詳解嵌入式編程上下文切換及完美解耦的一種方法

時(shí)間：2024-08-06 21:05:57

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[導(dǎo)讀]使用獨(dú)立的Driver線程并不是邏輯解耦的唯一實(shí)現(xiàn)方法?，F(xiàn)代處理器一般都會(huì)提供一類特殊的SVC中斷，作為System Service的入口。通過(guò)指定的SVC請(qǐng)求號(hào)，即可在SVC中斷上下文中調(diào)用指定的驅(qū)動(dòng)程序。

我個(gè)人理解，嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)中，應(yīng)用(App)和驅(qū)動(dòng)程序(Driver)的解耦可以分為三個(gè)層次：

1. 構(gòu)建解耦：提高代碼可讀性

合理設(shè)計(jì)頭文件和函數(shù)接口，將驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用層的代碼(*.c)分離編譯。代碼中的調(diào)用關(guān)系保持不變。

將App和Driver在文件的層面上分離，有助于提高代碼可讀性。但是經(jīng)過(guò)編譯-鏈接環(huán)節(jié)后，顯式的調(diào)用關(guān)系會(huì)讓App和Driver在二進(jìn)制層面是混合在一起的。

2. 二進(jìn)制解耦：接口抽象(隱藏不必要信息，提高可移植性)

通過(guò)函數(shù)指針和注冊(cè)機(jī)制，將驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用層在二進(jìn)制層面上分離。應(yīng)用層通過(guò)函數(shù)指針，以查找并跳轉(zhuǎn)的方式執(zhí)行驅(qū)動(dòng)程序。

注冊(cè)機(jī)制實(shí)質(zhì)上就是查找表(Look Up Table)。App和Driver可以單獨(dú)被鏈接到不同的地址，但是通過(guò)指定的函數(shù)指針查找并跳轉(zhuǎn)，二者依然可以建立調(diào)用關(guān)系。

但是由于App和Driver間的調(diào)用關(guān)系從未真正解除，二者的代碼會(huì)運(yùn)行在同一個(gè)程序上下文中。我們很難高效地在同一個(gè)程序上下文中，分離App和Driver的代碼，有針對(duì)性地部署安全策略。在App/Driver的API中插樁雖然可以實(shí)現(xiàn)權(quán)限控制的需求，但無(wú)論是開發(fā)效率，還是執(zhí)行效率，都非常低下。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模逐漸膨脹、邏輯逐漸復(fù)雜的時(shí)候，這種實(shí)現(xiàn)方式對(duì)效率的影響是災(zāi)難性的。

3. 邏輯解耦：程序安全(分離執(zhí)行上下文，提高安全性)

應(yīng)用層和驅(qū)動(dòng)層僅通過(guò)結(jié)構(gòu)化信息，傳遞驅(qū)動(dòng)請(qǐng)求和響應(yīng)。由于二者間不存在顯式/隱式的調(diào)用關(guān)系，所以驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層可以運(yùn)行在不同的地址空間，使得可以適應(yīng)相對(duì)復(fù)雜安全設(shè)計(jì)。

舉個(gè)例子，App線程和Driver線程，以某種IPC方法傳遞一類自描述結(jié)構(gòu)體。在這類自描述結(jié)構(gòu)體中，應(yīng)當(dāng)能夠描述App線程需要的一系列驅(qū)動(dòng)動(dòng)作請(qǐng)求。當(dāng)Driver線程拿到自描述結(jié)構(gòu)體時(shí)，就會(huì)根據(jù)其中所描述的動(dòng)作，調(diào)用指定的驅(qū)動(dòng)代碼完成指定的動(dòng)作，并將結(jié)果以類似的方式傳回App線程。這種設(shè)計(jì)使得App和Driver間不存在任何調(diào)用關(guān)系，并且由于App和Driver運(yùn)行在不同的程序上下文，易于實(shí)現(xiàn)更有效的安全機(jī)制。我們可以使用MMU或者M(jìn)PU這類硬件，非常輕松地劃定App和Driver代碼的運(yùn)行權(quán)限。通過(guò)在Driver線程中實(shí)現(xiàn)更完備的安全檢查，程序可以更有效地?cái)r截并處理空指針、非法數(shù)據(jù)格式這類異常，提高系統(tǒng)健壯性。

當(dāng)然，使用獨(dú)立的Driver線程并不是邏輯解耦的唯一實(shí)現(xiàn)方法?，F(xiàn)代處理器一般都會(huì)提供一類特殊的SVC中斷，作為System Service的入口。通過(guò)指定的SVC請(qǐng)求號(hào)，即可在SVC中斷上下文中調(diào)用指定的驅(qū)動(dòng)程序。

但這種設(shè)計(jì)方法也不是沒(méi)有代價(jià)的。由于消除了調(diào)用關(guān)系，這種方法中的驅(qū)動(dòng)請(qǐng)求和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行是異步關(guān)系。對(duì)于高頻執(zhí)行，或者高實(shí)時(shí)性要求的驅(qū)動(dòng)需求來(lái)說(shuō)，異步機(jī)制引入的不確定性是需要謹(jǐn)慎斟酌的。

需要說(shuō)明的是，上述三類解耦的設(shè)計(jì)方法是逐漸遞進(jìn)，而不是并列或者互斥的關(guān)系。

在構(gòu)建解耦的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制解耦有助于提高程序的抽象程度，從而提高程序的可移植性。

而在構(gòu)建解耦、二進(jìn)制解耦的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)**邏輯解耦**則有利于進(jìn)一步地提高程序的健壯性。

我們通常認(rèn)為，在中斷中，不能執(zhí)行耗時(shí)的操作，否則會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其對(duì)于嵌入式編程。對(duì)于帶操作系統(tǒng)的程序而言，可以通過(guò)操作系統(tǒng)的調(diào)度，將中斷處理分成兩個(gè)部分，耗時(shí)的操作可以放到線程中去執(zhí)行，但是對(duì)于沒(méi)有操作系統(tǒng)的情況，又應(yīng)該如何處理呢

比較常見(jiàn)的，我們可能會(huì)定義一些全局變量，作為flag，然后在mainloop中不停的判斷這些flag，再在中斷中修改這些flag，最后在mainloop中執(zhí)行具體的邏輯，但是這樣，無(wú)疑會(huì)增加耦合，增加程序維護(hù)成本。

cpost

cpost正是應(yīng)用在這種情況下的一個(gè)簡(jiǎn)單但又十分方便的工具，它可以特別方便的進(jìn)行上下文的切換，減少模塊耦合。

cpost借鑒的Android的handler機(jī)制，通過(guò)在mainloop中跑一個(gè)任務(wù)，然后在其他地方，可以是中斷，也可以是模塊邏輯中，直接拋出需要執(zhí)行的函數(shù)，使其脫離調(diào)用處的上下文，運(yùn)行在mainloop中。cpost還支持延遲處理，可以指定函數(shù)在拋出后多久執(zhí)行

使用

cpost的使用十分簡(jiǎn)單，這里以使用在嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)中為例，主要用作中斷延遲處理的情況

1、配置系統(tǒng)tick

配置cpost.h中的宏CPOST_GET_TICK，配置成獲取系統(tǒng)tick，以stm32 hal為例

# defineCPOST_GET_TICK HAL_GetTick

2、配置處理進(jìn)程在mainloop調(diào)用cpostProcess函數(shù)

intmain( void)

{

...

while( 1)

{

cpostProcess;

}

return0;

}

3、拋出任務(wù)

在中斷等需要進(jìn)行上下文切換的地方調(diào)用cpsot接口，使其在mainloop中運(yùn)行

cpost(intHandler);

原理解析

cpost的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，其代碼量也十分少，總共加起來(lái)就只有幾十行代碼，cpost維護(hù)了一個(gè)而全局的數(shù)組

CpostHandler cposhHandlers[CPOST_MAX_HANDLER_SIZE] = { 0};

其中，數(shù)組的每一個(gè)元素表示包含了需要執(zhí)行的函數(shù)和參數(shù)，當(dāng)調(diào)用cpost接口時(shí)，被post的函數(shù)和參數(shù)會(huì)被保存在這個(gè)數(shù)組中，然后mainloop中運(yùn)行的cpostProcess函數(shù)會(huì)遍歷這個(gè)數(shù)組，當(dāng)滿足條件時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的函數(shù)，從而達(dá)到上下文切換的目的

voidcpostProcess( void)

{

for( size_ti = 0; i < CPOST_MAX_HANDLER_SIZE; i++)

{

if(cposhHandlers[i].handler)

{

if(cposhHandlers[i].time == 0|| CPOST_GET_TICK >= cposhHandlers[i].time)

{

cposhHandlers[i].handler(cposhHandlers[i].param);

cposhHandlers[i].handler = NULL;

}

其實(shí)，cpost的方式，和一開始提到的使用全局的flag進(jìn)行上下文切換的方法很像，只不過(guò)，cpost通過(guò)一個(gè)數(shù)組的維護(hù)和直接post函數(shù)的方式，省去了維護(hù)flag的成本，也不需要將需要執(zhí)行的函數(shù)耦合到mianloop中，從而變得簡(jiǎn)單易用。

完美解耦 - cevent應(yīng)用

對(duì)于模塊化編程來(lái)說(shuō)，如何實(shí)現(xiàn)各模塊間的解耦一直是一個(gè)比較令人頭疼的問(wèn)題，特別是對(duì)于嵌入式編程，由于控制邏輯復(fù)雜，并且對(duì)程序體積有控制，經(jīng)常容易寫出各獨(dú)立模塊之間相互調(diào)用的問(wèn)題。由此，cpost中的cevent組件，通過(guò)模仿Android系統(tǒng)中的廣播機(jī)制，提供了一種非常簡(jiǎn)單的模塊間解耦實(shí)現(xiàn)。

原理

cevent借鑒的是Android系統(tǒng)的廣播機(jī)制，一方面，各模塊在工作的時(shí)候，都會(huì)有多個(gè)具體的事件點(diǎn)，在高耦合的編程中，可能會(huì)在這些地方調(diào)用其他模塊的功能，比如說(shuō)，在通信模塊接收到指令的時(shí)候，需要閃爍一下指示燈。

使用cevent，我們可以在這些地方拋出一個(gè)事件，當(dāng)前模塊不需要關(guān)心在這各地方需要執(zhí)行哪些其他模塊的邏輯，由其他模塊，或者用戶定義一個(gè)事件監(jiān)聽，當(dāng)具體的事件發(fā)生時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

使用

cevent使用注冊(cè)的方式監(jiān)聽事件，會(huì)依賴于編譯環(huán)境，目前支持keil，iar，和gcc，對(duì)于gcc，需要修改鏈接文件(.ld)，在只讀數(shù)據(jù)區(qū)添加：

_cevent_start = .;

KEEP (*(cEvent))

_cevent_end = .;

1、初始化cevent

系統(tǒng)初始化時(shí)，調(diào)用ceventInit

ceventInit;

2、注冊(cè)cevent事件監(jiān)聽

在c文件中，調(diào)用CEVENT_EXPORT導(dǎo)出事件監(jiān)聽

CEVENT_EXPORT( 0, handler, ( void*)param);

3、發(fā)送cevent事件

在事件發(fā)生的地方，調(diào)用ceventPost拋出事件

ceventPost( 0);

使用cevent解耦模塊初始化

嵌入式編程中，我們習(xí)慣會(huì)在程序啟動(dòng)的時(shí)候，調(diào)用各個(gè)模塊的初始化函數(shù)，其實(shí)這也是一種耦合，會(huì)造成main函數(shù)中出現(xiàn)很長(zhǎng)的初始化代碼，借助cevent，我們可以對(duì)初始化進(jìn)行優(yōu)化解耦。

1、定義初始化事件

定義初始化事件的值，對(duì)于初始化，有些模塊可能會(huì)依賴于其他模塊的初始化，會(huì)有一個(gè)先后順序要求，所以這里我們可以把初始化分成兩個(gè)階段，定義兩個(gè)事件，當(dāng)然，如果有更復(fù)雜的要求，可以再多分幾個(gè)階段，只需要多定義幾個(gè)事件就行

# defineEVENT_INIT_STAGE1 0

# defineEVENT_INIT_STAGE2 1

2、初始化cevent，拋出事件

在main函數(shù)中初始化cevent，并拋出初始化事件

intmain( void)

{

...

ceventInit;

ceventPost(EVENT_INIT_STAGE1);

ceventPost(EVENT_INIT_STAGE2);

...

return0;

}

3、注冊(cè)事件監(jiān)聽

對(duì)所有需要初始化的函數(shù)注冊(cè)事件監(jiān)聽，這里我以對(duì)letter-shell注冊(cè)事件監(jiān)聽為例，分為兩個(gè)部分，初始化串口和初始化shell。

在serial模塊中，將串口初始化注冊(cè)到初始化第一階段，cevent支持將不大于7個(gè)的參數(shù)直接傳遞到注冊(cè)的監(jiān)聽函數(shù)中，下面的注冊(cè)方式，相當(dāng)于在EVENT_INIT_STAGE1事件發(fā)生的地方，也就是main函數(shù)中對(duì)應(yīng)的位置，調(diào)用serialInit(&debugSerial)

CEVENT_EXPORT(EVENT_INIT_STAGE1, serialInit, ( void*)(&debugSerial));

然后再shell模塊中，將shell初始化函數(shù)注冊(cè)到初始化第二階段。

CEVENT_EXPORT(EVENT_INIT_STAGE1, shellInit);

使用cevent解耦mainloop

再無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入式編程中，我們?nèi)绻瑫r(shí)希望運(yùn)行多個(gè)模塊的邏輯，通常是在mainloop中循環(huán)調(diào)用，這種將函數(shù)寫入mainloop的做法，也會(huì)增加耦合

intmain( void)

{

...

while( 1)

{

// 寫在mainloop中的模塊邏輯

shellTask(&shell);