詳論單片機(jī)固件模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)（精華）

[導(dǎo)讀] 為什么寫(xiě)本文？做公號(hào)兩月，遇到一些初學(xué)單片機(jī)的同學(xué)，剛剛?cè)胧肿鰡纹瑱C(jī)開(kāi)發(fā)，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，有的使用的相對(duì)較老單片機(jī)資源還有限，也不適合跑RTOS?；蛘呤褂肦TOS，在整體思路上比較迷茫，不知從何入手，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)。

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)、軟件可靠性以及快速的開(kāi)發(fā)迭代時(shí)間。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”，或稱(chēng)為子系統(tǒng)。

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，不采用先設(shè)計(jì)-后開(kāi)發(fā)的方法論，想到哪里寫(xiě)到哪里，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，且不具備多人協(xié)同開(kāi)發(fā)的可能。

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，以最大程度地提高代碼可復(fù)用性，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)？

模塊化編程將程序功能分解為固件模塊/子系統(tǒng)，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。

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，管理項(xiàng)目各個(gè)部分之間的相互依賴(lài)關(guān)系，并使設(shè)計(jì)人員、系統(tǒng)集成人員能夠以可靠的方式組裝復(fù)雜的系統(tǒng)。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。隨著應(yīng)用程序的大小和功能的增長(zhǎng)，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)”）。然后，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，可以使用定義明確的界面隔離和訪(fǎng)問(wèn)每個(gè)組件。此外，模塊化編程可提高固件的可讀性，同時(shí)簡(jiǎn)化固件的調(diào)試，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，這樣做依然在代碼的調(diào)試、可讀性、可移植性方面是最佳實(shí)踐的整體策略。如果代碼設(shè)計(jì)良好，則在其他項(xiàng)目可以輕松應(yīng)用。而且模塊經(jīng)過(guò)上一項(xiàng)目的測(cè)試驗(yàn)證，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，以這種策略不斷積累模塊"輪子"組件，隨著經(jīng)驗(yàn)的增長(zhǎng)，積累的“輪子”就越來(lái)越多，也越來(lái)越好。所以其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，否則每做一個(gè)項(xiàng)目，都從輪子造起，開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)不說(shuō)，開(kāi)發(fā)水平也得不到提高，重復(fù)性工作也很枯燥。比如前文中談到的非易失存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)，如設(shè)計(jì)良好，就變成一個(gè)可靠的可移植的輪子。這段話(huà)請(qǐng)深入理解，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。從概念上講，模塊代表關(guān)注點(diǎn)分離。在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，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。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。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，其實(shí)也就是解耦思想。

固件模塊可以分為幾種類(lèi)型：

• 與很多上層用戶(hù)模塊都有關(guān)的代碼被實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)的固件模塊。常見(jiàn)的如底層硬件相關(guān)的抽象實(shí)現(xiàn)。例如，hal_adc.c 是ADC用戶(hù)模塊的固件模塊，而hal_timer.c是Timer用戶(hù)模塊的固件模塊。
• 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，alg_filter.c是執(zhí)行軟件過(guò)濾器（例如中值過(guò)濾器，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。
• 特定應(yīng)用程序的代碼實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)的固件模塊。 例如，app_battery.c是電池充電器應(yīng)用程序的固件模塊。特定工具的代碼實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)的固件模塊。例如，debug_print.c是用于實(shí)現(xiàn)日志打印功能的固件模塊。
• ......

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，這是 高內(nèi)聚的體現(xiàn)。
• 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(lài)/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。
• 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。
• 固件模塊的接口應(yīng)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和定義。
• 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。比如利用宏將硬件依賴(lài)轉(zhuǎn)定義，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，僅僅需要移植這部分實(shí)現(xiàn)即可使用。
• 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?？赡苌婕暗焦芾砀?，缺陷修復(fù)、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。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，以指定編譯器或與IDE相關(guān)的信息。

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(xiāo)，也可能增加固件尺寸大小。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，折中考量。不要過(guò)度模塊化，所以建議采用高內(nèi)聚、低耦合的實(shí)現(xiàn)策略。在前面文章中有談到過(guò)的呼吸機(jī)PB560的設(shè)計(jì)，看過(guò)其代碼，本打算解讀一下其代碼設(shè)計(jì)，但讀下來(lái)發(fā)現(xiàn)，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。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(lèi)問(wèn)題集中抽象實(shí)現(xiàn)，后來(lái)就放棄了其代碼解讀。

如何拆分模塊？

做工程開(kāi)發(fā)，一定是需求驅(qū)動(dòng)的。第一件事需要對(duì)需求有比較清晰的認(rèn)知，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？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，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？如果是實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，則可能來(lái)自市場(chǎng)的需求，如果是自己的DIY項(xiàng)目，也一定會(huì)YY出一個(gè)大致的想法？總之不管源自何方，需求總要先梳理清楚。那么需求一般意義上包含哪些呢？

• 哪些是硬件IO接口需求，比如開(kāi)關(guān)量輸入，ADC采樣，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)，控制一個(gè)加熱裝置，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，比如產(chǎn)品中哪些信號(hào)需要濾波處理，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。
• 是否有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要?dú)v史存儲(chǔ)，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。

結(jié)合固件模塊原理以及相關(guān)指導(dǎo)原則，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，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，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，協(xié)調(diào)完成產(chǎn)品的整體功能。

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：

void main(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；
           app_module_1();
       }
       if(timer100ms)
       {
           timer100ms = 0；
           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：

void task1(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();
       ....
    }
}
....
void taskn(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();
       ....
    }
}

void main(void)
{
    /*一些基本硬件相關(guān)初始化,比如IO,時(shí)鐘，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)，...);
    ......
    os_creat("taskn",taskn,棧設(shè)置，優(yōu)先級(jí)，...);
    
    /*啟動(dòng)OS調(diào)度器，交由OS調(diào)度管理應(yīng)用任務(wù)*/
    os_start();
}

具體不同的RTOS，其函數(shù)名各有不同，但大致思路一般都差不多。

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)，到這樣做的好處，以及具體做的一些指導(dǎo)原則，再到實(shí)際中如何實(shí)現(xiàn)，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。同時(shí)對(duì)于裸機(jī)程序整體框架、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。將前文中的一些個(gè)人推崇的原則，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)。
• 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(lài)/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。
• 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。
• 固件模塊的接口應(yīng)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和定義。
• 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。比如利用宏將硬件依賴(lài)轉(zhuǎn)定義，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，僅僅需要移植這部分實(shí)現(xiàn)即可使用。
• 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?？赡苌婕暗焦芾砀?，缺陷修復(fù)、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。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，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，比較忌諱逐步debug，想到哪里寫(xiě)到哪里。當(dāng)然對(duì)于新手學(xué)習(xí)而言，后一種模式，可以逐步漸進(jìn)迭代，也可以比較快的增長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然如何取舍，全憑個(gè)人意愿。

相信您如深入閱讀，細(xì)細(xì)體會(huì)，應(yīng)該從設(shè)計(jì)思想上得到些領(lǐng)悟，有所提高。如果能幫助到您，則我心甚慰，也不枉辛苦碼了這么多字。當(dāng)然如果覺(jué)得文章有價(jià)值，也麻煩幫忙點(diǎn)在看，或者轉(zhuǎn)發(fā)分享。讓更多朋友能看到，當(dāng)然對(duì)于單片機(jī)開(kāi)發(fā)大神而言，文中觀點(diǎn)則顯得頗為粗淺了。至于贊賞，則隨心即可。