件I/O函數(shù) （2）可以使用HAL系統(tǒng)庫提供的UNIX風格的文件I/O函數(shù)

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4）文件系統(tǒng) HAL提供支持UNIX風格的文件訪問機制，用戶能夠在基于HAL的文件系統(tǒng)中訪問文件： （3）HAL將一個子文件系統(tǒng)注冊為HAL文件系統(tǒng)的一個掛載點（mount point）； （4）HAL文件系統(tǒng)沒有當前目錄的概念，訪問文件時必須使用絕對路 徑； （5）HAL文件系統(tǒng)允許通過UNIX風格的路徑名管理字符型設備，HAL將字 符型設備注冊為HAL文件系統(tǒng)的節(jié)點。

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4）文件系統(tǒng)

從只讀zip文件子系統(tǒng) ozipfs讀取字符：

使用newlibC庫中的文件I/O函數(shù)12/13/202313基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

5）對字符型設備的訪問 （1）使用標準輸入、標準輸出和標準錯誤通道訪問字符型設備 用戶可以通過在系統(tǒng)庫屬性設置中將標準輸入、標準輸出和標準錯誤通道與某一特定的字符型設備關(guān)聯(lián)起來

發(fā)送字符到標準輸出stdout相關(guān)聯(lián)的設備12/13/202314基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

5）對字符型設備的訪問 （2）使用通用的訪問文件的方式訪問字符型設備

寫字符到UART112/13/202315基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

6）定時器設備的使用

HALAPI提供了兩種定時器設備的驅(qū)動程序：

系統(tǒng)時鐘驅(qū)動程序：支持報警功能，用于調(diào)度程序 時間戳驅(qū)動程序：支持高精度時間測量 使用定時器設備，系統(tǒng)硬件中必須包含定時器外設，某個定時器外設不能同時作為系統(tǒng)時鐘和時間戳12/13/202316基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

6）定時器設備的使用 （1）系統(tǒng)時鐘驅(qū)動程序

用戶通過在NIOSIIIDE的系統(tǒng)庫屬性中設置來指定系統(tǒng)時鐘的定時器外設。 針對系統(tǒng)時鐘，HAL提供的標準UNIX函數(shù)包括: gettimeofday():獲得當前時間 settimeofday():設置當前時間 times():獲得已經(jīng)發(fā)生的ticks數(shù)目 alt_nticks():獲得系統(tǒng)時鐘的當前值（系統(tǒng)復位后經(jīng)歷的時間） alt_ticks_per_second():獲得系統(tǒng)時鐘的速率

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6）定時器設備的使用 （1）系統(tǒng)時鐘驅(qū)動程序

基于系統(tǒng)時鐘的報警注冊：在指定的時刻執(zhí)行某個函數(shù) 可以通過調(diào)用alt_alarm_stop()取消一個報警。

12/13/202318基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

6）定時器設備的使用 （2）時間戳驅(qū)動程序 時間戳測量比系統(tǒng)時鐘精度高的時間間隔，HAL只支持一個時間戳驅(qū)動程序，用戶可以在NIOSIIIDE的系統(tǒng)庫屬性中指定時間戳設備的定時器外設。 時間戳驅(qū)動程序相關(guān)的函數(shù)包括： alt_timest_start():啟動時間戳計數(shù)器 alt_timest():返回時間戳計數(shù)器的當前值 alt_timest_start():alt_timest()之后的調(diào)用，復位計數(shù)器 為0 alt_timest_freq():獲得時間戳計數(shù)器的速率（一般為系統(tǒng)主頻）12/13/202319基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

7）FLASH設備的使用 HAL對FLASH設備的支持包括： （1）提供寫FLASH的HALAPI：FLASH存儲器的存儲協(xié)議一般比較特殊 （2）提供讀FLASH的HALAPI：大多數(shù)FLASH的讀操作可將FLASH看成簡單 的存儲器，無需調(diào)用HALAPI，但訪問具有特殊讀數(shù)據(jù)協(xié)議的FLASH 時（如EPCSFLASH），必須調(diào)用HALAPI。 HALAPI提供兩種層次的FLASH訪問：簡單的FLASH訪問和精細的FLASH訪問12/13/202320基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

7）FLASH設備的使用 簡單FLASH訪問：函數(shù)寫緩沖數(shù)據(jù)到FLASH和從FLASH讀數(shù)據(jù)都是以分區(qū) （block）的層次進行的，寫FLASH時，若緩沖器比一個完整的 分區(qū)小，函數(shù)會擦除整個分區(qū)。

Alt_flash_open_dev():打開FLASH設備，獲得FLASH設備的文件句柄 alt_write_flash():寫數(shù)據(jù)到FLASH設備（會先擦除一個分區(qū)，導致不期 望的數(shù)據(jù)擦除）

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7）FLASH設備的使用 簡單FLASH訪問：函數(shù)寫緩沖數(shù)據(jù)到FLASH和從FLASH讀數(shù)據(jù)都是以分區(qū) （block）的層次進行的，寫FLASH時，若緩沖器比一個完整的 分區(qū)小，函數(shù)會擦除整個分區(qū)。

alt_read_flash():從FLASH設備讀數(shù)據(jù)

alt_flash_close_dev():關(guān)閉一個FLASH設備

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7）FLASH設備的使用 精細FLASH訪問：函數(shù)寫緩沖數(shù)據(jù)到FLASH和從FLASH讀數(shù)據(jù)都是以緩沖器的層 次進行的，寫FLASH時，若緩沖器比一個完整的分區(qū)小，函數(shù) 保留之前存在于FLASH中的新寫數(shù)據(jù)單元之上和之下的數(shù)據(jù)。 精細FLASH訪問是將寫FLASH過程自動化了:

從FLASH器件的本質(zhì)來說，用戶是不能清除一個分區(qū)的單獨地址的，用戶要改變一個分區(qū)內(nèi)特定位置的內(nèi)容而不改變分區(qū)內(nèi)其他位置的內(nèi)容，只能是先讀出分區(qū)的整個內(nèi)容到緩沖器中，在緩沖器中改變相應的內(nèi)容，將整個分區(qū)擦除，最后將整個緩沖器內(nèi)容寫到FLASH的整個分區(qū)中。12/13/202323基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

7）FLASH設備的使用 精細FLASH訪問的相關(guān)函數(shù)： alt_get_flash_info():獲得擦除區(qū)域的數(shù)目、每個區(qū)域內(nèi)分區(qū)的數(shù) 目、每個分區(qū)的大小12/13/202324基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

7）FLASH設備的使用 精細FLASH訪問的相關(guān)函數(shù)： alt_erase_flash():擦除FLASH的一個單獨分區(qū) alt_write_flash_block():寫FLASH的一個單獨分區(qū)12/13/202325基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

8）DMA設備的使用 在HALDMA設備模型中，DMA傳輸有兩種分類：發(fā)送或接收。 HAL提供兩個設備驅(qū)動來實現(xiàn)發(fā)送通道和接收通道：發(fā)送通道從數(shù)據(jù)源的緩沖器獲得數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)到目的設備；接收通道接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存到目的緩沖器中。

12/13/202326基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

8）DMA設備的使用 （1）DMA發(fā)送通道 與DMA發(fā)送通道相關(guān)的HAL函數(shù)包括： alt_dma_txchan_open():獲得DMA發(fā)送句柄； alt_dma_txchan_send():發(fā)送一個發(fā)送請求；12/13/202327基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

8）DMA設備的使用 （1）DMA發(fā)送通道 與DMA發(fā)送通道相關(guān)的HAL函數(shù)包括：

alt_dma_txchan_space():返回當前還有多少個發(fā)送請求可以加入到發(fā) 送隊列中； alt_dma_txchan_ioctl():執(zhí)行發(fā)送設備中與設備相關(guān)的操作；12/13/202328基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

8）DMA設備的使用 （2）DMA接收通道 與DMA接收通道相關(guān)的HAL函數(shù)包括： alt_dma_rxchan_open():獲得DMA接收句柄； alt_dma_rxchan_prepare():發(fā)送一個接收請求；12/13/202329基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

8）DMA設備的使用 （2）DMA接收通道 與DMA接收通道相關(guān)的HAL函數(shù)包括： alt_dma_rxchan_depth():返回設備可允許的最大接收請求數(shù)； alt_dma_txchan_ioctl():執(zhí)行接收設備中與設備相關(guān)的操作； （3）存儲器到存儲器的DMA傳輸 存儲器到存儲器的DMA傳輸同時包括DMA接收通道和DMA發(fā)送通道。12/13/202330基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

9）程序的入口點和啟動順序 程序的入口點有兩個:main()、alt_main()Main()：一種系統(tǒng)托管的應用，在main（）開始時，一個托管的應用運行 環(huán)境和系統(tǒng)服務均已準備好，HAL負責初始化系統(tǒng)。Alt_main()：一種獨立的應用，用戶可以對系統(tǒng)初始化進行完全控制 12/13/202331基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

9）程序的入口點和啟動順序

main（）作為入口點的系統(tǒng)啟動順序12/13/202332基于HAL的NIOSII系統(tǒng)應用程序開發(fā)

9）程序的入口點和啟動順序 main（）作為入口點時HAL提供的默認的alt_main()的函數(shù)實現(xiàn)12/13/202333基于HAL的NIOSII系統(tǒng)的異常處理

1）NIOSII異常處理概述

NIOSII異常處理以經(jīng)典的RISC方式實現(xiàn)：所有的異常類型都由一個位于異常地址（exceptionaddress）的異常處理程序處理，而沒有采用中斷向量表的方式。 異常類型：