嵌入式系統下硬件抽象層HAL的設計與實現

硬件抽象層對下必須檢驗查看目前硬件配置的能力與限制，以及未來可能的擴展性，對上得傾聽系統軟件得需求。簡單得說，HAL就是咱們系統的「硬件」，而「硬件」的功能就是它所提供的API，即全部上層的程序徹底不須要知道硬件與驅動程序的細節，只能經過HAL來操控硬件。按照這樣的邏輯，一般咱們實現HAL的流程以下：

• 定義HAL的規模（Scope）：根據需求分析上層的系統和應用程序須要哪些硬件功能，這些需求就是HAL必需要包含的基本模塊，而後再根據硬件配置，分析是否仍有目前系統沒用到的硬件功能，這些功能可能會在下一代產品中實現，咱們能夠爲其設計相應的HAL模塊的API，但能夠先不實現；
• 定義HAL API：
  • 系統工程師說明系統需求，包含系統對硬件事件的處理方式。
  • 固件工程師根據硬件功能，提供初版的HAL API定義文件；
  • 系統工程師協同固件工程師逐一review HAL API。
  • 在HAL API立項前，必須針對項目中的全部軟件工程師作詳細報告，收集建議，並作必要的修正。
• 由固件工程師實現全部的HAL的功能，並執行每一個模塊的單元測試；
• 固件工程師release初版HAL庫，由系統工程師負責整合測試。

因此HAL不過是驅動程序提供給上層應用的API標準而已。

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一、HAL基本設計原則

HAL設計文件是以驅動來區分章節，不一樣的驅動由不一樣專長的工程師負責設計與編寫。所以設計文件的第一章是HAL基本設計原則，第二章是共享數據結構與常數定義。如下是設計原則：

• 往前兼容，新版的HAL的API能夠變多，但不能減小；
• HAL旨在對硬件作抽象化，不該與任何系統有直接關係。若OS對驅動有特殊需求（Linux有制式的驅動寫法），應由系統團隊根據需求自行在HAL之上再往上包一層high level driver。
• 驅動模塊化，儘可能下降驅動間的耦合度。
• 每一個驅動分別設計，但章節內的結構必須保持一致，主要包含如下信息：
  • 數據結構
  • API
  • 控制流程或狀態機
  • 會產生的硬件事件，以及事件傳遞流程
• 每一個驅動模塊應該儘可能包裝如下的API，以保持全部驅動模塊的API風格一致：
  • Open()：執行該設備的初始化（包含硬件的初始化、取得驅動所需的buffer、數據結構或配置的設定等）
  • Enable()：驅動開始運行
  • Disable：驅動暫停運行
  • Close()：關掉硬件設備，還回buffer，reset 驅動的數據結構或配置。
  • Set_Power_mode()：設定該設備的power mode（full run、idle、sleep mode）,即便該硬件不須要這種電壓管理，也要設計出空的Set_Power_mode函數，以保持全部驅動接口的一致性。
• 驅動與電源管理的配合：驅動僅提供電源管理的機制，而電源管理的策略由系統的power manager 統一管控，即HAL中的每個驅動模塊都必須配合power manager 的需求，例如都必須實現Set_Power_mode() 這樣的API。
• HAL的每一個驅動模塊都必須遵照共同的命名規則與API風格。
• 統必定義HAL的系統配置：這些配置必須開放給系統使用，是的本項目不須要的驅動模塊或功能不會被鏈接進來。例如：

#include <hal.h>
#ifdef HAL_WITH_GPS //HAL_WITH_GPS爲HAL配置之一，定義在hal.h中
...
#endif

二、驅動程序與系統的溝通機制

系統與HAL的溝通方式有3種：

• HAL API：系統能夠直接調用HAL開放的API。
• ISR 與 硬件事件：當硬件產生中斷時，相應的ISR會執行；當ISR處理完後，可將硬件事件抽象化，包裝成硬件事件，往上層系統傳遞，傳遞的方式有：
  • 全局變量flag：當上層程序發現flag的值變化了，即表示發生了某硬件事件。但這種方法的時效性差，且還要注意Critical section的保護；
  • 在ISR內調用系統功能，如send_message()、wakeup_task()等，這是廣泛的作法，但破壞了HAL必須與上層系統無關的規範。
  • 好的作法是，HAL不決定傳遞硬件事件的機制，改成提供API，讓系統可「註冊」用以傳遞硬件事件的函數（回調函數callback function），ISR會在適當時機調用這些函數，至於系統如何處理硬件事件，ISR並不知道。
• Callback：HAL 提供註冊callback function的API，並明確說明調用此callback function的時機。系統只要傳入function pointer，HAL即會在上述時機調用這些callback function。例如當HAL準備關機時，會去調用系統預線註冊的callback function，讓系統有機會作一些處理。

三、驅動接口

咱們以HAL裏重要的驅動——Audio爲例，看一下該驅動的接口。按照設計文件風格規範，必須先描述這個模塊中全部的API的關係：

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