2.3 硬件抽象层（HAL）

Mynewt中的硬件抽象层为底层、基础外设抽象。硬件抽象层提供了一组为Mynewt所支持的MCU而设计的服务。设备驱动程序通常用于初始化硬件、并为高层软件提供管理硬件访问的软件库。在Mynewt操作系统中，层可以按照以下方式描述。

  1. +———————————————————————————+
  2. |            app            |
  3. +———————————————————————————+
  4. |          (n)drivers       |
  5. +———————————————————————————+
  6. |     HAL     |     BSP     |
  7. +—————————————+—————————————+
  • 板级支持包抽象平台的特定配置，如CPU频率、输入电压、LED引脚、片上Flash映射等
  • 硬件抽象层抽象特定架构的功能。它初始化和启用主处理器中的组件。它被设计成可以在Mynewt中所支持的各种MCU之间移植（如Nodic的nRF51、nRF52，NXP的MK64F12等）。它包括了用于初始化和管理板卡上的组件访问（例如I2C，PCI，PCMCIA等），片外存储器和片外I/O（以太网、RS232，显示，鼠标等）。
  • 设备驱动在HAL和BSP之上，它抽象了通过标准接口连接到处理的每个外围设备的通用操作模式。对于特定的外围设备，可能有不同复杂性的多个驱动程序实现。驱动程序注册到内核的power管理API，并管理和关闭外设和外部芯片组等。

通用设计准则

  • HAL设计的API需要尽可能简单。应该尽可能容易的为硬件设计。一个简单的HAL API可以使得快速启动新的MCU变得十分容易。
  • HAL API应该可以移植到Mynewt中支持的各种MCU上。

依赖

要在项目中包含HAL，最简单的方式就是在包依赖中添加hal即可：

  1. pkd.deps:
  2.     ...
  3.     hw/hal

平台支持

并不是所有的平台都支持HAL设备。需要查阅MCU或BSP文档，查看硬件是否对感兴趣的外设支持。如果支持，就可以在mcu/src/hal_xxxx.c中查看是否已经实现，然后在构建项目时确保所有外部依赖问题都已经解决。

2.3.1 定时器（Timer）

硬件独立定时器结构以及用于配置、初始化和运行定时器的API。

描述

HAL定时器结构如下所示。用户可以根据需求声明任意数量的定时器结构。当用户调用hal_timer_start或hal_timer_start_at函数时，将会在特定的硬件定时器上排队。用户在启动定时器之前需要调用hal_timer_set_cb。

注意：用户不应该修改这个结构中的内容，且必须使用HAL的应用程序接口。

  1. struct hal_timer
  2. {
  3.     void                *bsp_timer; /* Internal platform specific pointer */
  4.     hal_timer_cb        cb_func;    /* Callback function */
  5.     void                *cb_arg;    /* Callback argument */
  6.     uint32_t            expiry;     /* Tick at which timer should expire */
  7.     TAILQ_ENTRY(hal_timer) link;    /* Queue linked list structure */
  8. };

API

硬件抽象层定时器回调函数：

  1. typedef void(* hal_timer_cb)(void *arg)

硬件抽象层定时器初始化：

  1. int hal_timer_init(int timer_num, void *cfg)

参数：

  • timer_num：需要初始化的硬件定时器
  • cfg：特定硬件定时器的配置。从BSP直接到MCU特定驱动。
  1. int hal_timer_deinit(int timer_num)

2.3.2 通用输入输出口（GPIO）

Mynewt系统中用于配置、读取GPIO的基础操作。

独立的GPIO在API中作为pins引用。然而，在这个接口中pins为抽线引脚。MCU头文件将将这些抽象的pins映射到物理GPIO端口和引脚。

通常，BSP代码为这些虚拟引脚命名，以描述连接到物理引脚的设备。

以STM32F4XX处理器为例，该处理包含N个端口，每个端口包含16个引脚。MCU的hal_gpio驱动映射到一组虚拟引脚0-N，端口A映射到0-15，端口B映射到16-31，端口C映射到32-47等等。

所有，如果想开启端口B的引脚3，需要使用虚拟引脚：16*1+3 = 19。（物理引脚从0开始）

在写BSP时，通常会给个名称用于关联引脚，通常在bsp.h头文件中定义。

  1. #define SYSTEM_LED                (37)
  2. #define FLASH_SPI_CHIP_SELECT    (3)

抽象引脚37对应端口C的pin 5，抽象引脚3为端口A的pin 3。

2.3.3 通用串行接口（UART）

包含了UART发送与接收数据的基础操作。也包含了UART配置速度、奇偶校验位等的API接口。UART在重配前需要关闭。

  1. enum hal_uart_parity {
  2.     /** No Parity */
  3.     HAL_UART_PARITY_NONE = 0,
  4.     /** Odd parity */
  5.     HAL_UART_PARITY_ODD = 1,
  6.     /** Even parity */
  7.     HAL_UART_PARITY_EVEN = 2
  8. };
  10. enum hal_uart_flow_ctl {
  11.     /** No Flow Control */
  12.     HAL_UART_FLOW_CTL_NONE = 0,
  13.     /** RTS/CTS */
  14.     HAL_UART_FLOW_CTL_RTS_CTS = 1
  15. };
  1. /**
  2.  * 函数原型，用于UART驱动查看是否需要发送更多数据
  3.  * 若没有使能中断，驱动必须调用此接口
  4.  **/
  5. typedef int(* hal_uart_tx_char)(void *arg)
  1. /**
  2.  * UART驱动报告发送完成的函数原型，当发送最后一个字节时需要调用
  3.  * 若没有使能中断，驱动必须调用此接口
  4.  **/
  5. typedef int(* hal_uart_tx_done)(void *arg)

2.3.4 SPI

SPI是一个四线同步接口，通常用于连接嵌入式系统中的组件。

Mynewt HAL接口支持SPI的master功能的阻塞或非阻塞接口。SPI的slave功能的非阻塞模式。

SPI包含4个信号：MISO，MOSI，CLK和SS。SS信号为slave select的简写，低允许SPI从设备，主设备可以通过片选信号来区分多个从设备。

Mynewt的SPI硬件抽象层接口支持阻塞和非阻塞传输。阻塞意味着传输的接口函数将会等到传输完成才会返回。阻塞形式仅可用于SPI的主机模式。而非阻塞意味着API调用后，函数返回，在完成传输后执行回调函数（若有设置），非阻塞可用于主、从模式。

hal_spi_config方法用于配置SPI设备参数以及工作的模式：主设备或从设备。必须在spi初始化之后调用，即hal_spi_init之后，且spi并没有使能（hal_spi_disable）。当然也可以用于重新配置一个已经初始化了的SPI。

  1. int hal_spi_config(int spi_num, struct hal_spi_settings *psettings)

SPI的配置信息包括：

  1. struct hal_spi_settings {
  2.     uint8_t         data_mode;
  3.     uint8_t         data_order;
  4.     uint8_t         word_size;
  5.     uint32_t        baudrate;           /* baudrate in kHz */
  6. };

Mynewt的API硬件抽象层并没有内置SS信号，通常需要应用中操作GPIO进行控制。

2.3.5 I2C

I2C总线（I2C，Inter-Integrated Circuit的简写）是一个多主机、多从机串行接口，用于连接电路板上的组件和外设。I2C为两线协议，通过SDA、SCL两线在设备之间传输数据。

I2C事务通常包括获得总线，发送或接收数据，释放总线。总线获得非常重要，因为通常总线是多主机的，从而可能有其他设备尝试读写同一个外设。

HAL_I2C实现了一个I2C总线的主机接口。典型使用按照以下步骤执行：

  • 调用hal_i2c_init函数初始化I2C设备
  • 要执行I2C事务，可以调用hal_i2c_master_writer或hal_i2c_master_read

操作时，这些函数将发送一个START信号，紧跟一个7-bit的I2C地址，接着发送或接收数据。为了在适当的时候发出停止条件，可以在任意函数中将last_op字段设置为1。

HAL_I2C中数据结构：

  1. struct hal_i2c_master_data {
  2.     uint8_t  address;   /* 目的地址 */
  3.     uint16_t len;       /* 发送或接收的数据量 */
  4.     uint8_t *buffer;    /* 发送或接收的数据缓存 */
  5. };

I2C总线的地址为7-bit，将在LSB加上1-bit的读写指示。

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0
1 0 0 0 1 1 0 R/W
MSB LSB

2.3.6 Flash

应用程序使用的闪存无关的硬件接口。

通过API函数提供了闪存的初始化、读、写、擦除、扇区擦除和其他操作。

  1. int hal_flash_ioctl(uint8_t flash_id, uint32_t cmd, void * args)
  2. int hal_flash_read(uint8_t flash_id, uint32_t address, void * dst, uint32_t num_bytes)
  3. int hal_flash_write(uint8_t flash_id, uint32_t address, const void * src, uint32_t num_bytes)
  4. int hal_flash_erase_sector(uint8_t flash_id, uint32_t sector_address)
  5. int hal_flash_erase(uint8_t flash_id, uint32_t address, uint32_t num_bytes)
  6. int hal_flash_isempty(uint8_t flash_id, uint32_t address, uint32_t num_bytes)
  7. uint8_t hal_flash_align(uint8_t flash_id)
  8. int hal_flash_init(void)

2.3.7 看门狗（Watchdog）

hal_watchdog_init接口可用于设置一个可重复运行的不超过expire_msecs看门狗计时器。

  1. int hal_watchdog_init(uint32_t expire_msecs)

看门狗通过调用hal_watchdog_enable()开启，看门狗需要一个小于设置周期的时间内不断喂狗（hal_watchdog_tickle()），否则将触发看门狗，导致看门狗超时、复位。

参考资料：

http://mynewt.apache.org/latest/os/modules/hal/hal.html