[導(dǎo)讀] 為什么寫(xiě)本文恢氯？做公號(hào)兩月，遇到一些初學(xué)單片機(jī)的同學(xué)阱州，剛剛?cè)胧肿鰡纹瑱C(jī)開(kāi)發(fā)挑秉，還沒(méi)有涉及到使用RTOS，且剛?cè)胧种苯由蟁TOS可能會(huì)有些難度苔货，有的使用的相對(duì)較老單片機(jī)資源還有限犀概，也不適合跑RTOS∫共眩或者使用RTOS姻灶，在整體思路上比較迷茫，不知從何入手诈茧，所以本文來(lái)聊聊我對(duì)單片機(jī)程序的整體框架設(shè)計(jì)的一些思路體會(huì)产喉。
為啥要討論架構(gòu)
單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員的目標(biāo)之一是在編程環(huán)境中創(chuàng)建固件，以實(shí)現(xiàn)低成本系統(tǒng)敢会、軟件可靠性以及快速的開(kāi)發(fā)迭代時(shí)間曾沈。 實(shí)現(xiàn)這種編程環(huán)境的最佳方法實(shí)踐是使用統(tǒng)一的固件架構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中充當(dāng)框架并支持“固件模塊化”鸥昏，或稱為子系統(tǒng)塞俱。
如果不采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)架構(gòu)，那么其業(yè)務(wù)需求耦合關(guān)系復(fù)雜互广，不采用先設(shè)計(jì)-后開(kāi)發(fā)的方法論敛腌，想到哪里寫(xiě)到哪里卧土，則程序后期維護(hù)將變得異常艱辛，而引入潛在bug/缺陷的風(fēng)險(xiǎn)也將大大增加像樊，且不具備多人協(xié)同開(kāi)發(fā)的可能尤莺。
可以結(jié)合固件模塊化、可測(cè)試性和兼容性的正確組合的設(shè)計(jì)體系架構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于任何固件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目生棍，以最大程度地提高代碼可復(fù)用性颤霎，加快固件調(diào)試速度并提高固件可移植性。
模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)涂滴？
模塊化編程將程序功能分解為固件模塊/子系統(tǒng)友酱，每個(gè)模塊執(zhí)行一個(gè)功能，并包含完成該功能所需的所有源代碼和變量柔纵。
模塊化/子系統(tǒng)化有助于協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)中許多人的并行工作缔杉，管理項(xiàng)目各個(gè)部分之間的相互依賴關(guān)系，并使設(shè)計(jì)人員搁料、系統(tǒng)集成人員能夠以可靠的方式組裝復(fù)雜的系統(tǒng)或详。 具體來(lái)說(shuō)，它可以幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)和管理復(fù)雜性郭计。 隨著應(yīng)用程序的大小和功能的增長(zhǎng)霸琴，需要模塊化才能將它們分成單獨(dú)的部分（無(wú)論是作為“組件”，“模塊”還是“子系統(tǒng)”）昭伸。 然后梧乘，每個(gè)這樣分離的部分就成為模塊化體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)元素。 這樣庐杨，可以使用定義明確的界面隔離和訪問(wèn)每個(gè)組件选调。 此外，模塊化編程可提高固件的可讀性灵份，同時(shí)簡(jiǎn)化固件的調(diào)試学歧，測(cè)試和維護(hù)。
**即便是一個(gè)人獨(dú)立開(kāi)發(fā)一個(gè)項(xiàng)目各吨，這樣做依然在代碼的調(diào)試、可讀性袁铐、可移植性方面是最佳實(shí)踐的整體策略揭蜒。如果代碼設(shè)計(jì)良好，則在其他項(xiàng)目可以輕松應(yīng)用剔桨。而且模塊經(jīng)過(guò)上一項(xiàng)目的測(cè)試驗(yàn)證屉更，在新的項(xiàng)目中再次應(yīng)用其缺陷風(fēng)險(xiǎn)將大幅降低。所以每做一個(gè)項(xiàng)目洒缀，以這種策略不斷積累模塊"輪子"組件瑰谜，隨著經(jīng)驗(yàn)的增長(zhǎng)欺冀，積累的“輪子”就越來(lái)越多，也越來(lái)越好萨脑。所以其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的隐轩，否則每做一個(gè)項(xiàng)目，都從輪子造起渤早，開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)不說(shuō)职车，開(kāi)發(fā)水平也得不到提高，重復(fù)性工作也很枯燥鹊杖。**比如前文中談到的非易失存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)悴灵，如設(shè)計(jì)良好，就變成一個(gè)可靠的可移植的輪子骂蓖。這段話請(qǐng)深入理解积瞒，并拿走不謝！
固件模塊原理
固件開(kāi)發(fā)中模塊化編程的基本概念是創(chuàng)建固件模塊登下。 從概念上講茫孔，模塊代表關(guān)注點(diǎn)分離。 在計(jì)算機(jī)科學(xué)中庐船，關(guān)注點(diǎn)分離是將計(jì)算機(jī)程序分解為功能很少重疊的獨(dú)特功能的過(guò)程银酬。 關(guān)注點(diǎn)是程序的任何關(guān)注點(diǎn)或功能，并且與功能或行為同義筐钟。關(guān)注點(diǎn)分離的發(fā)展傳統(tǒng)上是通過(guò)模塊化和封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)的揩瞪，其實(shí)也就是解耦思想。
固件模塊可以分為幾種類型：
與很多上層用戶模塊都有關(guān)的代碼被實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)的固件模塊篓冲。 常見(jiàn)的如底層硬件相關(guān)的抽象實(shí)現(xiàn)李破。例如，hal_adc.c 是ADC用戶模塊的固件模塊壹将，而hal_timer.c是Timer用戶模塊的固件模塊嗤攻。
用于特定純軟件算法的代碼被實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)的固件模塊。例如诽俯，alg_filter.c是執(zhí)行軟件過(guò)濾器（例如中值過(guò)濾器妇菱，均值過(guò)濾器或加權(quán)均值過(guò)濾器、IIR/FIR濾波）的固件模塊暴区。
特定應(yīng)用程序的代碼實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)的固件模塊闯团。例如，app_battery.c是電池充電器應(yīng)用程序的固件模塊仙粱。特定工具的代碼實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)的固件模塊房交。 例如，debug_print.c是用于實(shí)現(xiàn)日志打印功能的固件模塊伐割。
......
實(shí)施估計(jì)模塊化設(shè)計(jì)的一些規(guī)則：
所有與模塊相關(guān)的功能都應(yīng)集成到單個(gè)源文件中候味，這是高內(nèi)聚的體現(xiàn)刃唤。
模塊對(duì)外提供一個(gè)頭文件，該文件聲明了該模塊的所有資源（硬件依賴/宏/常量/變量/函數(shù)）白群。盡量用struct將緊密相關(guān)的變量進(jìn)行集總封裝尚胞。
在源文件中包括自檢代碼部分，以實(shí)現(xiàn)該模塊模塊的所有自檢功能川抡。
固件模塊的接口應(yīng)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和定義辐真。
由于固件取決于硬件，因此需要在源文件頭中明確提及硬件的相關(guān)性崖堤。比如利用宏將硬件依賴轉(zhuǎn)定義侍咱，或者利用函數(shù)將基本操作進(jìn)行封裝。則在新的架構(gòu)體系密幔，僅僅需要移植這部分實(shí)現(xiàn)即可使用楔脯。
通常，固件模塊可供其他團(tuán)隊(duì)成員在其他項(xiàng)目中使用胯甩。 可能涉及到管理更改昧廷，缺陷修復(fù)、所有者應(yīng)維護(hù)模塊偎箫。 源文件頭應(yīng)包含“作者”和“版本”信息木柬。
固件在某種程度上取決于編譯器。 源文件頭中應(yīng)聲明基于什么開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證淹办，以指定編譯器或與IDE相關(guān)的信息眉枕。
需要注意的是，模塊化設(shè)計(jì)會(huì)引入一些調(diào)用開(kāi)銷怜森，也可能增加固件尺寸大小速挑。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，折中考量副硅。不要過(guò)度模塊化姥宝，所以建議采用高內(nèi)聚、低耦合的實(shí)現(xiàn)策略恐疲。在前面文章中有談到過(guò)的呼吸機(jī)PB560的設(shè)計(jì)腊满，看過(guò)其代碼，本打算解讀一下其代碼設(shè)計(jì)培己，但讀下來(lái)發(fā)現(xiàn)糜烹，其設(shè)計(jì)過(guò)度模塊化了，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)高內(nèi)聚的思想漱凝。其源代碼很多源文件僅僅實(shí)現(xiàn)了一個(gè)函數(shù)，而不是把一類問(wèn)題集中抽象實(shí)現(xiàn)诸迟，后來(lái)就放棄了其代碼解讀茸炒。
如何拆分模塊愕乎？
做工程開(kāi)發(fā)，一定是需求驅(qū)動(dòng)的壁公。第一件事需要對(duì)需求有比較清晰的認(rèn)知感论，然后才能設(shè)計(jì)一個(gè)比較合理的框架。我們需要實(shí)現(xiàn)什么紊册？大致總體設(shè)計(jì)過(guò)程策略我的基本采用如下圖所示思路（我比較喜歡繪圖比肄，圖會(huì)讓人比較直觀）
問(wèn)自己第一個(gè)問(wèn)題是：這個(gè)項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)什么主要功能？這個(gè)來(lái)自哪里囊陡？如果是實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)芳绩，則可能來(lái)自市場(chǎng)的需求，如果是自己的DIY項(xiàng)目撞反，也一定會(huì)YY出一個(gè)大致的想法妥色？總之不管源自何方，需求總要先梳理清楚遏片。那么需求一般意義上包含哪些呢嘹害？
哪些是硬件IO接口需求，比如開(kāi)關(guān)量輸入吮便，ADC采樣笔呀，I2C/SPI通信等等
哪些是業(yè)務(wù)邏輯需求，比如要采集一個(gè)傳感器量數(shù)據(jù)髓需，控制一個(gè)加熱裝置许师，那么這是高內(nèi)聚的需求。
哪些是算法相關(guān)的技術(shù)需求授账，比如產(chǎn)品中哪些信號(hào)需要濾波處理枯跑，哪些需要做頻域分析等等。
是否有對(duì)外的通信協(xié)議需求白热。
是否有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要?dú)v史存儲(chǔ)敛助，或者設(shè)備參數(shù)需要掉電保存
是否需要有日志打印需求。
........
不一而足屋确。
結(jié)合固件模塊原理以及相關(guān)指導(dǎo)原則纳击，那么將相關(guān)性高的需求，抽象實(shí)現(xiàn)在一系列的模塊中攻臀，在由這一系列模塊配合實(shí)現(xiàn)某個(gè)相關(guān)性高的業(yè)務(wù)需求焕数，再進(jìn)一步這些模塊就變成一個(gè)子系統(tǒng)。多個(gè)子系統(tǒng)在main.c的調(diào)度下刨啸，協(xié)調(diào)完成產(chǎn)品的整體功能堡赔。
如何集成調(diào)度
對(duì)于某些不使用RTOS的應(yīng)用而言，可以使用如下的框架進(jìn)行：
voidmain(void)
{
/*各模塊初始化*/
init_module_1();
init_module_2();
....
while(1)
{
/*實(shí)現(xiàn)一個(gè)定時(shí)調(diào)度策略*/
if(timer50ms)
{
timer50ms?=0设联；
app_module_1();
}
if(timer100ms)
{
timer100ms?=0善已；
app_module_2();
}
/*異步請(qǐng)求處理,如中斷后臺(tái)處理*/
if(flag1)
{
communication_handler();
}
.....
}
}
對(duì)于基于RTOS的集成實(shí)現(xiàn)舉例：
voidtask1(void)
{
/*處理子系統(tǒng)相關(guān)的初始化*/
init_task1();
while(1)
{
/*應(yīng)用相關(guān)調(diào)用*/
task1_mainbody();
....
}
}
....
voidtaskn(void)
{
/*處理子系統(tǒng)相關(guān)的初始化*/
init_taskn();
while(1)
{
/*應(yīng)用相關(guān)調(diào)用*/
taskn_mainbody();
....
}
}
voidmain(void)
{
/*一些基本硬件相關(guān)初始化,比如IO,時(shí)鐘灼捂，OS?tick定時(shí)器等*/
init_hal();
......
/*一些基本RTOS初始化*/
init_os();
/*任務(wù)創(chuàng)建*/
os_creat("task1",task1,棧設(shè)置，優(yōu)先級(jí)换团，...);
......
os_creat("taskn",taskn,棧設(shè)置悉稠，優(yōu)先級(jí)，...);
/*啟動(dòng)OS調(diào)度器艘包，交由OS調(diào)度管理應(yīng)用任務(wù)*/
os_start();
}
具體不同的RTOS的猛，其函數(shù)名各有不同，但大致思路一般都差不多想虎。
總結(jié)一下
本文從為什么需要模塊化設(shè)計(jì)整體架構(gòu)卦尊，到這樣做的好處，以及具體做的一些指導(dǎo)原則磷醋，再到實(shí)際中如何實(shí)現(xiàn)猫牡，怎么做到高內(nèi)聚低耦合，提供了一些個(gè)人工作中的體會(huì)以及思路邓线。同時(shí)對(duì)于裸機(jī)程序整體框架淌友、基于RTOS的集成框架做了兩個(gè)demo，基本能解決大部分的框架思路問(wèn)題骇陈。將前文中的一些個(gè)人推崇的原則震庭，在加粗總結(jié)下：
所有與模塊相關(guān)的功能都應(yīng)集成到單個(gè)源文件中，這是高內(nèi)聚的體現(xiàn)你雌。
模塊對(duì)外提供一個(gè)頭文件器联，該文件聲明了該模塊的所有資源（硬件依賴/宏/常量/變量/函數(shù)）。盡量用struct將緊密相關(guān)的變量進(jìn)行集總封裝婿崭。
在源文件中包括自檢代碼部分拨拓，以實(shí)現(xiàn)該模塊模塊的所有自檢功能谊惭。
固件模塊的接口應(yīng)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和定義暂雹。
由于固件取決于硬件，因此需要在源文件頭中明確提及硬件的相關(guān)性罢猪。比如利用宏將硬件依賴轉(zhuǎn)定義授瘦，或者利用函數(shù)將基本操作進(jìn)行封裝醋界。則在新的架構(gòu)體系，僅僅需要移植這部分實(shí)現(xiàn)即可使用提完。
通常形纺，固件模塊可供其他團(tuán)隊(duì)成員在其他項(xiàng)目中使用。 可能涉及到管理更改徒欣，缺陷修復(fù)逐样、所有者應(yīng)維護(hù)模塊。 源文件頭應(yīng)包含“作者”和“版本”信息。
固件在某種程度上取決于編譯器官研。 源文件頭中應(yīng)聲明基于什么開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證秽澳，以指定編譯器或與IDE相關(guān)的信息。
極力建議采用先設(shè)計(jì)-后開(kāi)發(fā)的模式戏羽，忌諱逐步debug，想到哪里寫(xiě)到哪里楼吃。當(dāng)然對(duì)于新手學(xué)習(xí)而言始花，后一種模式，可以逐步漸進(jìn)迭代孩锡，也可以比較快的增長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)酷宵。當(dāng)然如何取舍，全憑個(gè)人意愿躬窜。
相信您如深入閱讀浇垦，細(xì)細(xì)體會(huì)，應(yīng)該從設(shè)計(jì)思想上得到些領(lǐng)悟荣挨，有所提高男韧。如果能幫助到您，則我心甚慰默垄，也不枉辛苦碼了這么多字此虑。
