硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer, HAL）是一個輕量級嵌入式運(yùn)行時環(huán)境，它為用戶應(yīng)用程序和底層硬件提供了一個簡單的設(shè)備驅(qū)動程序接口。HAL應(yīng)用程序接口（API）與ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫綜合在一起，可使用類似C語言的庫函數(shù)來訪問硬件設(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)來與底層硬件通信，而無須關(guān)心底層硬件實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

HAL可以看作是一個支持應(yīng)用程序開發(fā)的軟件平臺，它提供API函數(shù)接口，屏蔽硬件訪問細(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，生成一個針對于該硬件配置的定制的HAL板級支持包（BSP）。當(dāng)硬件配置信息發(fā)生改變時，HAL設(shè)備驅(qū)動配置也會自動隨之更改，從而避免了由于底層硬件的變化而產(chǎn)生的編程錯誤。Nios II SBT為用戶自動創(chuàng)建和管理HAL設(shè)備驅(qū)動程序，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，允許調(diào)用類似C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)；

提供訪問Nios II系統(tǒng)中每個設(shè)備的驅(qū)動程序；

提供HAL API，用于標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)接口如設(shè)備訪問、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庫函數(shù)建立運(yùn)行時環(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)庫函數(shù)上，這說明用戶應(yīng)用程序要訪問硬件設(shè)備至少有4中方法：

調(diào)用C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(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)動程序，如alt_avalon_uart_write()；

直接訪問設(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，對用戶來說最容易實現(xiàn)，但是需要最多的額外開銷；第三種方法抽象度較低，有一定的移植性，額外開銷較少，但還需要用戶考慮對設(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硬件的直接訪問，需要用戶關(guān)注設(shè)備的每個硬件細(xì)節(jié)，無額外開銷。

對于I/O外設(shè)，HAL提供了一些宏定義來訪問其中的寄存器，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，只需要調(diào)用這些宏就可以訪問到I/O外設(shè)中的寄存器，而無需關(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_開頭，若是無符號類型，那么數(shù)據(jù)類型中含有“u”表示unsigned的意思，最后會用數(shù)據(jù)的位數(shù)來結(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8位的無符號數(shù)據(jù)。

使用HAL開發(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Nios II SBT工程包括2個工程：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過程中，編譯工具會根據(jù)硬件系統(tǒng)信息生成一個描述硬件信息的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。對應(yīng)用程序開發(fā)來說，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（如果外設(shè)有中斷）；

外設(shè)的符號名稱；

代碼1.1 system.h文件示例