探討嵌入式系統的軟硬件框架

? 大家好，今天分享一篇嵌入式軟件架構設計相關的文章。

軟件架構這東西，眾說紛紜，各有觀點。什么是軟件架構，我們能在網上找到無數種定義。

比如，我們可以這樣定義：軟件架構是軟件系統的基本結構，體現在其組件、組件之間的關系、組件設計與演進的規則，以及體現這些規則的基礎設施。怎么定義一般來說，基本上不重要，我們不是在寫學術書籍，工程人員嘛，只關心軟件架構能解決什么問題。

軟件架構不是制定出來的，而是產品和業務需求所決定的，架構師所做的，只是忠于需求，并合理的表達了需求。軟件架構也從來都不是一成不變的。在產品或者產品線的整個生命周期中，隨著業務和需求的變化，軟件架構不斷發展和變化，以適應新的需要。

軟件架構，也不是一個簡單的項目問題，而是產品或產品線的技術戰略問題。一個良好設計并推廣的軟件架構，能帶來如下好處。

??最大限度地減少不必要的返工

??使嵌入式軟件在宏觀層面建立規劃

??增強復用性，降低開發成本

??便于團隊內部的技術培訓

??使技術積累更加容易

我經常看到的一個常見問題是，新手工程師，由于經歷與知識不足，往往看不到項目全貌，很難深刻理解軟件架構，他們往往要經過多年的專業訓練，才能逐漸建立架構意識。

但軟件架構真的只是資深工程師和架構師的專利嗎？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品，也應該先立意。這個意，就是指要有高度。工程師入門能從軟件架構的高度出發，看待軟件問題，相信對軟件的理解，會更加深刻一些。因此，我總結了軟件架構的六個步驟，供嵌入式工程師參考。

1.?隔離硬件相關代碼，建立抽象層

2.?建立統一的軟件基礎設施

3.?妥善識別和處理產品數據

4.?功能分層與分解

5.?組件及其接口設計

6.?測試、調試與跨平臺開發的支持

需要注意的是，看完這六個步驟，并不足以保證嵌入式工程師學會軟件架構。嵌入式軟件架構師，是不可培養的。但至少，嵌入式工程師們，可以了解到什么是正確的努力方向，很多時候，選擇比努力更加重要。

因此，在未來的幾篇文章中，我們會一起探討一下設計嵌入式軟件架構，可以采取的六個步驟。

嵌入式軟件架構之一抽象層與硬件隔離

許多新手乃至老手嵌入式工程師，在未了解軟件架構之前，把應用層功能和硬件相關的代碼，不由自主的攪和在一起寫。這種做法非常普遍。比如下面的代碼：

void?modbus_rtu_write_reply(uint8_t?add,?uint8_t?func_code,?uint16_t?reg,?uint16_t?data)
{
????rs485.buff_tx[0]?=?add;
????rs485.buff_tx[1]?=?func_code;
????rs485.buff_tx[2]?=?(uint8_t)(reg?>>?8);
????rs485.buff_tx[3]?=?(uint8_t)(reg);
????rs485.buff_tx[4]?=?(uint8_t)(data?>>?8);
????rs485.buff_tx[5]?=?(uint8_t)(data);

????uint16_t?crc16?=?mb_crc16(rs485.buff_tx,?6);

????rs485.buff_tx[6]?=?(uint8_t)(crc16);
????rs485.buff_tx[7]?=?(uint8_t)(crc16?>>?8);

????rs485.tx_total?=?8;
????rs485.tx_num?=?0;

????/*?Send?data?from?the?uart?port.?The?hardware?related?program.?*/
????LL_USART_ClearFlag_TC(USART1);
????LL_USART_EnableIT_TC(USART1);
????USART1->DR?=?rs485.buff_tx[rs485.tx_num?++];
}

上面的這一段代碼，不是一個好例子。從函數LL_USART_ClearFlag_TC開始的一句，也就意味著，這個Modbus的代碼，和MCU提供出的固件庫耦合在一起寫了。

著名的SOLID原則中，有個依賴倒置原則，高層模塊不應該依賴于底層模塊，它們應該共同依賴于抽象。此處的代碼，顯然違反了這一原則。Modbus作為高層模塊，此處對MCU固件庫的API進行了依賴。

對于這種將硬件相關的代碼與功能耦合在一起的軟件架構，在本文中，我們姑且稱之為“耦合架構”；而我們要追求的，是將隔離硬件相關的軟件架構，我們稱之為“隔離架構”。接下來，我們將詳細對比，耦合架構和隔離架構各自的特征。

耦合架構的問題

雖然從原則上來說，耦合架構是不對的，但我個人對這種軟件寫法，還是能理解的。為什么？萬事皆有因，存在即合理。一般而言，大部分嵌入式軟件工程師，都出自硬件相關的專業（比如電子、自動化等），來自于軟件工程和計算機專業的嵌入式工程師不多（他們都去互聯網行業了），因此從他們的知識結構和習慣思維出發，一般從硬件視角看待嵌入式系統，而不是站在軟件抽象的視角。

我個人也是電子工程專業畢業的，對此有感受。但理解歸理解，道理歸道理，既然已經從事嵌入式軟件，哪怕是硬件專業出身的，我也建議他一定拋棄既有思維，學會抽象這一強大的軟件思維工具，否則他的職業天花板將非常低。

耦合架構帶來的問題，也是顯而易見的，那就是，實實在在的難以移植。因為一旦硬件發生變化，比如MCU停產，芯片短缺等等（在當前形勢下太過常見），嵌入式軟件就要大把修改。如果軟件規模較大，嘗試移植耦合架構的代碼到在新MCU上，是一項艱巨的工作，沒人愿意干這事。因此產品開發完成，更新架構并推倒重來，幾乎是不可能。

別說工程師不愿意，你問問老板答應嗎？于是工程師們只能檢查所有代碼，把與硬件交互的每一行代碼改掉，遇到硬件交互方式大不相同的，就更糟心，還要大篇幅的改，邊改邊罵娘。比如上面的代碼，如果換一片芯片，可能要改為以下代碼。

void?modbus_rtu_write_reply(uint8_t?add,?uint8_t?func_code,?uint16_t?reg,?uint16_t?data)

{
????rs485.buff_tx[0]?=?add;
????rs485.buff_tx[1]?=?func_code;
????rs485.buff_tx[2]?=?(uint8_t)(reg?>>?8);
????rs485.buff_tx[3]?=?(uint8_t)(reg);
????rs485.buff_tx[4]?=?(uint8_t)(data?>>?8);
????rs485.buff_tx[5]?=?(uint8_t)(data);

????uint16_t?crc16?=?mb_crc16(rs485.buff_tx,?6);

????rs485.buff_tx[6]?=?(uint8_t)(crc16);
????rs485.buff_tx[7]?=?(uint8_t)(crc16?>>?8);

????rs485.tx_total?=?8;
????rs485.tx_num?=?0;

????/*?Send?data?from?the?uart?port.?The?hardware?related?program.?*/
????MCU_NEW_USART_ClearFlag_TC(NEW_USART1);
????MCU_NEW_USART_EnableIT_TC(NEW_USART1);
????NEW_USART1->DR?=?rs485.buff_tx[rs485.tx_num?++];
}

其次，耦合架構會導致，在開發環境中（如Windows或者Linux，非目標硬件），很難對應用程序進行單元測試。脫離目標硬件，跨平臺開發嵌入式程序，是提升開發效率的重要措施。

對耦合架構來說，應用程序代碼直接調用硬件，如果要進行完整的測試工作，就要花費大量工作，因為測試程序也要去操作硬件，才能驗證正確與錯誤。或者，需要工程師在硬件上完成手動測試（實際上現在大家就這么干的，哈哈）。

手動測試很繁瑣，往往讓人煩躁，工程師的主觀感受，會影響測試質量。很多時候，為了趕進度，或者規避繁瑣的測試工作，軟件并沒有經過很好的測試，整體系統質量受到影響。另外，手動測試，交付軟件可能需要更長的時間。而自動測試，往往只需要一瞬間，清楚明了。

第三，耦合架構將存在不易擴展的問題。耦合架構，往往是共享數據的，也就是所謂的全局變量滿天飛。隨著軟件系統的擴大，每個新功能的添加，變得更加困難，而且是越來越困難，出現BUG的機會急劇增加。屎山就是這么煉成的。

但需要說明的是，數據問題，不是說隔離了硬件，就能完全解決掉。數據問題，是嵌入式軟件乃至任何軟件的核心問題，它需要在架構六部曲之二和之三中，通過軟件基礎設施的合理構建，和數據機制的合理制定，共同得到解決。

隔離架構如何解決問題？

到這里，我們架構的第一步，呼之欲出，那就是：將軟件架構分離為硬件相關和硬件無關兩個部分。這就要引入抽象層這個概念。何為抽象層？抽象層有很多種，比如硬件抽象層（HAL）、設備抽象層（DAL），操作系統抽象層（OSAL），網絡抽象層，文件系統抽象層，Flash抽象層（RT-Thread里就有這個）等等。

對誰進行抽象，就會建立這個東西的抽象層，無一定之規。本文中的抽象層，特指硬件抽象層，或者設備抽象層，或者二者兼備。具體是誰，取決于產品特性，可參考后續文章《嵌入式軟件中的抽象層》。

在硬件相關代碼和硬件獨立代碼之間創建抽象層，這是軟件移植的要求，實際上也是依賴倒置原則需求。在這里，我們有必要對依賴倒置原則進行強調：高層模塊不應該依賴于底層模塊，它們應該共同依賴于抽象。也就是說，應用層代碼（硬件無關），不應該依賴于硬件相關的代碼（驅動代碼），他們應該依賴于抽象層代碼。

抽象層的創建，將允許將應用代碼從一個微控制器移動到下一個微控制器，或者一套硬件遷移到另一套硬件，應用層代碼不必更換。抽象層打破了硬件依賴關系；換句話說，應用程序根本不必知道，也不必關心，當前運行的是什么硬件，應用程序只需要關心抽象層的API是什么樣的。

新的硬件驅動程序要做的，僅僅是滿足接口的要求而已。這意味著如果我們更改硬件，則只會更改硬件相關的模塊，而不是整個代碼庫。

void?modbus_rtu_write_reply(uint8_t?add,?uint8_t?func_code,?uint16_t?reg,?uint16_t?data)

{
????rs485.buff_tx[0]?=?add;
????rs485.buff_tx[1]?=?func_code;
????rs485.buff_tx[2]?=?(uint8_t)(reg?>>?8);
????rs485.buff_tx[3]?=?(uint8_t)(reg);
????rs485.buff_tx[4]?=?(uint8_t)(data?>>?8);
????rs485.buff_tx[5]?=?(uint8_t)(data);

????uint16_t?crc16?=?mb_crc16(rs485.buff_tx,?6);

????rs485.buff_tx[6]?=?(uint8_t)(crc16);
????rs485.buff_tx[7]?=?(uint8_t)(crc16?>>?8);

????rs485.tx_total?=?8;
????rs485.tx_num?=?0;

????/*?Send?data?from?the?uart?port.?The?hardware?related?program.?*/
????hal_uart_send(HAL_UART_ID_1,?rs485.buff_tx,?rs485.tx_total);
}

void?hal_uart_send

硬件相關的代碼，應該改為如下的樣子。這尚且算不上真正的抽象層，只是抽象層最簡陋的替代實現方法，實際工程應用中，抽象層還有很多細節需要闡述。限于篇幅，在本文中，我們不進行探討，請關注后續的《抽象層》系列文章。

void?hal_uart_send(uint8_t?uart_id,?void?*buffer,?uint32_t?size)

{
????/*?Start?the?uart?sending?process,?the?remaning?data?will?be?send?in?UART?ISR?
???????function.?*/
????MCU_NEW_USART_ClearFlag_TC(NEW_USART1);
????MCU_NEW_USART_EnableIT_TC(NEW_USART1);
????NEW_USART1->DR?=?rs485.buff_tx[rs485.tx_num?++];
}

抽象層還可以解決單元測試的許多問題。有了抽象層，我們可以在Windows或者Linux上創建硬件的替身程序（mock），也可以稱為假硬件。我們可以在假硬件上給出輸入數據，并通過檢查假硬件給出的輸出數據會否符合預期，來對軟件進行單元測試。在沒有硬件的情況，也可以對應用層程序進行開發。很多嵌入式程序員覺得不可能，但這時很多大公司開發軟件的方式。

抽象層的建立，還有一個好處。軟件不必等著硬件就緒才開始開發，而在硬件可用之前，就開始專注于開發和交付應用程序。

這樣做的好處是，可以在項目早期就對客戶提供試用服務，并根據客戶反饋進行功能調整。如今，太多的團隊專注于首先準備好硬件，而核心應用程序是事后才想到的。這樣并不利于對嵌入式軟件進行良好的設計和實現。

那么如何建立抽象層呢？抽象層的建立，涉及到幾個關鍵的因素：抽象的程度、抽象的手段以及抽象的對象。這些問題，非常復雜，非三言兩語就能說清。

結論

嵌入式軟件與其他軟件領域都不一樣，因為沒有一個軟件領域，和嵌入式軟件一樣，會和硬件進行直接交互（請注意此處直接二字）。

為了應對可能出現的硬件變化（無論是MCU，PCBA，還是連接PCBA的設備），嵌入式軟件架構師應該將硬件相關的代碼獨立出去，并壓縮在一個最小的范圍內。否則，一旦使用耦合架構，不對硬件相關代碼進行剝離，屎山式的代碼，幾乎是注定的結局。

一個成功的軟件架構，從來不是一蹴而就，通常是通過迭代和演進創建的。這需要技術負責人，或者架構師，主動去推動軟件架構的迭代，不斷推動軟件的優化重構。這就有點像明星的好身材，從來不是天生，都是后天自律的結果。

但在嵌入式領域，無論搞什么產品，搞什么復雜的軟件架構，剝離硬件相關，是第一步，也是最為關鍵的一步。連硬件相關代碼都剝不干凈，軟件架構就猶如浮沙筑高臺，無從談起。

合抱之木，生于毫末，有志于提升技術水平的工程師們，先從隔離硬件開始吧。我在此先預祝成功！

編輯：黃飛

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