对于一些刚开始学习单片机的同学而言,他们刚刚接触单片机开发,可能还没有涉及到使用RTOS(实时操作系统),而且直接使用RTOS可能会有一些困难。此外,一些同学使用的相对较老的单片机资源有限,不太适合运行RTOS。
另外一方面,即便是使用了RTOS,有些同学可能在整体思路上感到困惑,不知道从何入手。因此,本文将讨论一些我对单片机程序整体框架设计的思路和体会。
为什么要讨论架构呢?
单片机系统开发人员的目标之一是在编程环境中创建固件,以实现低成本系统、软件可靠性以及快速的开发迭代时间。在实现这样的编程环境时,最佳实践是使用统一的固件架构体系结构,它在产品开发过程中充当框架,并支持”固件模块化”,也称为子系统。
如果不采用统一的设计架构,那么业务需求之间的耦合关系将变得复杂,而且不采用先设计后开发的方法论,代码编写过程中想到哪里就写到哪里,这将导致后期维护变得异常困难,并增加引入潜在缺陷/bug的风险,同时也无法实现多人协同开发。
通过将固件模块化、可测试性和兼容性的正确组合引入设计体系架构,可以应用于任何固件开发项目,从而最大程度地提高代码的可复用性,加快固件调试速度并提高固件的可移植性。
模块化架构设计?
模块化编程将程序功能分解为固件模块/子系统,每个模块执行一个功能,并包含完成该功能所需的所有源代码和变量。
模块化/子系统化有助于协调团队中许多人的并行工作,管理项目各个部分之间的相互依赖关系,并使设计人员、系统集成人员能够以可靠的方式组装复杂的系统。具体来说,它可以帮助设计人员实现和管理复杂性。
随着应用程序的大小和功能的增长,需要模块化才能将它们分成单独的部分(无论是作为“组件”,“模块”还是“子系统”)。然后,每个这样分离的部分就成为模块化体系结构的一个元素。这样,可以使用定义明确的界面隔离和访问每个组件。此外,模块化编程可提高固件的可读性,同时简化固件的调试,测试和维护。
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即便是一个人独立开发一个项目,这样做依然在代码的调试、可读性、可移植性方面是最佳实践的整体策略。如果代码设计良好,则在其他项目可以轻松应用。而且模块经过上一项目的测试验证,在新的项目中再次应用其缺陷风险将大幅降低。
所以每做一个项目,以这种策略不断积累模块”轮子”组件,随着经验的增长,积累的“轮子”就越来越多,也越来越好。所以其优点是显而易见的,否则每做一个项目,都从轮子造起,开发时间长不说,开发水平也得不到提高,重复性工作也很枯燥。比如前文中谈到的非易失存储管理子系统,如设计良好,就变成一个可靠的可移植的轮子。这段话请深入理解,并拿走不谢!
固件模块原理
固件开发中模块化编程的基本概念是创建固件模块。从概念上讲,模块代表关注点分离。在计算机科学中,关注点分离是将计算机程序分解为功能很少重叠的独特功能的过程。关注点是程序的任何关注点或功能,并且与功能或行为同义。关注点分离的发展传统上是通过模块化和封装来实现的,其实也就是解耦思想。
固件模块可以分为几种类型:
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与很多上层用户模块都有关的代码被实现为单独的固件模块。常见的如底层硬件相关的抽象实现。例如,hal_adc.c 是ADC用户模块的固件模块,而hal_timer.c是Timer用户模块的固件模块。 -
用于特定纯软件算法的代码被实现为单独的固件模块。例如,alg_filter.c是执行软件过滤器(例如中值过滤器,均值过滤器或加权均值过滤器、IIR/FIR滤波)的固件模块。 -
特定应用程序的代码实现为单独的固件模块。例如,app_battery.c是电池充电器应用程序的固件模块。特定工具的代码实现为单独的固件模块。例如,debug_print.c是用于实现日志打印功能的固件模块。 -
……
实施估计模块化设计的一些规则:
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所有与模块相关的功能都应集成到单个源文件中,这是高内聚的体现。 -
模块对外提供一个头文件,该文件声明了该模块的所有资源(硬件依赖/宏/常量/变量/函数)。尽量用struct将紧密相关的变量进行集总封装。 -
在源文件中包括自检代码部分,以实现该模块模块的所有自检功能。 -
固件模块的接口应经过精心设计和定义。 -
由于固件取决于硬件,因此需要在源文件头中明确提及硬件的相关性。比如利用宏将硬件依赖转定义,或者利用函数将基本操作进行封装。则在新的架构体系,仅仅需要移植这部分实现即可使用。 -
通常,固件模块可供其他团队成员在其他项目中使用。可能涉及到管理更改,缺陷修复、所有者应维护模块。源文件头应包含“作者”和“版本”信息。 -
固件在某种程度上取决于编译器。源文件头中应声明基于什么开发环境进行过验证,以指定编译器或与IDE相关的信息。
需要注意的是,模块化设计会引入一些调用开销,也可能增加固件尺寸大小。在实际实现时,折中考量。不要过度模块化,所以建议采用高内聚、低耦合的实现策略。在前面文章中有谈到过的呼吸机PB560的设计,看过其代码,本打算解读一下其代码设计,但读下来发现,其设计过度模块化了,没有实现高内聚的思想。其源代码很多源文件仅仅实现了一个函数,而不是把一类问题集中抽象实现,后来就放弃了其代码解读。
如何拆分模块?
做工程开发,一定是需求驱动的。第一件事需要对需求有比较清晰的认知,然后才能设计一个比较合理的框架。我们需要实现什么?大致总体设计过程策略我的基本采用如下图所示思路(我比较喜欢绘图,图会让人比较直观)
问自己第一个问题是:这个项目要实现什么主要功能?这个来自哪里?如果是实际产品开发,则可能来自市场的需求,如果是自己的DIY项目,也一定会YY出一个大致的想法?总之不管源自何方,需求总要先梳理清楚。那么需求一般意义上包含哪些呢?
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哪些是硬件IO接口需求,比如开关量输入,ADC采样,I2C/SPI通信等等 -
哪些是业务逻辑需求,比如要采集一个传感器量数据,控制一个加热装置,那么这是高内聚的需求。 -
哪些是算法相关的技术需求,比如产品中哪些信号需要滤波处理,哪些需要做频域分析等等。 -
是否有对外的通信协议需求。 -
是否有业务数据需要历史存储,或者设备参数需要掉电保存 -
是否需要有日志打印需求。 -
…….. -
不一而足。
结合固件模块原理以及相关指导原则,那么将相关性高的需求,抽象实现在一系列的模块中,在由这一系列模块配合实现某个相关性高的业务需求,再进一步这些模块就变成一个子系统。多个子系统在main.c的调度下,协调完成产品的整体功能。
如何集成调度
对于某些不使用RTOS的应用而言,可以使用如下的框架进行:
void main(void)
{
/*各模块初始化*/
init_module_1();
init_module_2();
....
while(1)
{
/*实现一个定时调度策略*/
if(timer50ms)
{
timer50ms = 0;
app_module_1();
}
if(timer100ms)
{
timer100ms = 0;
app_module_2();
}
/*异步请求处理,如中断后台处理*/
if(flag1)
{
communication_handler();
}
.....
}
}
对于基于RTOS的集成实现举例:
void task1(void)
{
/*处理子系统相关的初始化*/
init_task1();
while(1)
{
/*应用相关调用*/
task1_mainbody();
....
}
}
....
void taskn(void)
{
/*处理子系统相关的初始化*/
init_taskn();
while(1)
{
/*应用相关调用*/
taskn_mainbody();
....
}
}
void main(void)
{
/*一些基本硬件相关初始化,比如IO,时钟,OS tick定时器等*/
init_hal();
......
/*一些基本RTOS初始化*/
init_os();
/*任务创建*/
os_creat("task1",task1,栈设置,优先级,...);
......
os_creat("taskn",taskn,栈设置,优先级,...);
/*启动OS调度器,交由OS调度管理应用任务*/
os_start();
}
具体不同的RTOS,其函数名各有不同,但大致思路一般都差不多。
总结一下
本文从为什么需要模块化设计整体架构,到这样做的好处,以及具体做的一些指导原则,再到实际中如何实现,怎么做到高内聚低耦合,提供了一些个人工作中的体会以及思路。
同时对于裸机程序整体框架、基于RTOS的集成框架做了两个demo,基本能解决大部分的框架思路问题。将前文中的一些个人推崇的原则,在加粗总结下:
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所有与模块相关的功能都应集成到单个源文件中,这是高内聚的体现。 -
模块对外提供一个头文件,该文件声明了该模块的所有资源(硬件依赖/宏/常量/变量/函数)。尽量用struct将紧密相关的变量进行集总封装。 -
在源文件中包括自检代码部分,以实现该模块模块的所有自检功能。 -
固件模块的接口应经过精心设计和定义。 -
由于固件取决于硬件,因此需要在源文件头中明确提及硬件的相关性。比如利用宏将硬件依赖转定义,或者利用函数将基本操作进行封装。则在新的架构体系,仅仅需要移植这部分实现即可使用。 -
通常,固件模块可供其他团队成员在其他项目中使用。可能涉及到管理更改,缺陷修复、所有者应维护模块。源文件头应包含“作者”和“版本”信息。 -
固件在某种程度上取决于编译器。源文件头中应声明基于什么开发环境进行过验证,以指定编译器或与IDE相关的信息。
极力建议采用先设计-后开发的模式,比较忌讳逐步debug,想到哪里写到哪里。当然对于新手学习而言,后一种模式,可以逐步渐进迭代,也可以比较快的增长经验。当然如何取舍,全凭个人意愿。
相信您如深入阅读,细细体会,应该从设计思想上得到些领悟,有所提高。如果能帮助到您,则我心甚慰,也不枉辛苦码了这么多字。当然如果觉得文章有价值,也麻烦帮忙点在看,或者转发分享。让更多朋友能看到,当然对于单片机开发大神而言,文中观点则显得颇为粗浅了。至于赞赏,则随心即可。
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