大家好，今天分享一篇嵌入式軟件架構(gòu)設(shè)計相關(guān)的文章。

軟件架構(gòu)這東西，眾說紛紜，各有觀點。在我看來，軟件架構(gòu)是軟件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，包含其組件、組件之間的關(guān)系、組件設(shè)計與演進(jìn)的規(guī)則，以及體現(xiàn)這些規(guī)則的基礎(chǔ)設(shè)施。

軟件架構(gòu)，從來不是一件容易事，它貫穿在產(chǎn)品的整個生命周期，需要所有團(tuán)隊成員遵守并自律，才能將架構(gòu)思想在軟件中體現(xiàn)。新手工程師，由于經(jīng)歷的項目太少，看不到項目全貌，很難從全局理解軟件架構(gòu)。但軟件架構(gòu)真的只是資深工程師的專利嗎？這個也不見得。

古人作文，講究立意為先。今天工程師做項目和產(chǎn)品，也應(yīng)該先立意。這個意，就是指要有高度。工程師入門能從軟件架構(gòu)的高度出發(fā)，看待軟件問題，相信對軟件的理解，會更加深刻一些。因此，我總結(jié)了軟件架構(gòu)的六個步驟，供嵌入式工程師參考。

上次談到了嵌入式軟件架構(gòu)的第一個步驟，抽象層。建立抽象層（HAL或者DAL）的目的，是為了隔離硬件，讓代碼與硬件無關(guān)。即使整個項目的代碼，由某工程師一個人完成，抽象層仍是是有必要的。

但這次我們要聊的是，統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，這是針對多人合作一個項目，或者多個項目共享同一個系統(tǒng)架構(gòu)的情況。

如果說，你手頭的項目，沒有與他人合作，也不會有后續(xù)的相關(guān)項目，軟件基礎(chǔ)設(shè)施這一步，可以直接跳過。

基礎(chǔ)設(shè)施，分為硬件基礎(chǔ)設(shè)施和軟件基礎(chǔ)設(shè)施。硬件基礎(chǔ)設(shè)施，包含常用器件庫、封裝庫、原理圖庫和硬件參考設(shè)計等等；而今天我們討論的重點，主要在于軟件基礎(chǔ)設(shè)施。軟件基礎(chǔ)設(shè)施包含以下內(nèi)容：

• ?基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

• ?底層庫。比如C標(biāo)準(zhǔn)庫、加密庫、校驗庫、工具庫等等。

• ?操作系統(tǒng)/調(diào)度機制。包含操作系統(tǒng)以及調(diào)度相關(guān)服務(wù)。

• ?中間件。比如文件系統(tǒng)、協(xié)議棧、數(shù)據(jù)庫等。

• ?框架與機制。比如消息通信機制、事件驅(qū)動機制、狀態(tài)機框架、行為樹框架。

• ?工具支持。

• ?統(tǒng)一的編程工具鏈。

• ?統(tǒng)一的代碼風(fēng)格和編程規(guī)范。

在一些小公司粗放的開發(fā)模式中，并不規(guī)定工程師所依賴的軟件平臺、硬件平臺和工具，而是由工程師自己決定。很多工程師，也喜歡這種自由奔放的開發(fā)模式，認(rèn)為只有在這種環(huán)境中，才能發(fā)揮自身創(chuàng)造力。這種認(rèn)知是有偏差的，這個我們后續(xù)找機會詳細(xì)討論。

隨著小公司研發(fā)能力的提升，對軟件基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行約束和規(guī)定，幾乎是注定的事情。因為軟件區(qū)別于其他技術(shù)的本質(zhì)，是在于其復(fù)用性。

復(fù)用程度越高的軟件，質(zhì)量越高，對開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量的提升，就越大。無論從公司的降本增效還是科學(xué)管理的角度，都有著強大的動機，去統(tǒng)一軟件基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)軟件的基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)一之后，會產(chǎn)生如下優(yōu)點：

• ?軟件質(zhì)量提升，風(fēng)格的高度一致性
• ?軟件復(fù)用性，會提升至一個新的水平
• ?將可復(fù)用的功能，盡量抽象到基礎(chǔ)設(shè)施層，減少軟件冗余，提升開發(fā)效率。
• ?為高層模塊提供約束和紀(jì)律
• ?有利于團(tuán)隊的技術(shù)積累和技術(shù)傳承
• ?有利于團(tuán)隊的技術(shù)培訓(xùn)

• ?是團(tuán)隊進(jìn)行單元測試和測試驅(qū)動開發(fā)，以及跨平臺開發(fā)的前提。

因此，是否統(tǒng)一，根本不是一個有爭議的問題；如何統(tǒng)一，才是今天我們的重點。

一、基礎(chǔ)類型與宏定義

統(tǒng)一的軟件基礎(chǔ)設(shè)施的前提，就是聲明統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型和宏，以克服不同的硬件平臺和編譯器的差異性。

比如下面是我從開源項目EventOS中摘錄出來的代碼，不見得很完整，只能代表在我在項目里需求。

#include

typedefunsignedinteos_u32_t;
typedefsignedinteos_s32_t;
typedefunsignedshorteos_u16_t;
typedefsignedshorteos_s16_t;
typedefunsignedchareos_u8_t;
typedefsignedchareos_s8_t;
typedefbooleos_bool_t;

#defineEOS_NULL((void*)0)

#defineEOS_U32_MAX(0xffffffffU)
#defineEOS_U32_MIN(0U)
#defineEOS_U16_MAX(0xffffU)
#defineEOS_U16_MIN(0U)
#defineEOS_U8_MAX(0xffU)
#defineEOS_U8_MIN(0U)

編譯器相關(guān)的宏定義。使用宏，屏蔽掉編譯器的差異，會

/*CompilerRelatedDefinitions*/
#ifdefined(__ARMCC_VERSION)/*ARMCompiler*/

#defineeos_section(x)__attribute__((section(x)))
#defineeos_used__attribute__((used))
#defineeos_align(n)__attribute__((aligned(n)))
#defineeos_weak__attribute__((weak))
#defineeos_inlinestatic__inline

#elifdefined(__GNUC__)/*GNUGCCCompiler*/

#defineeos_section(x)__attribute__((section(x)))
#defineeos_used__attribute__((used))
#defineeos_align(n)__attribute__((aligned(n)))
#defineeos_weak__attribute__((weak))
#defineeos_inlinestatic__inline

#elifdefined(__IAR_SYSTEMS_ICC__)/*forIARCompiler*/

#defineeos_section(x)@x
#defineeos_used__root
#defineeos_align(n)PRAGMA(data_alignment=n)
#defineeos_weak__weak
#defineeos_inlinestaticinline

#else
#error"Thecurrentcompilerisnotsupported."
#endif

一些常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與硬件和編譯器無關(guān)，是在代碼中頻繁使用，并在多個模塊間共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有必要將其提升至基礎(chǔ)設(shè)施的層面進(jìn)行支持，以避免各個模塊，對同一個數(shù)據(jù)類型，進(jìn)行不同的定義帶來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題。

這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與產(chǎn)品緊密相關(guān)，不同的產(chǎn)品類型之間，各自是不同的。比如下面的定義。

typedefstructeos_date
{
eos_u32_tyear:16;
eos_u32_tmonth:8;
eos_u32_tday:8;
}eos_date_t;

typedefstructeos_time
{
eos_u32_thour:8;
eos_u32_tminute:8;
eos_u32_tsecond:6;
eos_u32_tms:10;
}eos_time_t;

typedefstructeos_imu_data
{
floatacc[3];
floatgyr[3];
floatmag[3];
}eos_imu_data_t;

二、操作系統(tǒng)

有些芯片的資源太小，是不能運行操作系統(tǒng)的。這些芯片，一般而言，也沒有辦法建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那度胧杰浖軜?gòu)，我們會在后續(xù)《小資源芯片的軟件開發(fā)平臺》中，單獨進(jìn)行討論。這里只討論芯片的。

不同的芯片，所能跑的操作系統(tǒng)是不同的。但如果要建立軟件基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)該盡量選取同一個操作系統(tǒng)。

在現(xiàn)存的操作系統(tǒng)中，FreeRTOS和國產(chǎn)RT-Thread對各種不同的硬件架構(gòu)的芯片，支持比較廣泛，可以作為RTOS的首選。

而當(dāng)產(chǎn)品線異常豐富時，特別是使用了某些小眾芯片，或者使用芯片商提供的操作系統(tǒng)時，就沒有辦法建立統(tǒng)一的軟件基礎(chǔ)設(shè)施。這時，有兩個辦法解決這一問題：

• ?編寫高層模塊時，使用宏定義和條件編譯，選擇對應(yīng)的RTOS API。這種一般用于所使用的操作系統(tǒng)較少的情況，比如說只有兩三種。

staticvoid*task_handler=NULL;

staticvoidtask_func_module_one(void*parameter);

voidmodule_one_init(void)
{
/*Newlycreatingatasktorunthemodule.*/
#if(EOS_RTOS_NAME==EOS_RTOS_NAME_FREERTOS)
xTaskCreate(task_func_module_one,
"TaskModule",2048,NULL,2,
(TaskHandle_t*)&task_handler);
#elif(EOS_RTOS_NAME==EOS_RTOS_NAME_RTTHREAD)
task_handler=rt_thread_create("led1",task_func_module_one,NULL,
2048,2,20);
#else
eos_assert(false);
#endif

eos_assert(task_handler!=NULL);
}

/*Thetaskfunctionofthemoduleone.*/
staticvoidtask_func_module_one(void*parameter)
{
(void)parameter;

/*Initialization.*/

while(1)
{
/*Addthetaskfunction.*/
}
}

• ?建立操作系統(tǒng)抽象層（OSAL，Operating System Abstraction Layer），以屏蔽操作系統(tǒng)的差異，使高層模塊依賴于OSAL。這種情況適合于資源豐富的情況。

• 著名的POSIX標(biāo)準(zhǔn)，就是為了建立OSAL的，F(xiàn)reeRTOS和RT-Thread都在不同程度上對POSIX標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了支持；在 v嵌入式領(lǐng)域，CMSIS_OS也是為了建立操作系統(tǒng)的統(tǒng)一接口；但無論是POSIX和CMSIS_OS，被各RTOS支持的力度是不同，因此如果我們產(chǎn)品中需要建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那度胧杰浖軜?gòu)，還是要建立屬于自己的OSAL，以便屏蔽掉操作系統(tǒng)的不同帶來的差異。

三、中間件

中間件有很多類型，文件系統(tǒng)、各種協(xié)議棧、數(shù)據(jù)庫、日志模塊、Shell模塊，都屬于中間件的范疇。但在大部分情況下，這些也都屬于軟件基礎(chǔ)設(shè)施的范疇。

因為我們一旦選擇某個中間件，一般來說，是沒有必要更換的，正是由于這種穩(wěn)定性，中間件也可以納入軟件基礎(chǔ)設(shè)施的范疇。以下是我經(jīng)常使用的開源中間件：

• ?FatFS

• ?LwIP

• ?FlashDB

• ?uC/Modbus

• ?CAN Festival

• ?letter-shell

開源中間件，只占據(jù)了一小部分。實際產(chǎn)品中，中間件的大部分，都是產(chǎn)品或者項目私有的代碼。我日常所使用的主要有：日志模塊數(shù)據(jù)采集模塊通訊傳輸層協(xié)議通訊應(yīng)用層協(xié)議文件傳輸協(xié)議OTA功能 * 時間同步

中間件，占據(jù)了軟件基礎(chǔ)設(shè)施的大部分內(nèi)容。在產(chǎn)品開發(fā)中，之所以軟件復(fù)用性能夠做到越來越高，中間件的積累，是一個很重要的原因。

四、框架與機制

在不同的產(chǎn)品上，開發(fā)嵌入式軟件，除了RTOS之外，很多產(chǎn)品還需要一些框架的支持。常見的框架包括：外設(shè)與驅(qū)動框架設(shè)備框架消息框架狀態(tài)機框架行為樹框架事件驅(qū)動框架

這些框架的使用，與產(chǎn)品的特性相關(guān)，由產(chǎn)品和需求所決定。比如家庭服務(wù)機器人中，需要應(yīng)用狀態(tài)機框架和行為樹框架，來應(yīng)對復(fù)雜的應(yīng)用層邏輯。而某些應(yīng)用層邏輯比較簡單的產(chǎn)品，就不需要使用狀態(tài)機和行為樹。

軟件基礎(chǔ)設(shè)施與硬件的關(guān)系

嵌入式軟件有一個區(qū)別于其他軟件領(lǐng)域的重要特性，那就是直接依賴于硬件。軟件基礎(chǔ)設(shè)施，有很多也是需要硬件去體現(xiàn)和承載。比如文件系統(tǒng)，在規(guī)定某個源代碼比如FatFS作為其文件系統(tǒng)解決方案的同時，所伴隨的硬件驅(qū)動程序和硬件推薦設(shè)計，也往往被固化，以便在下一個項目中進(jìn)行復(fù)用，并節(jié)約時間。

對于一些重要的且復(fù)雜的軟件基礎(chǔ)設(shè)施，如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等，由于調(diào)試和測試都比較耗時，一般推薦固化硬件設(shè)計的方式。硬件工程師，應(yīng)優(yōu)先對這些重要且復(fù)雜的軟件基礎(chǔ)設(shè)置，分配硬件資源，而硬件的其他工程，比如IO、ADC等，再行分配。

結(jié)論

嵌入式軟件基礎(chǔ)設(shè)施，非常重要，根據(jù)項目與產(chǎn)品的不同，它所包含的內(nèi)容也不盡相同。一般在項目啟動時，就會初步選定一些軟件基礎(chǔ)設(shè)施的內(nèi)容，比如RTOS、協(xié)議棧、文件系統(tǒng)等等。

需要指出的是，軟件基礎(chǔ)設(shè)施，也不是不變的，而是隨著產(chǎn)品開發(fā)發(fā)展，不斷會有新的組件和元素，加入到軟件基礎(chǔ)設(shè)施中去，也有可能會剝離掉舊的組件，就像生物的新陳代謝。

軟件基礎(chǔ)設(shè)施的新陳代謝，要溫和，要相對穩(wěn)定，添加和刪除，都要執(zhí)行謹(jǐn)慎原則。