硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer, HAL）是一個(gè)輕量級(jí)嵌入式運(yùn)行時(shí)環(huán)境，它為用戶應(yīng)用程序和底層硬件提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口。HAL應(yīng)用程序接口（API）與ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)綜合在一起，可使用類似C語(yǔ)言的庫(kù)函數(shù)來(lái)訪問(wèn)硬件設(shè)備或文件，如printf()、fopen()、fwrite()等函數(shù)。軟件工程師可非常方便的使用這些函數(shù)來(lái)與底層硬件通信，而無(wú)須關(guān)心底層硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

HAL可以看作是一個(gè)支持應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)，它提供API函數(shù)接口，屏蔽硬件訪問(wèn)細(xì)節(jié)，雖然占用了一些額外的資源，但是大大增加了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)速度和可移植性。用戶只要利用HAL提供的各種函數(shù)就可以編寫應(yīng)用程序。

HAL作為Nios II處理器系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包，為系統(tǒng)中的外圍設(shè)備提供了一致的接口。Nios II SBT從SOPC信息文件（.sopcinfo）中提取系統(tǒng)信息，生成一個(gè)針對(duì)于該硬件配置的定制的HAL板級(jí)支持包（BSP）。當(dāng)硬件配置信息發(fā)生改變時(shí)，HAL設(shè)備驅(qū)動(dòng)配置也會(huì)自動(dòng)隨之更改，從而避免了由于底層硬件的變化而產(chǎn)生的編程錯(cuò)誤。Nios II SBT為用戶自動(dòng)創(chuàng)建和管理HAL設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，用戶不用創(chuàng)建或拷貝HAL文件，也不用編輯HAL中的任何源代碼。

HAL為用戶提供以下支持：

集成了newlib ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，允許調(diào)用類似C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)；

提供訪問(wèn)Nios II系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序；

提供HAL API，用于標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)接口如設(shè)備訪問(wèn)、中斷處理以及ALARM等；

提供系統(tǒng)初始化函數(shù)，為main()函數(shù)和C庫(kù)函數(shù)建立運(yùn)行時(shí)環(huán)境；

提供設(shè)備初始化函數(shù)，在main()函數(shù)之前，分配設(shè)備空間并初始化所有的外圍設(shè)備；

Nios II HAL的結(jié)構(gòu)如圖下所示。

Nios II HAL的結(jié)構(gòu)

由上圖可以看出，用戶應(yīng)用程序在硬件抽象層和C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)上，這說(shuō)明用戶應(yīng)用程序要訪問(wèn)硬件設(shè)備至少有4中方法：

調(diào)用C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，如printf()和fwrite()；

調(diào)用硬件抽象層的API函數(shù)，如write()；

調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，如alt_avalon_uart_write()；

直接訪問(wèn)設(shè)備寄存器，如IOWR_ALTERA_AVALON_UART_RXDATA(base, data)；

HAL I/O操作宏

前兩種方法的抽象度最高，可移植性最好，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)最容易實(shí)現(xiàn)，但是需要最多的額外開(kāi)銷；第三種方法抽象度較低，有一定的移植性，額外開(kāi)銷較少，但還需要用戶考慮對(duì)設(shè)備寫數(shù)據(jù)前的其他硬件操作；最后一種方法完全是對(duì)硬件的直接訪問(wèn)，需要用戶關(guān)注設(shè)備的每個(gè)硬件細(xì)節(jié)，無(wú)額外開(kāi)銷。

對(duì)于I/O外設(shè)，HAL提供了一些宏定義來(lái)訪問(wèn)其中的寄存器，這些宏在/components/altera_nios2/HAL/inc/io.h中定義，以下是這些宏定義的詳細(xì)介紹。當(dāng)用戶編寫應(yīng)用程序時(shí)，只需要調(diào)用這些宏就可以訪問(wèn)到I/O外設(shè)中的寄存器，而無(wú)需關(guān)心底層硬件的詳細(xì)信息。

另外，在HAL中還定義了常用的數(shù)據(jù)類型，這些定義在alt_type.h文件中，下面是alt_types.h文件內(nèi)容的片段，從中我們可以看出，所有的數(shù)據(jù)類型都是以alt_開(kāi)頭，若是無(wú)符號(hào)類型，那么數(shù)據(jù)類型中含有“u”表示unsigned的意思，最后會(huì)用數(shù)據(jù)的位數(shù)來(lái)結(jié)尾，如8、16、32、64。使用這些HAL數(shù)據(jù)類型可以很方便的看出變量的數(shù)據(jù)類型，比如，alt_u8 key_data 就表示key_data是一個(gè)8位的無(wú)符號(hào)數(shù)據(jù)。

使用HAL開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序

基于HAL的軟件工程的創(chuàng)建和管理與Nios II SBT緊密相關(guān)，下圖為Nios II SBT工程結(jié)構(gòu)。

Nios II SBT工程結(jié)構(gòu)

從上圖可以看出，一個(gè)Nios II SBT工程包括2個(gè)工程：用戶應(yīng)用程序工程和HAL BSP工程。用戶應(yīng)用程序工程包含所有的用戶程序代碼文件，最終的可執(zhí)行映像由此工程生成。HAL BSP工程中包含所有與硬件處理器系統(tǒng)相關(guān)的接口信息。

在第一次編譯Nios II SBT過(guò)程中，編譯工具會(huì)根據(jù)硬件系統(tǒng)信息生成一個(gè)描述硬件信息的system.h文件，如代碼1.1所示。該文件是HAL的基礎(chǔ)，它提供了關(guān)于Nios II系統(tǒng)硬件的描述，是硬件和軟件之間的橋梁。對(duì)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，并不是system.h中的所有信息都有用，因此并不一定要在應(yīng)用程序的C源代碼文件中包含system.h。

由代碼1.1可知，system.h文件給出了每個(gè)外設(shè)的詳細(xì)信息，包括以下幾部分：

外設(shè)的硬件配置；

外設(shè)的基地址；

中斷優(yōu)先級(jí)（如果外設(shè)有中斷）；

外設(shè)的符號(hào)名稱；

代碼1.1 system.h文件示例