【MCU】把"安卓HAL层思想"引到单片机软件开发中

1、聊一聊

    今天跟大家推荐一首bug菌常听的歌曲<Yellow>，歌曲的旋律一定是你熟悉的。歌名"Yellow"不要想Y了，Yellow表示颜色是黄色的意思，但也可表示胆怯、内敛，热情的。

     在之前的文章中bug菌有提到过stm32的HAL层，而该层与安卓的硬件抽象层却迥然不同，相对而言stm32的HAL层更像是每个外设的驱动程序，所以这里bug菌把安卓HAL层的思想引到MCU中来跟大家聊聊！

2、话题引出

咬金，你平时写单片机程序有考虑抽象出硬件抽象层吗？

硬件抽象层 ? 你是说像stm32的HAL库那样子吗？

。。。,不是啦，stm32的HAL库我感觉还只能算个驱动程序吧，真正的HAL层得要像安卓那样。

安卓？ 有点高大上呀，不敢碰！

没你想得那么可怕，知识都是互通的呀，最近接触这些东西感觉收获颇丰。而且现在MCU越来越强大，需要学习更多的设计思路了。

你真是个狠人呀！那你学的HAL层的思想大致跟我讲讲呗，让我也学习一下。

行，那我就露两手给你瞧瞧~

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什么是HAL层 ? 

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Hal简介

    HAL层又叫硬件抽象层，英文全名为(Hardware Abstraction Layer),从名字上就觉得高大上，就像字面意思这个层面会把所有的硬件都进行抽象,它就像一款万能的遥控器，可以操作所有的旧彩电、冰箱、洗衣机、空调、热水器......（怎么感觉像收废品的）。

(上图安卓框架源于网络)

    上图是经典的安卓架构图，然而HAL层的提出最早并不是在Linux中出现，而是由Microsoft公司为确保WindowsNT的稳定性和兼容性而提出的，Microsoft发现直接操作硬件不仅会带来软件上的不兼容，而且对系统稳定性也是不利因素，所以就有了类似于虚拟机这样的HAL层。

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win VS 安卓

    Windows下的HAL层是位于物理硬件设备之上的，也就是说该HAL层直接操作底层寄存器，从而形成一套统一的HAL层接口给上层操作系统使用的，那么所编写的硬件驱动都需要满足HAL层的规范才能够被使用。

    而对于安卓系统所实现的HAL却与win有所差异，大家可以看看前面安卓系统层次图，其HAL层位于操作系统内核和驱动程序之上，且位于用户空间。

    那么为什么会形成如此的差异呢？

• 由于window不开源而Linux内核需要遵循的是GPL开源协议，说白了就是要开源代码，但是基于Linux开发的硬件驱动和应用程序不必遵循GPL许可。

• 为了保障各个厂家的利益，所以就有了HAL层的诞生，当然HAL层虽然位于内核之上，不过其功能还是通过系统调用与底层打交道,所以也叫用户空间驱动程序。那么不想开源的厂家就可以把关键的处理逻辑放到HAL层并且加密处理以后发布，而不需要开放，而内核部分只需要基础的与底层交互的机制即可。

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安卓HAL层实现思路

    这里不会详细的讲解每一步是如何实现的，仅仅把系统的结构理顺一下，并且把关键的调用关系理一理，让系统HAL层设计的思想为我们所用，所以这里我们只分析三层与C程序关联更多的部分，HAL层以上均认为是应用层，如下图所示 :

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应用层-->HAL层

• 我们都知道安卓上都是用java语言开发，而到了HAL以及底层都是用C或者C++，那么从上层服务层到HAL层就必须要有一套JAVA转C/C++的接口实现，比如JNI，只要遵循该规范 Java 代码就能够与其它编程语言互相操作，也允许 Java代码调用 C/C++或汇编语言编写的程序和库。

• 那么HAL层就只需要为上层提供必须要的方法供其调用即可。

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HAL层-->底层寄存器 

• 这个层面应该是对抽象硬件非常值得参考的一部分，这里我们通过一些代码研究一下:

HAL层三大结构体 :

• hw_module_t 

• hw_module_methods_t 

• hw_device_t

• 从上面的三大结构体的结构体和包含关系我们大致可以了解到，HAL层的都是以硬件模块类module进行抽象的，每个module里面会有一个methods方法，而methods结构体中仅仅包含Open指针，通过向该Open中传入id即可获得一个device指针对象，同时每个device都会存储硬件设备的公共属性和操作方法,并指向相应的module类型。

• 感觉有点抽象，其实都是固定的一些套路，我觉得来点个灯就会大彻大悟了！

• 1、首先采用面向对象的思路分别继承两个重要的结构体，这样就可以通过父类common(也叫通用结构)在外部传递从而保持接口的统一，而内部通过强制类型转化为之类led_xxx_t来获得更多的操作接口丰富内部实现。

• 2、这里的Open函数相当于一个提取器，把子类设备实例化dev以后通过父类device对象指针传递出去，从而给JNI层，这样JNI层就可以直接调用Set_LED方法了。

• 3、HAL_MODULE_INFO_SYM是和上层应用约定的结构，Android 会根据这些元数据来找到并正确加载 HAL 模块。JNI层通过调用hw_get_module函数（该函数内部会通过id和load函数加载模块，即前面实现的那些内容），hw_get_module函数返回的数据类型为led_module_t型指针， 然后可以通过module->methods->open(module,LED_HARDWARE_MODULE_ID,(struct hw_device_t**)device);来调用hal层的open函数得到led硬件操作的led_control_device_t结构体实例，这样应用程序就可以通过该对象使用对应的接口了。

    然而，从上面看来HAL层仅仅只是对硬件进行了抽象，并且其操作的还是系统调用，然而要操作具体的寄存器还需要通过系统调用进入到Linux内核以Open/Write/Read/Ioctl等等接口来进行操作，这一块又是操作平时的cdev和file_Operation结构套路了。

    所以在HAL可以实现大部分的逻辑和命令处理，而对应的驱动程序相对比较单一，简单的配置和发送数据等即可，所以安卓的HAL层的最终目的中不仅仅满足了厂家驱动不想开源的想法，而且还达到了抽象底层硬件的目的。

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HAL层在单片机上的应用

    虽然在单片机中没有所谓的用户态和内核态，大部分情况也不需要动态加载，但是相关的抽象思想是完全可以模仿的，比如用C实现面向对象的继承方式；把系统抽象为模块和设备，比如一类音频模块包括USB音频设备，蓝牙音频设备等等；平台相关驱动和逻辑分离等等。

    如上的module层可以认为是HAL层，我们可以在MCU中引入HAL的三大结构体，从而实现设备接口上的统一和抽象，当我们驱动层发生了变化，只需要重新编写出满足HAL层接口即可。

666，好像有点东西，我得再看一篇！

哈哈，慢慢啃吧！

3、结束语

    文本到这里就结束了，单片机仅仅只是一个工具，思维的高度才会能决定代码的质量！

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