HAL (Hardware Abstraction Layer)

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 17:13, 24 августа 2017.
HAL (Hardware Abstraction Layer)
Предыдущий выпуск: 0.5.14 / 30 ноября 2009
Состояние разработки: Разработка прекращена
Операционная система: Linux, FreeBSD, NetBSD, OpenSolaris, Solaris
Платформа: UNIX
Лицензия: GNU General Public License и Academic Free License
Веб-сайт freedesktop.org

Hardware Abstraction Layer (HAL, Слой аппаратных абстракций) — слой абстрагирования, реализованный в программном обеспечении, находящийся между физическим уровнем аппаратного обеспечения и программным обеспечением, запускаемом на этом компьютере. HAL предназначен для скрытия различий в аппаратном обеспечении от основной части ядра операционной системы, таким образом, чтобы большая часть кода, работающая в режиме ядра, не нуждалась в изменении при её запуске на системах с различным аппаратным обеспечением. На персональных компьютерах HAL, по существу, может рассматриваться как драйвер материнской платы, позволяющий взаимодействовать инструкциям высокоуровневых языков программирования с низкоуровневыми компонентами, такими, как аппаратное обеспечение[Источник 1].

В операционных системах семейства Windows NT HAL является неотъемлемой частью кода, исполняемого в режиме ядра, находится в отдельном загрузочном модуле, загружаемом совместно с ядром. Это обеспечивает возможность использования одного и того же загрузочного модуля собственно ядра ОС Windows NT на ряде систем с различными архитектурами шин ввода-вывода, управления прерываниями и таймерами. К примеру, рабочие станции, основанные на SGI Intel x86, были не совместимы с IBM PC-совместимыми рабочими станциями, но благодаря HAL Windows NT мог запускаться на них. Аналогичным образом одно и то же ядро Windows NT используется как на современных системах с контроллером прерываний APIC, так и на устаревших системах без поддержки APIC.

Windows Vista и выше (Windows Server 2008 и выше для серверов) автоматически определяют, какой уровень HAL должен быть использован во время загрузки.

BSD, Mac OS X, Linux, Solaris, CP/M, MS-DOS и некоторые другие портируемые ОС также имеют HAL, несмотря на то, что он не разрабатывался явно для выполнения описанных выше функций. Некоторые системы, такие, как Linux, имеют возможность вставлять подобный слой, к примеру, Adeos (англ.)русск., во время работы. Ядро операционной системы NetBSD широко известно наличием чистого слоя абстрагирования от аппаратного обеспечения (HAL), что позволяет ему быть высоко-портируемым. Частью этой системы являются uvm(9)/pmap(9), bus_space(9), bus_dma(9) и другие подсистемы. Популярные шины, которые используются более чем на одной архитектуре, такие, как ISA, EISA, PCI, PCI-E и др., также абстрагированы, позволяя написанным под них драйверам также быть высокопортируемыми с минимальным изменением кода.

«Экстремальный» пример HAL может быть найден в архитектурах System/38 (англ.)русск. и AS/400. Большинство компиляторов для таких систем генерируют абстрактный машинный код. Лицензированный внутренний код (LIC) переводит этот виртуальный машинный код во внутренний (собственный) код процессора, на котором он запускается, и выполняет получившийся внутренний код (исключение составляют компиляторы, которые сами генерируют LIC; эти компиляторы не доступны за пределами IBM). К примеру, прикладное программное обеспечение и программное обеспечение операционной системы, расположенные над слоем LIC, скомпилированные на оригинальной архитектуре System/38, запускаются без каких-либо модификаций и перекомпиляций на последних системах AS/400. И это несмотря на тот факт, что лежащее в основе аппаратное обеспечение было кардинально изменено; по крайней мере, три различных типа микропроцессоров находились в использовании.

HAL является даже более низким уровнем в компьютерных языках программирования, чем API, потому что он взаимодействует непосредственно с аппаратным обеспечением вместо ядра системы, следовательно, HAL требует меньше процессорного времени, чем API. Языки высокого уровня часто используют HAL и API для взаимодействия с компонентами более низкого уровня.

Операционные системы, имеющие HAL, легко портируются на различное оборудование. Это особенно важно для встраиваемых систем, которые должны работать на большом количестве различных платформ[Источник 2].

Текущее состояние

HAL является устаревшим и не рекомендуется к использованию. Решения, поставленные за основу при проектировании HAL, на практике оказались неэффективными и единственным выходом оказалось создание новой подсистемы и перенос функциональности. Такой системой стал udev. В настоящий момент поддержка HAL убрана из ядра, а самые крупные дистрибутивы (Ubuntu[3], Debian и Fedora) завершили переход и используют Udev.

Причины устранения

Основное преимущество в новой подсистеме udev (перед HAL) в том, что первый является событийно-управляемой и имеет тесную интеграцию с ядром, а HAL же, будучи реализованным в userspace в виде демона, вынужден периодически опрашивать ядро. Таким образом, использование событийно-управляемого udev значительно снижает нагрузку на систему, а значит и электропотребление. Также, описания правил для устройств выполнены в виде простых файлов конфигурации и гораздо проще и понятней для пользователей и разработчиков, чем XML примененный ранее в HAL. И наконец, udev разработан «с чистого листа», с учётом предыдущего опыта и в нём отсутствует устаревший или беспорядочный код.

Процесс миграции c HAL на udev

Изначально большая часть логики HAL была перенесена в udev, а правила в новый модуль — DeviceKit (не путать с PolicyKit или ConsoleKit). Однако вскоре схема udev+DeviceKit несколько изменилась — разработчики обнаружили, что большая часть аппаратуры уже управляется различными программными компонентами и необходимы только правила для дисков (udisks) и питания (upower). Проект DeviceKit был разбит на несколько более мелких частей и больше не используется и не упоминается. Таким образом современные дистрибутивы используют только Udev и правила к нему (udisks, upower — часть пакета udev-extras). Однако ввиду инерционности кода, многие программы всё ещё требуют устаревший HAL (в основном для обнаружения дисков) и поэтому дистрибутивы вынуждены поставлять HAL, фактически дублируя логику (например Qt3, и столкнувшийся с этим проект Trinity).


Источники

  1. HAL (Hardware Abstraction Layer) // Freedesktop: сайт. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/HAL_(freedesktop.org) (дата обращения: 4.05.2017).
  2. HAL (Hardware Abstraction Layer) // Wikipedia: сайт. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BB%D0%BE%D0%B9_%D0%B0%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D0%B0%D0%B1%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B9 (дата обращения: 4.05.2017).