1、嵌入式

嵌入式的標簽多為：低配，偏硬件，底層，資源緊張，代碼多以C語言，匯編為主，代碼應用邏輯簡單。但隨著AIOT時代的到來，局面組件改變。芯片的性能資源逐漸提升，業務邏輯也逐漸變得復雜，相對于代碼的效率而言，代碼的復用可移植性要求越來越高，以獲得更短的項目周期 和更高的可維護性。下面是AIOT時代嵌入式設備的常見的軟件框架。

設計模式

設計模式的標簽：高級語言 ，高端，架構等。在AIOT時代，設計模式與嵌入式能擦出怎樣的火花？設計模式可描述為：對于某類相似的問題，經過前人的不斷嘗試，總結出了處理此類問題的公認的有效解決辦法。

嵌入式主要以C語言開發，且面向過程，而設計模式常見于高級語言（面向對象），目前市面上描述設計模式的書籍多數使用JAVA 語言，C語言能實現設計模式嗎？設計模式與語言無關，它是解決問題的方法，JAVA可以實現，C語言同樣可以實現。同樣的，JAVA程序員會遇到需要用模式來處理的問題，C程序員也可能遇見，因此設計模式是很有必要學習的。

模式陷阱：設計模式是針對具體的某些類問題的有效解決辦法，不是所有的問題都能匹配到對應的設計模式。因此，不能一味的追求設計模式，有時候簡單直接的處理反而更有效。有的問題沒有合適的模式，可以盡量滿足一些設計原則，如開閉原則（對擴展開放，對修改關閉）

2、觀察者模式

在對象之間定義一個一對多的依賴，當一個對象狀態改變的時候，所有依賴的對象都會自動收到通知。

實現

主題對象提供統一的注冊接口，以及注冊函數 。由觀察者本身實例化observer_intf 接口，然后使用注冊函數，添加到對應的主題列表中，主題狀態發生改變，依次通知列表中的所有對象。

structobserver_ops
{
void*(handle)(uint8_tevt);
};
structobserver_intf
{
structobserver_intf*next;
constchar*name;
void*condition;
conststructobserver_ops*ops;
}
intobserver_register(structtopical*top,structobserver_intf*observer);

當主題狀態發生改變，將通知到所有觀察者，觀察者本身也可以設置條件，是否選擇接收通知

structobserver_intfobserver_list;

voidXXXX_topical_evt(uint8_tevt)
{
structobserver_intf*cur_observer=observer_list.next;
uint8_t*condition=NULL;
while(cur_observer!=NULL)
{
condition=(uint8_t*）cur_observer->condition;
if(NULL==condition||(condition&&*condition)）
{
if(cur_observer->ops->handle){
cur_observer->ops->handle(evt);
}
}
cur_observer=cur_observer->next;
}
}

實例：嵌入式裸機低功耗框架

設備功耗分布

其中線路損耗，電源電路等軟件無法控制，故不討論。板載外設，如傳感器可能通過某條命令配置進入低功耗模式，又或者硬件上支持控制外設電源來控制功耗。片內外設，及芯片內部的外設，通過卸載相關驅動，關閉時鐘配置工作模式來控制功耗。

設備喚醒方式

當系統某個定時事件到來時，系統被主動喚醒處理事件

系統處于睡眠，被外部事件喚醒，如串口接收到一包數據，傳感器檢測到變化，通過引腳通知芯片

被動喚醒

主動喚醒

系統允許睡眠的條件

外設無正在收發的數據

緩存無需要處理的數據

應用層狀態處于空閑（無需要處理的事件）

基于觀察者模式的PM框架實現

PM組件提供的接口

structpm
{
structpm*next;
constchar*name;
void(*init)(void);
void(*deinit(void);
void*condition;
};
staticstructpmpm_list;
staticuint8_tpm_num;
staticuint8_tpm_status;

intpm_register(conststructpm*pm,constchar*name)
{
structpm*cur_pm=&pm_list;
while(cur_pm->next)
{
cur_pm=cur_pm->next;
}
cur_pm->next=pm;
pm->next=NULL;
pm->name=name;
pm_num++;
}

voidpm_loop(void)
{
uint32_tpm_condition=0;
structpm*cur_pm=pm_list.next;
staticuint8_tcnt;

/*checkallcondition*/
while(cur_pm)
{
if(cur_pm->condition){
pm_condition|=*((uint32_t*)(cur_pm->condition));
}
cur_pm=cur_pm->next;
}
if(pm_condition==0)
{
cnt++;
if(cnt>=5)
{
pm_status=READY_SLEEP;
}
}
else
{
cnt=0;
}
if(pm_status==READY_SLEEP)
{
cur_pm=pm_list.next;
while(cur_pm)
{
if(cur_pm->deinit){
cur_pm->deinit();
}
cur_pm=cur_pm->next;
}
pm_status=SLEEP;
ENTER_SLEEP_MODE();
}
/*sleep--->wakeup*/
if(pm_status==SLEEP)
{
pm_status=NORMAL;
cur_pm=pm_list.next;
while(cur_pm)
{
if(cur_pm->init){
cur_pm->init();
}
cur_pm=cur_pm->next;
}
}
}

外設使用PM接口

structuart_dev
{
...
structpmpm;
uint32_tpm_condition;
};
structuart_devuart1;

voidhal_uart1_init(void);
voidhal_uart1_deinit(void);

voiduart_init(void)
{
uart1.pm.init=hal_uart1_init;
uart1.pm.deinit=hal_uart1_deinit;
uart1.pm.condition=&uart1.pm_condition;
pm_register(&uart1.pm,"uart1");
}
/*接下來串口驅動檢查緩存，發送，接收是否空閑或者忙碌，給uart1.pm_condition賦值*/

結論

PM 電源管理可以單獨形成模塊，當功耗外設增加時，只需實現接口，注冊即可

通過定義段導出操作，可以更加簡化應用層或外設的注冊邏輯

方便調試，可以很方便打印出系統當前為滿足睡眠條件的模塊

通過條件字段劃分，應該可以實現系統部分睡眠

3、責任鏈模式

在現實生活中，一個事件(任務)需要經過多個對象處理是很常見的場景。如報銷流程，公司員工報銷， 首先員工整理報銷單，核對報銷金額，有誤則繼續核對整理，直到無誤，將報銷單遞交到財務，財務部門進行核對，核對無誤后，判斷金額數量，若小于一定金額，則財務部門可直接審批，若金額超過范圍，則報銷單流傳到總經理，得到批準后，整個任務才算結束。類似的情景還有很多，如配置一個WIFI模塊，通過AT指令，要想模塊正確連入WIFI ， 需要按一定的順序依次發送配置指令 ， 如設置設置模式 ，設置 需要連接的WIFI名，密碼，每發送一條配置指令，模塊都將返回配置結果，而發送者需要判斷結果的正確性，再選擇是否發送下一條指令或者進行重傳。

總結起來是，一系列任務需要嚴格按照時間線依次處理的順序邏輯，如下圖所示:

在存在系統的情況下，此類邏輯可以很容易的用阻塞延時來實現，實現如下：

voidprocess_task(void)
{
task1_process();
msleep(1000);

task2_process();
mq_recv(&param,1000);

task3_process();
while(mq_recv(¶m,1000)!=OK)
{
if(retry)
{
task3_process();
--try;
}
}
}

在裸機的情況下，為了保證系統的實時性，無法使用阻塞延時，一般使用定時事件配合狀態機來實現：

voidprocess_task(void)
{
switch(task_state)
{
casetask1:
task1_process();
set_timeout(1000);break;
casetask2:
task1_process();
set_timeout(1000);break;
casetask3:
task1_process();
set_timeout(1000)break;
default:break;
}
}
/*定時器超時回調*/
voidtimeout_cb(void)
{
if(task_state==task1)
{
task_state=task2;
process_task();
}
else//task2andtask3
{
if(retry)
{
retry--;
process_task();
}
}
}
/*任務的應答回調*/
voidtask_ans_cb(void*param)
{
if(task==task2)
{
task_state=task3;
process_task();
}
}

和系統實現相比，裸機的實現更加復雜，為了避免阻塞，只能通過狀態和定時器來實現順序延時的邏輯，可以看到，實現過程相當分散，對于單個任務的處理分散到了3個函數中處理，這樣導致的后果是：修改，移植的不便。而實際的應用中，類似的邏輯相當多，如果按照上面的方法去實現，將會導致應用程序的強耦合。

實現

可以發現，上面的情景有以下特點：

任務按順序執行，只有當前任務執行完了(有結論，成功或者失敗)才允許執行下一個任務

前一個任務的執行結果會影響到下一個任務的執行情況

任務有一些特性，如超時時間，延時時間，重試次數

通過以上信息，我們可以抽象出這樣一個模型：任務作為節點， 每一個任務節點有其屬性：如超時，延時，重試，參數，處理方法，執行結果。當需要按照順序執行一系列任務時，依次將任務節點串成一條鏈，啟動鏈運行，則從任務鏈的第一個節點開始運行，運行的結果可以是 OK , BUSY ,ERROR 。若是OK, 表示節點已處理，從任務鏈中刪除，ERROR 表示運行出錯，任務鏈將停止運行，進行錯誤回調，可以有用戶決定是否繼續運行下去。BUSY表示任務鏈處于等待應答，或者等待延時的情況。當整條任務鏈上的節點都執行完，進行成功回調。

node數據結構定義

/*shadownodeapitypeforreq_chainsrc*/
typedefstructshadow_resp_chain_node
{
uint16_ttimeout;
uint16_tduration;
uint8_tinit_retry;
uint8_tparam_type;
uint16_tretry;
/*usedinmpool*/
structshadow_resp_chain_node*mp_prev;
structshadow_resp_chain_node*mp_next;

/*usedresp_chain*/
structshadow_resp_chain_node*next;

node_resp_handle_fphandle;
void*param;
}shadow_resp_chain_node_t;

node內存池

使用內存池的必要性：實際情況下，同一時間，責任鏈的條數，以及單條鏈的節點數比較有限，但種類是相當多的。比如一個支持AT指令的模塊，可能支持幾十條AT指令，但執行一個配置操作，可能就只會使用3-5條指令，若全部靜態定義節點，將會消耗大量內存資源。因此動態分配是必要的。

初始化node內存池，內存池內所有節點都將添加到free_list。當申請節點時，會取出第一個空閑節點，加入到used_list , 并且接入到責任鏈。當責任鏈某一個節點執行完，將會被自動回收（從責任鏈中刪除，并從used_list中刪除，然后添加到free_list）

職責鏈數據結構定義

typedefstructresp_chain
{
boolenable;//enble==true責任鏈啟動
boolis_ans;//收到應答，與void*param共同組成應答信號

uint8_tstate;
constchar*name;
void*param;
TimerEvent_ttimer;
booltimer_is_running;
shadow_resp_chain_node_tnode;//節點鏈
void(*resp_done)(void*result);//執行結果回調
}resp_chain_t;

職責鏈初始化

voidresp_chain_init(resp_chain_t*chain,constchar*name,
void(*callback)(void*result))
{
RESP_ASSERT(chain);
/*onlyinitonetime*/
resp_chain_mpool_init();

chain->enable=false;
chain->is_ans=false;
chain->resp_done=callback;
chain->name=name;

chain->state=RESP_STATUS_IDLE;
chain->node.next=NULL;
chain->param=NULL;

TimerInit(&chain->timer,NULL);
}

職責鏈添加節點

intresp_chain_node_add(resp_chain_t*chain,
node_resp_handle_fphandle,void*param)
{
RESP_ASSERT(chain);
BoardDisableIrq();
shadow_resp_chain_node_t*node=chain_node_malloc();
if(node==NULL)
{
BoardEnableIrq();
RESP_LOG("nodemallocerror,nofreenode");
return-2;
}
/*初始化節點，并加入責任鏈*/
shadow_resp_chain_node_t*l=&chain->node;
while(l->next!=NULL)
{
l=l->next;
}
l->next=node;
node->next=NULL;
node->handle=handle;
node->param=param;
node->timeout=RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_TIMEOUT;
node->duration=RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_DURATION;
node->init_retry=RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_RETRY;
node->retry=(node->init_retry==0)?0:(node->init_retry-1);
BoardEnableIrq();
return0;
}

職責鏈的啟動

voidresp_chain_start(resp_chain_t*chain)
{
RESP_ASSERT(chain);
chain->enable=true;
}

職責鏈的應答

voidresp_chain_set_ans(resp_chain_t*chain,void*param)
{
RESP_ASSERT(chain);
if(chain->enable)
{
chain->is_ans=true;
if(param!=NULL)
chain->param=param;
else
{
chain->param="NOPARAM";
}
}
}

職責鏈的運行

intresp_chain_run(resp_chain_t*chain)
{
RESP_ASSERT(chain);
if(chain->enable)
{
shadow_resp_chain_node_t*cur_node=chain->node.next;
/*maybeansoccurinhandle,socannotchangestatedirectwhenanscomming*/
if(chain->is_ans)
{
chain->is_ans=false;
chain->state=RESP_STATUS_ANS;
}

switch(chain->state)
{
caseRESP_STATUS_IDLE:
{
if(cur_node)
{
uint16_tretry=cur_node->init_retry;
if(cur_node->handle)
{
cur_node->param_type=RESP_PARAM_INPUT;
chain->state=cur_node->handle((resp_chain_node_t*)cur_node,cur_node->param);
}
else
{
RESP_LOG("nodehandleisnull,gotonextnode");
chain->state=RESP_STATUS_OK;
}
if(retry!=cur_node->init_retry)
{
cur_node->retry=cur_node->init_retry>0?(cur_node->init_retry-1):0;
}
}
else
{
if(chain->resp_done)
{
chain->resp_done((void*)RESP_RESULT_OK);
}
chain->enable=0;
chain->state=RESP_STATUS_IDLE;
TimerStop(&chain->timer);
chain->timer_is_running=false;
}
break;
}
caseRESP_STATUS_DELAY:
{
if(chain->timer_is_running==false)
{
chain->timer_is_running=true;
TimerSetValueStart(&chain->timer,cur_node->duration);
}
if(TimerGetFlag(&chain->timer)==true)
{
chain->state=RESP_STATUS_OK;
chain->timer_is_running=false;
}
break;
}
caseRESP_STATUS_BUSY:
{
/*waitingforansortimeout*/
if(chain->timer_is_running==false)
{
chain->timer_is_running=true;
TimerSetValueStart(&chain->timer,cur_node->timeout);
}
if(TimerGetFlag(&chain->timer)==true)
{
chain->state=RESP_STATUS_TIMEOUT;
chain->timer_is_running=false;
}
break;
}
caseRESP_STATUS_ANS:
{
/*alreadygottheans,puttheparambacktotherequesthandle*/
TimerStop(&chain->timer);
chain->timer_is_running=false;
if(cur_node->handle)
{
cur_node->param_type=RESP_PARAM_ANS;
chain->state=cur_node->handle((resp_chain_node_t*)cur_node,chain->param);
}
else
{
RESP_LOG("nodehandleisnull,gotonextnode");
chain->state=RESP_STATUS_OK;
}
break;
}
caseRESP_STATUS_TIMEOUT:
{
if(cur_node->retry)
{
cur_node->retry--;
/*retrytorequestuntilcntis0*/
chain->state=RESP_STATUS_IDLE;
}
else
{
chain->state=RESP_STATUS_ERROR;
}
break;
}
caseRESP_STATUS_ERROR:
{
if(chain->resp_done)
{
chain->resp_done((void*)RESP_RESULT_ERROR);
}
chain->enable=0;
chain->state=RESP_STATUS_IDLE;
TimerStop(&chain->timer);
chain->timer_is_running=false;
cur_node->retry=cur_node->init_retry>0?(cur_node->init_retry-1):0;
chain_node_free_all(chain);
break;
}
caseRESP_STATUS_OK:
{
/*getthenextnode*/
cur_node->retry=cur_node->init_retry>0?(cur_node->init_retry-1):0;
chain_node_free(cur_node);
chain->node.next=chain->node.next->next;
chain->state=RESP_STATUS_IDLE;
break;
}
default:
break;
}
}
returnchain->enable;
}

測試用例

定義并初始化責任鏈

voidchain_test_init(void)
{
resp_chain_init(&test_req_chain,"testrequest",test_req_callback);
}

定義運行函數，在主循環中調用

voidchain_test_run(void)
{
resp_chain_run(&test_req_chain);
}

測試節點添加并啟動觸發函數

voidchain_test_tigger(void)
{
resp_chain_node_add(&test_req_chain,node1_req,NULL);
resp_chain_node_add(&test_req_chain,node2_req,NULL);
resp_chain_node_add(&test_req_chain,node3_req,NULL);
resp_chain_start(&test_req_chain);
}

分別實現節點請求函數

/*延時1s后執行下一個節點*/
intnode1_req(resp_chain_node_t*cfg,void*param)
{
cfg->duration=1000;
RESP_LOG("node1senddirectrequest:delay:%dms",cfg->duration);
returnRESP_STATUS_DELAY;
}
/*超時時間1S，重傳次數5次*/
intnode2_req(resp_chain_node_t*cfg,void*param)
{
staticuint8_tcnt;
if(param==NULL)
{
cfg->init_retry=5;
cfg->timeout=1000;
RESP_LOG("node2sendrequestmaxretry:%d,waitingforans...");
returnRESP_STATUS_BUSY;
}
RESP_LOG("node2getans:%d",(int)param);
returnRESP_STATUS_OK;
}
/*非異步請求*/
intnode3_req(resp_chain_node_t*cfg,void*param)
{
RESP_LOG("node4senddirectrequest");
returnRESP_STATUS_OK;
}

voidans_callback(void*param)
{
resp_chain_set_ans(&test_req_chain,param);
}

結論

實現了裸機處理 順序延時任務

較大程度的簡化了應用程的實現，用戶只需要實現響應的處理函數 ， 調用接口添加，即可按時間要求執行

參數為空，表明為請求 ，否則為應答。（在某些場合，請求可能也帶參數，如接下來所說的LAP協議，此時需要通過判斷參數的類型）

審核編輯：劉清