嵌入式架構(gòu)有多重要？
要做到嵌入式應(yīng)用的代碼邏輯清晰，
且避免重復(fù)的造輪子，
沒有好的應(yīng)用架構(gòu)怎么行?
如果沒有好的架構(gòu)，
移植將會是一件很痛苦的事情。
如果沒有好的架構(gòu)，
復(fù)用是最大的難題，
沒法更大限度的復(fù)用原有的代碼。
如果沒有好的架構(gòu)，
一旦驅(qū)動改了，
所有的地方都要改，
費時費力且很容易出錯。
如果沒有好的架構(gòu)，
應(yīng)用層中穿插著硬件驅(qū)動層的代碼，
看著會是一片混亂，
邏輯不清，
代碼維護(hù)起來會很困難。
01
嵌入式系統(tǒng)的基本架構(gòu)
硬件架構(gòu)
軟件架構(gòu)
大多數(shù)人參與的是 嵌入式軟件設(shè)計 ，更多的是接觸的是上層軟件系統(tǒng)部分，可以分為兩大類型嵌入式軟件應(yīng)用工程師以及嵌入式驅(qū)動工程師。
前者主要負(fù)責(zé) linux APP 設(shè)計，負(fù)責(zé)應(yīng)用層業(yè)務(wù)開發(fā)，主要具備如下幾個專業(yè)技能：
2.熟悉多線程管理、進(jìn)程間通信、文件IO操作
3.了解基本的shell編程
4.熟悉數(shù)據(jù)庫操作
5.了解QT或者Android
后者負(fù)責(zé)驅(qū)動開發(fā)，更加涉及底層。
2.熟悉Linux驅(qū)動模型
3.熟悉ARM架構(gòu)
4.熟悉基本的電路原理
02
嵌入式程序設(shè)計思路
如果功能模塊變動了，只需升級功能功能模塊，其他的模塊不受影響，應(yīng)用層也不受影響。
休息一下，推薦一篇文章《怎樣混好嵌入式/MCU/ARM/DSP這一行？》
03
一個引以為戒的實例
一、錯誤的示范
版本一的架構(gòu)設(shè)計
2.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)分為兩層：硬件驅(qū)動層、應(yīng)用層。
2.1.1硬件驅(qū)動層
硬件驅(qū)動層包含板載硬件資源正常運行所需的所有驅(qū)動程序。
1)MCU初始化
2)I2C數(shù)據(jù)存取
3)SPI數(shù)據(jù)讀取
4)加速度計初始化
5)藍(lán)牙模塊啟動
6)BC95模塊啟動
7)485通訊模塊啟動
2.2.2應(yīng)用層
1)Mcu運行模式切換
2)震動及傾斜
3)數(shù)據(jù)解析
4)開/關(guān)鎖
5)數(shù)據(jù)發(fā)送
6)歷史數(shù)據(jù)保存
版本二的架構(gòu)設(shè)計
1.對架構(gòu)的理解還不是很清晰，既然是做架構(gòu)設(shè)計，那就應(yīng)該從整體來看，而不是僅僅只是局限于一個模塊，或者功能里面。
2.還是每個層次的理解也還不是很清晰，比如講MCU的初始化，歸于硬件驅(qū)動層里面。MCU的初始化，嚴(yán)格意義上來說，是屬于流程的一部分了，而不是驅(qū)動。比如電腦的開啟啟動，把這個歸于硬件的驅(qū)動里面，肯定是屬于牛頭不對馬嘴的。
3.還有就是各個模塊的啟動，也是不能屬于硬件驅(qū)動層的，也都是業(yè)務(wù)流程的一部分了，都不應(yīng)該屬于驅(qū)動層的一部分。
4.還有就是總線數(shù)據(jù)的讀寫，雖然驅(qū)動的作用也就是讀寫，但是數(shù)據(jù)總線的讀寫不能寫成硬件驅(qū)動。
5.應(yīng)用層的系統(tǒng)參數(shù)初始化，也還是屬于流程。
6.數(shù)據(jù)的解析和數(shù)據(jù)的發(fā)生，都是屬于通信功能里面的，不應(yīng)該單獨獨立出來，屬于單個的應(yīng)用。
1.應(yīng)用的代碼邏輯清晰，且避免重復(fù)造輪子。
2.如果沒有好的架構(gòu)，移植將會是一件很痛苦的事情，因此一個好的架構(gòu)設(shè)計，方便軟件的移植。
3.最大限度地復(fù)用。
4.高內(nèi)聚低耦合。
（2）設(shè)計思路
如何把硬件的驅(qū)動和一個功能封裝成一個個的模塊，然后可以像小朋友搭積木一個，一個個模塊可以快速的拼接起來，組成一個個不同的模型。
我們的嵌入式架構(gòu)思路也是來源于此，即功能模塊化設(shè)計、分層設(shè)計。
這個設(shè)計和WEB開發(fā)的MVC模式類似，都是注重分層設(shè)計。
模塊化設(shè)計：將收集到的需求，進(jìn)行歸類，總結(jié)和分析，將這些需求概括為一個個單獨的功能，每一個功能，做成一個單獨的功能模塊。
分層設(shè)計一句話不好直接表達(dá)，其主要體現(xiàn)在一下幾方面：
1.功能模塊對外調(diào)用的模塊封裝成一個個API，將底層驅(qū)動做個API以供功能模塊調(diào)用。（各個功能模塊可以獨立編譯（如通信模塊純ANSI C，可在任意平臺復(fù)用），或者調(diào)用驅(qū)動層接口（日志庫模塊調(diào)用了驅(qū)動讀寫Flash），總而言之，言而總之，封裝出各個功能獨立的可復(fù)用的功能模塊。）
2.API分為驅(qū)動層API和應(yīng)用層API，而不是所有程序都調(diào)用驅(qū)動層API。(整個應(yīng)用中都調(diào)用驅(qū)動層API會導(dǎo)致應(yīng)用中驅(qū)動調(diào)用隨處可見，無法移植和最大限度的復(fù)用)
總體分 硬件驅(qū)動層-->功能模塊層-->業(yè)務(wù)邏輯層-->應(yīng)用層
總體結(jié)構(gòu)示意框圖：
1.層與層之間不能跨層調(diào)用。
2.模塊與模塊各自獨立，無依賴關(guān)系。
3.模塊提供統(tǒng)一的接口供上層調(diào)用，模塊的內(nèi)外接口分明。
4.模塊的功能只能增，不能改。
5.各個功能模塊層也還可以進(jìn)行繼續(xù)分層，比如接口層、驅(qū)動層、硬件層。
（3）模塊層次說明
硬件驅(qū)動層包含板載硬件資源正常運行所需的所有驅(qū)動程序并提供API給功能模塊調(diào)用。
功能模塊層包括實現(xiàn)具體功能的函數(shù)，通過調(diào)用驅(qū)動層API實現(xiàn)相應(yīng)功能，同時提供可調(diào)用的API給業(yè)務(wù)邏輯層。
業(yè)務(wù)邏輯層包括產(chǎn)品整體功能的各個業(yè)務(wù)流程，通過調(diào)用功能模塊層的API實現(xiàn)。
應(yīng)用層將各個業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行整合調(diào)用，完成整個產(chǎn)品的功能。
（4）優(yōu)勢
如果驅(qū)動變動了，或者換不同平臺，只需更改驅(qū)動層，應(yīng)用層不受影響。
如果功能模塊變動了，只需升級相應(yīng)的功能模塊，其他的模塊不受影響，應(yīng)用層也不受影響。
按照這種邏輯設(shè)計好之后，主要的工作就是在業(yè)務(wù)邏輯層。應(yīng)用層則為程序的總體流程和框架，主要調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層實現(xiàn)不同的功能。
04
給嵌入式代碼也來個分層
一、遇到的問題
代碼結(jié)構(gòu)也會有缺陷：
（1）開發(fā)效率低：每次使用片內(nèi)的某一資源（例如定時器等），筆者都要去查詢CC2430中文手冊，比較eggache~
正是由于以上問題，筆者決定暫停了該系列博文的續(xù)寫，抽出時間來思考一下解決辦法。
二、由網(wǎng)站分層引起的思考
筆者在學(xué)習(xí)嵌入式編程之前，曾有過 ASP.NET 網(wǎng)站開發(fā)經(jīng)驗，對其分層理論也有所實踐，下面簡單提一下：
一般的有一定復(fù)雜度的網(wǎng)站可分為以下三層：
總之，分層以后，大大提高了代碼的復(fù)用性與擴展性。
那么在嵌入式開發(fā)中，能否也利用分層的思想，來提高開發(fā)效率，增強其可維護(hù)性與可擴展性呢？下面，是一些筆者思考后的淺見。
三、嵌入式項目也來分個層
當(dāng)然不能照搬ASP.NET 的具體分層思想，具體問題得具體分析嘛~
首先，嵌入式開發(fā)的核心就是芯片，它提供固定的片內(nèi)資源共開發(fā)者使用。而且它具有一個很重要的特點就是，不隨項目的需求變動而變動。所以應(yīng)將其作為最底層，為上層提供基礎(chǔ)支持。我們將其命名為 硬件抽象層（Hardware Abstract Layer）。
芯片有了當(dāng)然還不夠，通常我們會在片外擴展一些功能模塊來滿足具體的項目需求，例如：傳感器、鍵盤、LCD屏等。這一層的特點是，隨項目的變動而以模塊為單位動態(tài)增減。這一層的運作需要芯片內(nèi)部資源的支持，所以應(yīng)處于硬件抽象層之上，并為上層調(diào)用。我們將其命名為 功能模塊層（Functional Module Layer）。
OK，現(xiàn)在原材料都準(zhǔn)備齊了：芯片+擴展模塊，接下來就要開始真正的加工了：我們需要靈活調(diào)用之前兩層所提供的接口，實現(xiàn)具體的項目需求。我們將其命名為應(yīng)用程序?qū)樱ˋpplication Layer）。
圖文：
（1）硬件抽象層（HAL）
實現(xiàn)對片內(nèi)資源 (如定時器、ADC、中斷、I/O等) 的通用配置，隱藏具體的SFR操作細(xì)節(jié)，為上層提供簡單清晰的調(diào)用接口。
嵌入式開發(fā)的核心就是芯片，它提供固定的片內(nèi)資源（常用的有I/O，ISR，TIMER等，稍微好點的還有ADC，SPI等硬件資源，不需要芯片外圍ADC采集芯片或模擬SPI）共開發(fā)者使用。而且它具有一個很重要的特點就是，不隨項目的新增需求變動而變動。所以應(yīng)將其作為最底層，為上層提供基礎(chǔ)支持。
（2）硬件驅(qū)動層（HDL）
嵌入式開發(fā)基本都會使用片外資源，如AT24C02，W25Q128等常見的外圍EEPROM芯片，需要SPI通信（硬件SPI或I/O模擬的SPI）發(fā)送相應(yīng)指令驅(qū)動該芯片，實現(xiàn)該芯片能正常工作。因此驅(qū)動這部分的API函數(shù)實現(xiàn)程序即為硬件驅(qū)動層。即使換了MCU，也只需將調(diào)用過硬件抽象層的API函數(shù)替換即可。
（3）功能模塊層（FML）
通過調(diào)用 HAL，實現(xiàn)項目中所涉及到的各片外功能模塊，隱藏具體的模塊操作細(xì)節(jié)，并為上層提供簡單清晰的調(diào)用接口。
硬件抽象層和驅(qū)動層主要就是為功能模塊層提供的，實現(xiàn)該項目需要的功能，比如KEY、LED和EEPROM等功能，其中LEY、LED基本調(diào)用硬件抽象層的API函數(shù)（更復(fù)雜的可能通過片外芯片獲取/控制等，因此可能也需要使用硬件驅(qū)動層），EEPROM調(diào)用硬件驅(qū)動層的API函數(shù)，即使EEPROM芯片更換（AT24C02或W25Q128等），也不影響EEPROM之前編寫含的功能代碼程序（前提是AT24C02，W25Q128提供的API函數(shù)提供的是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)）。
（4）應(yīng)用程序?qū)樱ˋPL）
通過調(diào)用 HAL 與 FML，實現(xiàn)最終的應(yīng)用功能。
負(fù)責(zé)的就是功能模塊的使用和之間的邏輯關(guān)系處理等等，比如用戶交互界面應(yīng)用程序可能需要KEY、LED、LCD等。
四、硬件抽象層和硬件驅(qū)動層的主要區(qū)別
硬件抽象層使用的芯片內(nèi)本身的資源（芯片手冊都有介紹），而硬件驅(qū)動層使用的是芯片本身不存在的資源，而且需要編寫相應(yīng)代碼才能實現(xiàn)的資源。
比如正點原子STM32中CAN使用的TJA1050芯片，CAN屬于STM32的片內(nèi)資源，TJA1050屬于片外資源，但由于TJA1050不需要額外的代碼就能通過STM32中CAN本身提供API函數(shù)正常 工作；因此可以認(rèn)為TJA1050不屬于硬件驅(qū)動層，而若使用TJA1041，則需要編寫額外代碼才能使正常工作才能使STM32中CAN本身提供API函數(shù)正常工作，因此可以將TJA1041歸為硬件驅(qū)動層。
若不要分這么細(xì)，可以將硬件抽象層和硬件驅(qū)動層統(tǒng)一歸為硬件抽象層。
五、功能模塊層和硬件抽象層、硬件驅(qū)動層的主要區(qū)別
功能模塊層是按照項目需求提取出來的功能，需要硬件抽象層和硬件驅(qū)動層的硬件支持才能實現(xiàn)，功能模塊層根據(jù)項目的功能需求改變而改變，而硬件抽象層和硬件驅(qū)動層則是項目需求書中的功耗等硬件相關(guān)的需求變動而改變，當(dāng)然，若子功能的增加而硬件不支持，則也需更換硬件驅(qū)動。
比如項目中的數(shù)據(jù)儲存功能，硬件支持有AT24C02、W25Q128和芯片本身的FLASH，都可以支持?jǐn)?shù)據(jù)儲存功能，即使后期因為功耗或節(jié)約成本等問題，硬件的更換也不影響數(shù)據(jù)儲存功能的實現(xiàn)（前提規(guī)劃好標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的API函數(shù)定義）且避免了重寫該功能代碼所帶來的各種問題，保證了該功能的穩(wěn)定性。
分層結(jié)構(gòu)示意圖
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