嵌入式硬件抽象层HAL的设计实现

爱被打了一巴掌 2022-11-15 01:17 166阅读 0赞

硬件抽象层对下必须检验查看目前硬件配置的能力与限制，以及将来可能的扩展性，对上得倾听系统软件得需求。简单得说，HAL就是我们系统的“硬件”，而“硬件”的功能就是它所提供的API，即所有上层的程序完全不需要知道硬件与驱动程序的细节，只能通过HAL来操控硬件。按照这样的逻辑，通常我们实现HAL的流程如下：

*  定义HAL的规模(Scope)：根据需求分析上层的系统和应用程序需要哪些硬件功能，这些需求就是HAL必须要包含的基本模块，然后再根据硬件配置，分析是否仍有目前系统没用到的硬件功能，这些功能可能会在下一代产品中实现，我们可以为其设计相应的HAL模块的API，但可以先不实现；
 *  定义HAL API：
    
     *  系统工程师说明系统需求，包含系统对硬件事件的处理方式。
     *  固件工程师根据硬件功能，提供第一版的HAL API定义文件；
     *  系统工程师协同固件工程师逐一review HAL API。
     *  在HAL API立项前，必须针对项目中的所有软件工程师做详细报告，收集建议，并做必要的修正。
 *  由固件工程师实现所有的HAL的功能，并执行每个模块的单元测试；
 *  固件工程师release第一版HAL库，由系统工程师负责整合测试。

所以HAL不过是驱动程序提供给上层应用的API标准而已。

# 1、HAL基本设计原则 #

HAL设计文件是以驱动来区分章节，不同的驱动由不同专长的工程师负责设计与编写。因此设计文件的第一章是HAL基本设计原则，第二章是共享数据结构与常数定义。以下是设计原则：

*  往前兼容，新版的HAL的API可以变多，但不能减少；
 *  HAL旨在对硬件做抽象化，不应与任何系统有直接关系。若OS对驱动有特殊需求(Linux有制式的驱动写法)，应由系统团队根据需求自行在HAL之上再往上包一层high level driver。
 *  驱动模块化，尽量降低驱动间的耦合度。
 *  每个驱动分别设计，但章节内的结构必须保持一致，主要包含以下信息：
    
     *  数据结构
     *  API
     *  控制流程或状态机
     *  会产生的硬件事件，以及事件传递流程
 *  每个驱动模块应该尽量包装以下的API，以保持所有驱动模块的API风格一致：
    
     *  Open()：执行该设备的初始化(包含硬件的初始化、取得驱动所需的buffer、数据结构或配置的设定等)
     *  Enable()：驱动开始运行
     *  Disable：驱动暂停运行
     *  Close()：关掉硬件设备，还回buffer，reset 驱动的数据结构或配置。
     *  Set\_Power\_mode()：设定该设备的power mode(full run、idle、sleep mode),即使该硬件不需要这种电压管理，也要设计出空的Set\_Power\_mode函数，以保持所有驱动接口的一致性。
 *  驱动与电源管理的配合：驱动仅提供电源管理的机制，而电源管理的策略由系统的power manager 统一管控，即HAL中的每一个驱动模块都必须配合power manager 的需求，例如都必须实现Set\_Power\_mode() 这样的API。
 *  HAL的每个驱动模块都必须遵守共同的命名规则与API风格。
 *  统一定义HAL的系统配置：这些配置必须开放给系统使用，本项目不需要的驱动模块或功能不会被连接进来。例如：

#include <hal.h>
    
    #ifdef HAL_WITH_GPS //HAL_WITH_GPS为HAL配置之一，定义在hal.h中
    ...
    
    #endif

# 2、驱动程序与系统的沟通机制 #

系统与HAL的沟通方式有3种：

*  HAL API：系统可以直接调用HAL开放的API。
 *  ISR 与 硬件事件：当硬件产生中断时，相应的ISR会执行；当ISR处理完后，可将硬件事件抽象化，包装成硬件事件，往上层系统传递，传递的方式有：
    
     *  全局变量flag：当上层程序发现flag的值变化了，即表示发生了某硬件事件。但这种方法的时效性差，且还要注意Critical section的保护；
     *  在ISR内调用系统功能，如send\_message()、wakeup\_task()等，这是普遍的做法，但破坏了HAL必须与上层系统无关的规范。
     *  好的做法是，HAL不决定传递硬件事件的机制，改为提供API，让系统可“注册”用以传递硬件事件的函数(回调函数callback function)，ISR会在适当时机调用这些函数，至于系统如何处理硬件事件，ISR并不知道。
 *  Callback：HAL 提供注册callback function的API，并明确说明调用此callback function的时机。系统只要传入function pointer，HAL即会在上述时机调用这些callback function。例如当HAL准备关机时，会去调用系统预线注册的callback function，让系统有机会做一些处理。

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