【編程之美】論嵌入式架構(gòu)的重要性
嵌入式架構(gòu)有多重要？
要做到嵌入式應(yīng)用的代碼邏輯清晰，
且避免重復(fù)的造輪子，
沒有好的應(yīng)用架構(gòu)怎么行?
如果沒有好的架構(gòu)，
移植將會(huì)是一件很痛苦的事情。
如果沒有好的架構(gòu)，
復(fù)用是最大的難題，
沒法更大限度的復(fù)用原有的代碼。
如果沒有好的架構(gòu)，
一旦驅(qū)動(dòng)改了，
所有的地方都要改，
費(fèi)時(shí)費(fèi)力且很容易出錯(cuò)。
如果沒有好的架構(gòu)，
應(yīng)用層中穿插著硬件驅(qū)動(dòng)層的代碼，
看著會(huì)是一片混亂，
邏輯不清，
代碼維護(hù)起來會(huì)很困難。
01
嵌入式系統(tǒng)的基本架構(gòu)
硬件架構(gòu)
軟件架構(gòu)
大多數(shù)人參與的是 嵌入式軟件設(shè)計(jì) ，更多的是接觸的是上層軟件系統(tǒng)部分，可以分為兩大類型嵌入式軟件應(yīng)用工程師以及嵌入式驅(qū)動(dòng)工程師。
前者主要負(fù)責(zé) linux APP 設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)應(yīng)用層業(yè)務(wù)開發(fā)，主要具備如下幾個(gè)專業(yè)技能：
2.熟悉多線程管理、進(jìn)程間通信、文件IO操作
3.了解基本的shell編程
4.熟悉數(shù)據(jù)庫操作
5.了解QT或者Android
后者負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)開發(fā)，更加涉及底層。
2.熟悉Linux驅(qū)動(dòng)模型
3.熟悉ARM架構(gòu)
4.熟悉基本的電路原理
02
嵌入式程序設(shè)計(jì)思路
如果功能模塊變動(dòng)了，只需升級功能功能模塊，其他的模塊不受影響，應(yīng)用層也不受影響。
休息一下，推薦一篇文章《怎樣混好嵌入式/MCU/ARM/DSP這一行？》
03
一個(gè)引以為戒的實(shí)例
一、錯(cuò)誤的示范
版本一的架構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)分為兩層：硬件驅(qū)動(dòng)層、應(yīng)用層。
2.1.1硬件驅(qū)動(dòng)層
硬件驅(qū)動(dòng)層包含板載硬件資源正常運(yùn)行所需的所有驅(qū)動(dòng)程序。
1)MCU初始化
2)I2C數(shù)據(jù)存取
3)SPI數(shù)據(jù)讀取
4)加速度計(jì)初始化
5)藍(lán)牙模塊啟動(dòng)
6)BC95模塊啟動(dòng)
7)485通訊模塊啟動(dòng)
2.2.2應(yīng)用層
1)Mcu運(yùn)行模式切換
2)震動(dòng)及傾斜
3)數(shù)據(jù)解析
4)開/關(guān)鎖
5)數(shù)據(jù)發(fā)送
6)歷史數(shù)據(jù)保存
版本二的架構(gòu)設(shè)計(jì)
1.對架構(gòu)的理解還不是很清晰，既然是做架構(gòu)設(shè)計(jì)，那就應(yīng)該從整體來看，而不是僅僅只是局限于一個(gè)模塊，或者功能里面。
2.還是每個(gè)層次的理解也還不是很清晰，比如講MCU的初始化，歸于硬件驅(qū)動(dòng)層里面。MCU的初始化，嚴(yán)格意義上來說，是屬于流程的一部分了，而不是驅(qū)動(dòng)。比如電腦的開啟啟動(dòng)，把這個(gè)歸于硬件的驅(qū)動(dòng)里面，肯定是屬于牛頭不對馬嘴的。
3.還有就是各個(gè)模塊的啟動(dòng)，也是不能屬于硬件驅(qū)動(dòng)層的，也都是業(yè)務(wù)流程的一部分了，都不應(yīng)該屬于驅(qū)動(dòng)層的一部分。
4.還有就是總線數(shù)據(jù)的讀寫，雖然驅(qū)動(dòng)的作用也就是讀寫，但是數(shù)據(jù)總線的讀寫不能寫成硬件驅(qū)動(dòng)。
5.應(yīng)用層的系統(tǒng)參數(shù)初始化，也還是屬于流程。
6.數(shù)據(jù)的解析和數(shù)據(jù)的發(fā)生，都是屬于通信功能里面的，不應(yīng)該單獨(dú)獨(dú)立出來，屬于單個(gè)的應(yīng)用。
1.應(yīng)用的代碼邏輯清晰，且避免重復(fù)造輪子。
2.如果沒有好的架構(gòu)，移植將會(huì)是一件很痛苦的事情，因此一個(gè)好的架構(gòu)設(shè)計(jì)，方便軟件的移植。
3.最大限度地復(fù)用。
4.高內(nèi)聚低耦合。
（2）設(shè)計(jì)思路
如何把硬件的驅(qū)動(dòng)和一個(gè)功能封裝成一個(gè)個(gè)的模塊，然后可以像小朋友搭積木一個(gè)，一個(gè)個(gè)模塊可以快速的拼接起來，組成一個(gè)個(gè)不同的模型。
我們的嵌入式架構(gòu)思路也是來源于此，即功能模塊化設(shè)計(jì)、分層設(shè)計(jì)。
這個(gè)設(shè)計(jì)和WEB開發(fā)的MVC模式類似，都是注重分層設(shè)計(jì)。
模塊化設(shè)計(jì)：將收集到的需求，進(jìn)行歸類，總結(jié)和分析，將這些需求概括為一個(gè)個(gè)單獨(dú)的功能，每一個(gè)功能，做成一個(gè)單獨(dú)的功能模塊。
分層設(shè)計(jì)一句話不好直接表達(dá)，其主要體現(xiàn)在一下幾方面：
1.功能模塊對外調(diào)用的模塊封裝成一個(gè)個(gè)API，將底層驅(qū)動(dòng)做個(gè)API以供功能模塊調(diào)用。（各個(gè)功能模塊可以獨(dú)立編譯（如通信模塊純ANSI C，可在任意平臺(tái)復(fù)用），或者調(diào)用驅(qū)動(dòng)層接口（日志庫模塊調(diào)用了驅(qū)動(dòng)讀寫Flash），總而言之，言而總之，封裝出各個(gè)功能獨(dú)立的可復(fù)用的功能模塊。）
2.API分為驅(qū)動(dòng)層API和應(yīng)用層API，而不是所有程序都調(diào)用驅(qū)動(dòng)層API。(整個(gè)應(yīng)用中都調(diào)用驅(qū)動(dòng)層API會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)調(diào)用隨處可見，無法移植和最大限度的復(fù)用)
總體分 硬件驅(qū)動(dòng)層-->功能模塊層-->業(yè)務(wù)邏輯層-->應(yīng)用層
總體結(jié)構(gòu)示意框圖：
1.層與層之間不能跨層調(diào)用。
2.模塊與模塊各自獨(dú)立，無依賴關(guān)系。
3.模塊提供統(tǒng)一的接口供上層調(diào)用，模塊的內(nèi)外接口分明。
4.模塊的功能只能增，不能改。
5.各個(gè)功能模塊層也還可以進(jìn)行繼續(xù)分層，比如接口層、驅(qū)動(dòng)層、硬件層。
（3）模塊層次說明
硬件驅(qū)動(dòng)層包含板載硬件資源正常運(yùn)行所需的所有驅(qū)動(dòng)程序并提供API給功能模塊調(diào)用。
功能模塊層包括實(shí)現(xiàn)具體功能的函數(shù)，通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)層API實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，同時(shí)提供可調(diào)用的API給業(yè)務(wù)邏輯層。
業(yè)務(wù)邏輯層包括產(chǎn)品整體功能的各個(gè)業(yè)務(wù)流程，通過調(diào)用功能模塊層的API實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)用層將各個(gè)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行整合調(diào)用，完成整個(gè)產(chǎn)品的功能。
（4）優(yōu)勢
如果驅(qū)動(dòng)變動(dòng)了，或者換不同平臺(tái)，只需更改驅(qū)動(dòng)層，應(yīng)用層不受影響。
如果功能模塊變動(dòng)了，只需升級相應(yīng)的功能模塊，其他的模塊不受影響，應(yīng)用層也不受影響。
按照這種邏輯設(shè)計(jì)好之后，主要的工作就是在業(yè)務(wù)邏輯層。應(yīng)用層則為程序的總體流程和框架，主要調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)不同的功能。
04
給嵌入式代碼也來個(gè)分層
一、遇到的問題
代碼結(jié)構(gòu)也會(huì)有缺陷：
（1）開發(fā)效率低：每次使用片內(nèi)的某一資源（例如定時(shí)器等），筆者都要去查詢CC2430中文手冊，比較eggache~
正是由于以上問題，筆者決定暫停了該系列博文的續(xù)寫，抽出時(shí)間來思考一下解決辦法。
二、由網(wǎng)站分層引起的思考
筆者在學(xué)習(xí)嵌入式編程之前，曾有過 ASP.NET 網(wǎng)站開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對其分層理論也有所實(shí)踐，下面簡單提一下：
一般的有一定復(fù)雜度的網(wǎng)站可分為以下三層：
總之，分層以后，大大提高了代碼的復(fù)用性與擴(kuò)展性。
那么在嵌入式開發(fā)中，能否也利用分層的思想，來提高開發(fā)效率，增強(qiáng)其可維護(hù)性與可擴(kuò)展性呢？下面，是一些筆者思考后的淺見。
三、嵌入式項(xiàng)目也來分個(gè)層
當(dāng)然不能照搬ASP.NET 的具體分層思想，具體問題得具體分析嘛~
首先，嵌入式開發(fā)的核心就是芯片，它提供固定的片內(nèi)資源共開發(fā)者使用。而且它具有一個(gè)很重要的特點(diǎn)就是，不隨項(xiàng)目的需求變動(dòng)而變動(dòng)。所以應(yīng)將其作為最底層，為上層提供基礎(chǔ)支持。我們將其命名為 硬件抽象層（Hardware Abstract Layer）。
芯片有了當(dāng)然還不夠，通常我們會(huì)在片外擴(kuò)展一些功能模塊來滿足具體的項(xiàng)目需求，例如：傳感器、鍵盤、LCD屏等。這一層的特點(diǎn)是，隨項(xiàng)目的變動(dòng)而以模塊為單位動(dòng)態(tài)增減。這一層的運(yùn)作需要芯片內(nèi)部資源的支持，所以應(yīng)處于硬件抽象層之上，并為上層調(diào)用。我們將其命名為 功能模塊層（Functional Module Layer）。
OK，現(xiàn)在原材料都準(zhǔn)備齊了：芯片+擴(kuò)展模塊，接下來就要開始真正的加工了：我們需要靈活調(diào)用之前兩層所提供的接口，實(shí)現(xiàn)具體的項(xiàng)目需求。我們將其命名為應(yīng)用程序?qū)樱ˋpplication Layer）。
圖文：
（1）硬件抽象層（HAL）
實(shí)現(xiàn)對片內(nèi)資源 (如定時(shí)器、ADC、中斷、I/O等) 的通用配置，隱藏具體的SFR操作細(xì)節(jié)，為上層提供簡單清晰的調(diào)用接口。
嵌入式開發(fā)的核心就是芯片，它提供固定的片內(nèi)資源（常用的有I/O，ISR，TIMER等，稍微好點(diǎn)的還有ADC，SPI等硬件資源，不需要芯片外圍ADC采集芯片或模擬SPI）共開發(fā)者使用。而且它具有一個(gè)很重要的特點(diǎn)就是，不隨項(xiàng)目的新增需求變動(dòng)而變動(dòng)。所以應(yīng)將其作為最底層，為上層提供基礎(chǔ)支持。
（2）硬件驅(qū)動(dòng)層（HDL）
嵌入式開發(fā)基本都會(huì)使用片外資源，如AT24C02，W25Q128等常見的外圍EEPROM芯片，需要SPI通信（硬件SPI或I/O模擬的SPI）發(fā)送相應(yīng)指令驅(qū)動(dòng)該芯片，實(shí)現(xiàn)該芯片能正常工作。因此驅(qū)動(dòng)這部分的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)程序即為硬件驅(qū)動(dòng)層。即使換了MCU，也只需將調(diào)用過硬件抽象層的API函數(shù)替換即可。
（3）功能模塊層（FML）
通過調(diào)用 HAL，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目中所涉及到的各片外功能模塊，隱藏具體的模塊操作細(xì)節(jié)，并為上層提供簡單清晰的調(diào)用接口。
硬件抽象層和驅(qū)動(dòng)層主要就是為功能模塊層提供的，實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目需要的功能，比如KEY、LED和EEPROM等功能，其中LEY、LED基本調(diào)用硬件抽象層的API函數(shù)（更復(fù)雜的可能通過片外芯片獲取/控制等，因此可能也需要使用硬件驅(qū)動(dòng)層），EEPROM調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)層的API函數(shù)，即使EEPROM芯片更換（AT24C02或W25Q128等），也不影響EEPROM之前編寫含的功能代碼程序（前提是AT24C02，W25Q128提供的API函數(shù)提供的是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)）。
（4）應(yīng)用程序?qū)樱ˋPL）
通過調(diào)用 HAL 與 FML，實(shí)現(xiàn)最終的應(yīng)用功能。
負(fù)責(zé)的就是功能模塊的使用和之間的邏輯關(guān)系處理等等，比如用戶交互界面應(yīng)用程序可能需要KEY、LED、LCD等。
四、硬件抽象層和硬件驅(qū)動(dòng)層的主要區(qū)別
硬件抽象層使用的芯片內(nèi)本身的資源（芯片手冊都有介紹），而硬件驅(qū)動(dòng)層使用的是芯片本身不存在的資源，而且需要編寫相應(yīng)代碼才能實(shí)現(xiàn)的資源。
比如正點(diǎn)原子STM32中CAN使用的TJA1050芯片，CAN屬于STM32的片內(nèi)資源，TJA1050屬于片外資源，但由于TJA1050不需要額外的代碼就能通過STM32中CAN本身提供API函數(shù)正常 工作；因此可以認(rèn)為TJA1050不屬于硬件驅(qū)動(dòng)層，而若使用TJA1041，則需要編寫額外代碼才能使正常工作才能使STM32中CAN本身提供API函數(shù)正常工作，因此可以將TJA1041歸為硬件驅(qū)動(dòng)層。
若不要分這么細(xì)，可以將硬件抽象層和硬件驅(qū)動(dòng)層統(tǒng)一歸為硬件抽象層。
五、功能模塊層和硬件抽象層、硬件驅(qū)動(dòng)層的主要區(qū)別
功能模塊層是按照項(xiàng)目需求提取出來的功能，需要硬件抽象層和硬件驅(qū)動(dòng)層的硬件支持才能實(shí)現(xiàn)，功能模塊層根據(jù)項(xiàng)目的功能需求改變而改變，而硬件抽象層和硬件驅(qū)動(dòng)層則是項(xiàng)目需求書中的功耗等硬件相關(guān)的需求變動(dòng)而改變，當(dāng)然，若子功能的增加而硬件不支持，則也需更換硬件驅(qū)動(dòng)。
比如項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能，硬件支持有AT24C02、W25Q128和芯片本身的FLASH，都可以支持?jǐn)?shù)據(jù)儲(chǔ)存功能，即使后期因?yàn)楣幕蚬?jié)約成本等問題，硬件的更換也不影響數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能的實(shí)現(xiàn)（前提規(guī)劃好標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的API函數(shù)定義）且避免了重寫該功能代碼所帶來的各種問題，保證了該功能的穩(wěn)定性。
分層結(jié)構(gòu)示意圖
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