嵌入式软件架构设计

Posted 2021-06-17 超凡东皇

一、前言

小生做MCU方面的开发已经很多年了，记得当初开始做项目的时候，实现功能就是我的目标，基本不会关注其它方面，功能的实现已经够让我折腾的了，也没有多少精力关注其它方面，后面慢慢对代码风格、编码规范有一定的讲究，有些代码看起来令人赏心悦目，而有些却不忍直视，再后来发现有些功能模块在一个产品上做了，然后换一个平台(mcu)后，又得调一遍，有些甚至调了一遍又一遍，多几次之后真是烦躁，哲学上有句话叫"人不能两次踏入同一条河流"，而我却是一个坑踩了一次又一次，直到实在受不了了，我决定"再也不踩了"，于是，软件框架设计思想慢慢浮现，从此，我一直基于软件框架开发，分层设计，低耦合高内聚，一个模块在一个产品上开发了，在另一个产品上基本可以直接拿过去用，避免了重复造轮子，开发速度直线上升，并且后期维护也是轻松方便，从此达到了人生巅峰！现在留下些许记录，当然有些也是参考了网友的！

二、为何要进行嵌入式软件架构设计

1、如果没有好的架构，移植将会是一件非常痛苦的事情。

2、如果没有好的架构，复用是不存在的，至少不能最大限度的复用原有的代码。

3、如果没有好的架构，一旦某处修改了，其它很多地方都要改，费时费力且很容易出错。

4、如果没有好的架构，与硬件相关的代码随处可见，看着会很混乱，维护起来非常困难。

5、要做到嵌入式软件逻辑清晰，避免重复造轮子，不断迭代积累，需要有好的软件架构。

三、如何进行嵌入式软件架构设计

首先，说到架构，你会想到什么？像建造一栋楼盘一样，首先要打地基，并且地基要打的牢靠楼盘才能建的高，抗自然灾害(地震、台风等)抗风险能力才更强，然后钢筋、水泥、预制板像堆积木一样，一层一层的造起来…

目前很多优秀的软件都是有框架的，像linux，android等，其框架都是非常清晰，层次化分明的，在其上开发也是需要了解其框架，也只有了解了其框架才能按其套路轻松的开发，因为了解了那些框架就相当于站在了巨人的肩膀上.

我们的嵌软架构也类似房屋建造与积木搭建，也是基于这种分层与模块化的思想，上层是建立在下层的基础之上，模块与模块之间相互独立、互不影响，具体分为驱动层（也叫BSP层）, 模块层、逻辑层、应用层、加上各平台的HAL层(硬件抽象层)共五层，另外一列是公共的库、算法等文件以及操作系统，俗称"五横一纵"！如下图所示：

应用层：为程序的总体的运行框架，组织调用业务逻辑。可以用某种嵌入式操作系统(freeRTOS、rt-thread等)实现几种任务 ，如定时任务，电机控制任务，故障监测任务，耗时处理任务等。

业务逻辑层：如画图处理，底盘运动处理，手臂运动处理，电池信息处理，自动充电处理等。

功能模块层：可以封装不同的功能模块。如gps模块，wifi模块，tof模块，蓝牙模块等，向下调用驱动层接口，向上为应用接提供接口，模块之间尽量不要相互调用，做到低耦合，高内聚。

BSP层：也叫板级支持包层，由各个外设驱动组成，如gpio、timer，uart、iic、spi、dma、irq等外设的操作与控制，向上提供统一的接口。

HAL层(硬件抽象层)：这层包含的是原生的芯片厂家官方库，像STM32标准/HAL库，NXP官方库、TI库等

注：功能模块层之上可以增加一个应用接口层，提供公共的api接口供上层调用。这些接口也可由下层的功能模块开放出来，应用接口层负责汇总。(一个文件就可以搞定，一般顺带放在业务逻辑层)

四、需要严格遵循的原则

1.每个模块提供出的接口要统一，后续只能增，不能改原来的接口(向后兼容)。

2.模块与模块之间相互独立，互不影响，不能相互调用，只能调用它下层的接口(高内聚低耦合)。

3.由模块构成层，层与层之间不能跨级调用。如在应用层中不能看到直接调用驱动层的代码。

4.模块中又可以继续分层，如硬件层、驱动层、接口层。 方便后续模块硬件更换。
如果驱动变动了，或者换不同平台了，只需更改驱动层，应用层不受影响。
如果功能模块变动了，只需升级功能模块，其他的模块不受影响，应用层也不受影响。