操作系统中的硬件抽象层 (HAL)

在本文中，我们将讨论操作系统中的硬件抽象层（HAL），包括其组成部分、特性、优点和局限性。

引言

硬件抽象层（HAL）是连接软件和硬件的重要组成部分。它充当非标准硬件功能和为软件提供访问不同硬件组件的抽象接口之间的中间件层，以实现标准化。

HAL 的定义

硬件抽象层（HAL）是一个包含操作系统级别的软件层，它隐藏/抽象了计算机系统的底层硬件细节。其主要目标之一是通过抽象方法来管理不同高级软件组件之间的通信。它允许设备驱动程序和系统服务等组件在不考虑硬件实现细节的情况下执行其任务。

HAL 通过使用标准的命名约定来抽象复杂的硬件，从而在系统的不同版本之间实现一致性和统一性。这种抽象使软件开发人员能够编写与各种硬件架构兼容的代码，并且在不同硬件架构上运行相同代码所需的最少更改可以提高操作系统的可移植性和可伸缩性。

它是位于内核层之后、软件和硬件之间的虚拟连接，有助于系统硬件与其软件内核之间的数据交换。它通过统一的接口控制这些任务，提供对内存管理、中断处理、设备枚举和 I/O 操作等任务的访问。因此，软件组件可以以相同的一致性和效率与各种硬件设备进行交互，而不管使用的是什么硬件平台。

HAL 的定义

硬件抽象层（HAL）是一个包含操作系统级别的软件层，它隐藏/抽象了计算机系统的底层硬件细节。其主要目标之一是通过抽象方法来管理不同高级软件组件之间的通信。它允许设备驱动程序和系统服务等组件在不考虑硬件实现细节的情况下执行其任务。

HAL 通过使用标准的命名约定来抽象复杂的硬件，从而在系统的不同版本之间实现一致性和统一性。这种抽象使软件开发人员能够编写与各种硬件架构兼容的代码，并且在不同硬件架构上运行相同代码所需的最少更改可以提高操作系统的可移植性和可伸缩性。

它是位于内核层之后、软件和硬件之间的虚拟连接，有助于系统硬件与其软件内核之间的数据交换。它通过统一的接口控制这些任务，提供对内存管理、中断处理、设备枚举和 I/O 操作等任务的访问。因此，软件组件可以以相同的一致性和效率与各种硬件设备进行交互，而不管使用的是什么硬件平台。

HAL 架构概述

最常见的 HAL 架构通常采用分层架构，其中每一层负责执行固定的单一任务并与物理硬件接口。虽然具体架构可能因操作系统及其需求而异，但常见的模式包括以下几层：

• 硬件接口层：开始级别（硬件接口层）充当硬件元素与它们之间的接口，并直接与它们交互。它涉及硬件初始化、检测和设备控制操作，完成内存访问和I/O 控制等操作。
• 抽象层：抽象级别位于硬件接口层之上，并提供一个接口，使协议栈更高级别的软件模块能够访问硬件资源。它将硬件细节转换为通用术语和命令，从而消除了上层对硬件复杂性的依赖。
• 设备驱动程序接口：这个级别不仅是 HAL 和驱动程序之间的桥梁，还为传感器和执行器提供了通信方式。因此，它为某些设备驱动程序定义了函数集和数据结构，以允许它们与物理硬件设备通信。设备驱动程序接口创建了一个抽象了设备相关任务的层，以便应用程序开发人员可以专注于编写软件，并且硬件系统可以在不同的硬件平台上顺利运行。
• 内核接口：内核接口层是 HAL 和操作系统内核之间的桥梁，是问题的核心。这种表示是系统级别同步运行的关键，它实现了硬件和软件级别之间的互操作。

HAL 的组成部分

操作系统中硬件抽象层的一些组成部分如下：

• 硬件抽象组件：它们由特定于硬件的控制和内部操作组成，例如设备初始化、配置和资源分配。通过这种抽象，它们为访问各种硬件功能提供了通用的用户界面，而不管它们的开发平台是什么。
• 设备管理模块：设备管理模块识别、列出和收集支持系统硬件设备运行的设备。它为此提供了一个已安装设备及其驱动程序的存储库，从而简化了查找和设置这些产品​​的过程。
• 中断处理机制：HAL 为外围设备或设备引入了中断处理程序。它存储中断优先级，将中断请求通道化到所需的处理程序，并处理系统中的所有中断处理。
• 电源管理子系统：电源管理已被确定为硬件运行的关键阶段。HAL 中的电源管理功能将确保根据设备的负载增加功耗，控制状态，并在设备不使用时激活省电模式。

HAL 与设备驱动程序和操作系统内核紧密通信，以确保硬件资源的有效利用和系统的无缝运行。

• 设备驱动程序：无论连接了什么设备，它们都通过设备驱动程序接口层提供的标准化接口与 HAL 进行交互。它们使用 HAL 操作和数据结构来处理设备并执行需要与特定设备通信的任务。
• 内核集成：HAL 是一个与 OS 内核交互的接口，以确保 HAL 管理的硬件核心获得所需的内核级访问权限。鉴于其更低级别的特性，其 API 提供了对硬件功能的内核级访问以及与内核操作的同步。因此，集成使内核能够充当系统操作的编排者，需要 HAL 与此级别上管理的硬件资源进行协调。

HAL 的功能

操作系统中硬件抽象层的一些功能如下：

硬件抽象和设备独立性

硬件抽象层（HAL）的主要作用之一是通过为软件组件提供标准化和统一的 API 来隐藏硬件层的间接性，使它们能够访问任何必要的硬件。选择此抽象级别有助于更高级别的软件忽略不同硬件配置的不兼容性。因此，系统服务和应用程序可以独立于实际硬件配置。

因此，HAL 带来了硬件独立性。开发人员现在可以编写可移植的代码，使其能够在不同的系统上同时运行。抽象级别使他们能够借助标准接口提供不同类型设备上的资源，从而使硬件性能独立于其架构布局或供应商的专有实现。

硬件和软件层之间的接口

HAL 的基本功能是作为连接硬件和操作系统软件部分的关键连接介质，从而实现两者之间的数据流。它就像一个翻译器，负责将高级软件调用、命令和请求映射到低级机器操作，反之亦然。

从核心层面来看，HAL 模块包含用于设备初始化、配置甚至控制的例程，供其他软件组件使用，这些组件可以通过抽象接口和数据结构访问硬件。具体来说，软件级别（HAL）将事件映射或硬件事件（如中断和 I/O 操作）转换为软件可理解的格式，以便内核和设备驱动程序可以高效地处理硬件事件。

这种接口抽象提供了硬件和软件层之间的无缝协调，其中不同的软件组件有权透明地访问硬件组件，而无需向软件解释底层的硬件复杂性。它还实现了易于协调和无缝升级的硬件独立性，因此，如果选择了的硬件被替换，新硬件将被适配以与操作系统一起运行，而不会危及更高级别的软件。

Windows 操作系统中的 HAL

在Windows 操作系统中，HAL（硬件抽象层）是一个重要组件。它抽象了硬件功能，并允许设备驱动程序和系统服务作为一个整体与软件组件进行通信。微软旨在让 HAL 在各种潜在硬件上无需修改即可工作，同时保持性能和稳定性。

Windows HAL 包含一组特定于硬件的例程和驱动程序，它们直接与 OS 数据结构交互并协调系统资源，包括 CPU、内存、中断和 I/O 设备。它通过提供设备驱动程序的标准接口来抽象硬件差异，从而定期确保设备驱动程序在不考虑硬件目标架构的情况下与硬件设备进行交互。

Windows HAL 的主要特点是它支持并完全涵盖了所有当代硬件平台，包括x86、x64、ARM和Itanium 架构。微软为每个平台指定了 HAL 的实现，从而能够为各种硬件配置优化系统性能和硬件兼容性。

Windows HAL 还负责尽可能快速无缝地协调硬件和软件组件之间的通信。此层包括电源管理功能、即插即用支持和硬件级抽象，从而使运行 Windows 操作系统的系统运行更快、响应更灵敏。

Linux 和类 Unix 系统中的 HAL

尽管 Linux 和 Unix 中的 HAL 比 Windows OS 小、更灵活、更稳定，但它有所不同。在 Linux 和类 Unix OS 中，硬件抽象层的集中化被更分散的方法所取代，后者涉及硬件抽象和管理功能。

在此类系统中，设备驱动程序充当抽象层，抽象底层硬件功能并提供访问所需硬件资源的级别化接口。它们不使用 HAL 作为设备驱动程序的通信流，而是直接与内核通信以访问硬件并执行设备相关操作。

例如，ALSA 处理音频设备的音频技术；DRI 负责图形处理器。对于每个子系统，Bay 结构库的接口和 API 使得在实现它们之后，可以通过标准化接口和 API 轻松访问这些输出。因此，不同硬件设备之间的大部分不一致性都被消除了。

Linux 内核的模块和设备也能够执行硬件抽象和配置等功能，因为它们能够根据系统启动时检测到的硬件动态加载和配置设备驱动程序。

嵌入式系统中的 HAL

HAL 在嵌入式和实时操作系统（RTOS）中的方法非常不同，因为这些操作系统针对的是不同类型的硬件平台，并且可能有不同的需求。这种控制循环导致控制系统具有精确的时间、低延迟和即时响应。通过这些方法实现虚拟机和管理硬件。

包括 HAL 组件实现的嵌入式和实时操作系统通常采用轻量级软件组件的形式，这些组件专门为特定的硬件设置和应用程序而设计。这些 HAL 实现的目标是降低开销并提高效率，以确保操作系统在低功耗和实时上下文的应用程序中在任何情况下都能成功运行。

这些固件例程最终在操作系统接管控制之前将硬件状态设置为正确形式。目的是确保软件和硬件接口之间没有服务中断。

HAL 的优点

操作系统中硬件抽象层的一些优点如下：

支持跨平台开发和兼容性

• HAL 通过提供一致的接口来使用各种操作系统和硬件配置中的硬件资源，从而促进了多平台和可移植软件的创建。开发人员可以构建那些可能在多个操作系统上运行的程序，使用 HAL 来抽象硬件细节并确保其行为一致。这种跨平台支持意味着软件与从Windows和Linux到MacOS和嵌入式系统的一系列操作系统兼容。操作系统之间的互操作性也带来了可以在不同平台上部署而没有故障的解决方案。

支持虚拟化和容器化

• HAL 作为隔离物理资源的关键工具，随后提高了效率、资源分配和整合。基于 HAL 的运行时包（如虚拟化平台和容器运行时）用于虚拟化硬件或将软件工作负载与底层硬件差异隔离开来。通过这种方式，基于 HAL 的包旨在创建一个完整的虚拟硬件环境，而没有软件工作负载限制。HAL 提供了一个标准化的接口来访问虚拟化硬件资源，使虚拟化系统能够独立于主机系统进行识别，而无需进行软件修改。它简化了处理和管理虚拟化和容器化环境的过程，并提供了更大的可扩展性和更好的资源利用率。它提供了更好的应用程序隔离和安全性。

增强系统安全性和隔离性

• HAL 是系统安全和隔离的一部分，它隐藏了系统的内部运行，并建立了用户访问权限，它还对硬件资源进行了限制。安全机制，如硬件加密、安全启动和可信执行环境，嵌入到 HAL 实现中，以保护敏感数据并确保未经授权的第三方无法访问系统组件。通过分解物理层并采用通用的硬件级监控和安全策略，HAL 确保了系统对潜在网络攻击和漏洞的抵御能力，从而保护了整个系统的关键数据并确保满足合规性要求。

HAL 的局限性

操作系统中硬件抽象层的一些局限性如下：

性能开销

• 硬件抽象层（HAL）由于存在额外的抽象层，在软件到硬件的通信中可能会导致性能开销，这会引入处理延迟并导致吞吐量降低。开发人员在设计最佳 HAL 时应采取预防措施，以确保最小的性能影响，同时保持最大的功能。诸如缓存频繁调用的数据和删除硬件访问顾问等技术可以减少开销，并在不同的计算模式下最大化系统性能。

兼容性问题

• 与 HAL 相关的另一个问题是其不同版本和供应商程序之间的兼容性不足。然而，HAL 抽象了所有硬件方面，并通过一个软件接口提供它们，这可能会导致硬件架构、设备功能和驱动程序实现的变化，从而导致互操作性问题。这些问题可能会表现为不支持更新的设备列表、驱动程序冲突或系统不稳定，并可能导致系统性能不佳。通过硬件供应商、设备驱动程序开发人员和操作系统制造商之间的测试、验证和协作来解决兼容性问题，以确保硬件能够在所有硬件平台上协同工作。

维护复杂性

• 硬件抽象层（HAL）的实现可能会增加额外的复杂性，尤其是在大规模和多架构的计算环境中。随着更先进的硬件技术的推出以及新设备的出现，收集和准备有关这些 HAL 配置的信息成为一项复杂的任务。需要持续的维护和测试工作，以确保支持旧硬件和最新硬件的实际效用。维护三个不同级别的依赖关系——HAL 组件、设备驱动程序和操作系统内核——会增加工程师需要执行的维护任务数量。每次代码更新时，使用版本控制良好的版本控制、文档和测试应用程序至关重要，因为它有助于轻松维护系统并降低与 HAL 维护问题相关的风险。