如何在嵌入式軟件開發(fā)中使用C++語言構建應用框架

1 框架概述

1.1 什么是框架

國外著名的軟件設計大師Ralph Johnson對面向?qū)ο蠹夹g進行了長期而深入的研究。在他的主頁中，對框架進行了如下定義：A framework is a reusable design expressed as a set of abstract classes and the way their instances collaborate.It is a reusable design for all or part of a software system.（框架是整個系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分的可重用性設計，由一組抽象出來的類及其實例間的相互作用方式組成。）

框架把一個系統(tǒng)有機地分解成一組相對獨立的構件，并定義了各個構件間的接口和作用關系，符合軟件工程中設計的模塊化、獨立化和信息隱藏等特征?？蚣芴峁┝艘粋€大粒度的重用技術，即不僅支持源代碼級的重用，而且支持分析和設計以及體系結(jié)構的重用，因而被認為是一種最有前途的面向?qū)ο蠹夹g。

框架必須是健壯的、可擴展的、靈活的，它要求基于開放或共享標準。框架的設計要力求做到完備性、靈活性、可擴展性、可理解性，同時抽象能用于不同的場合；用戶能輕松地添加和修改功能，定制框架；用戶和框架的交互清晰，文檔齊全?？蚣茉O計的一個核心問題就是發(fā)現(xiàn)可重用的設計和“熱點”，以保證框架具備充分的靈活性，使用戶能在已有構件的基礎上生成應用程序，實現(xiàn)“零代碼編寫”的理想目標。

1.2 如何設計框架

目前框架的設計大都采用實踐法。實踐法是指從若干個具體的典型應用中，抽象出現(xiàn)似點來構建框架；框架反過來又應用于不同的問題，并在解決不同問題的過程中得到更新；在框架的設計和實現(xiàn)的兩步中，不斷反復，等到框架逐漸成熟時，需要修改和反復的內(nèi)容就會越來越小。具體步驟為：分析問題域，確定所需框架，從一類應用而不是單個的程序去分析、比較各種不同的軟件解決方案，尋求這些方案的共性和每個程度的唯一性特性。這些共性，尤其是那些經(jīng)常被多個程序使用的部分將成為框架的基礎。然后，定義框架體系結(jié)構并設計，包括設計用戶與框架間的交互、給用戶提供的最終工具等。

框架的實現(xiàn)：包括框架核心類的實現(xiàn)、框架的測試、框架的試運行、框架的反復更新。

框架的部署：包括文檔的提供和分發(fā)過程、為用戶提供技術支持、維護和更新框架。

2 嵌入式框架EFC

框架技術在桌面軟件的開發(fā)中得到了廣泛的應用，但在嵌入式開發(fā)領域，由于嵌入式開發(fā)的多樣性及嵌入式操作系統(tǒng)的多樣性，目前還沒有一套完整的開發(fā)框架可供使用。因此，在嵌入式軟件開發(fā)中常常是從底層做起，應用程序和RTOS密不可分。這樣的開發(fā)方式不但效率不高，也不利于軟件的移植。

EFC（Embedded Foundation Classes）即嵌入式基礎類庫，借鑒Microsoft公司的MFC（微軟基礎類庫—桌面系統(tǒng)框架庫的工業(yè)標準）構建的一套在ARM平臺 Nucleus plus操作系統(tǒng)下的嵌入式開發(fā)框架。由于框架全部采用C++開發(fā)，沒有和處理器相關的匯編代碼，所以在其它硬件平臺可不加修改地使用。如果更換不同的操作系統(tǒng)，則需要修改操作系統(tǒng)抽象層的部分代碼；但由于EFC提供給上層應用程序的接口不變，所以應用程序不需要修改代碼。

就軟件的層次來說，EFC是一個操作系統(tǒng)之上、應用程序之下的中間件，如圖1所示。在EFC中有一個操作系統(tǒng)抽象層，對RTOS進行了抽象和封裝，提供包括任務（task）、/O驅(qū)動（driver）、定時器（timer）、信號量（semaphore）、消息隊列（quecue）、事件（event group）、郵箱（mailBox）、管道（pipe）以及高級中斷（HISR）等基本服務的封裝。為上層應用程序提供更高級的統(tǒng)一編程接口，它樣就使應用軟件的開發(fā)與具體的軟件平臺無關，解決了嵌入式應用軟件的移植問題。

在圖1中，各模塊之間有交界表明模塊之間有接口關系。EFC、應用程序以及RTOS都和硬件驅(qū)動有接口：EFC要使用一部分核心驅(qū)動（例如實時時鐘的驅(qū)動、ARM串口和網(wǎng)口的驅(qū)動、I2C總線的驅(qū)動等）；應用程序中調(diào)用的驅(qū)動是針對具體設備的；RTOS所需要的驅(qū)動就是系統(tǒng)的BSP部分。

EFC的靜態(tài)結(jié)構圖（類圖）如圖2所示。類圖是在UML（統(tǒng)一建模語言）中用類和它們之間的關系描述系統(tǒng)的一種圖示。類用類名、類的屬性以及操作來表示，在圖中為簡單起見，省略了屬性和操作；類與類之間的關系使用不同的連線表示，圖中帶空心三角箭頭的連線表示繼承關系，兩端帶數(shù)字的連線表示關聯(lián)關系。在類圖中，類的屬性/方法的可見性使用“+”、“-”及“#”表示：“+”表示公共的（public），“-”表示私有的（private），“#”表示受保護的（protected）。

從圖2中可以看出，CMessage、CRTApp、CDevice、Cboard及Cinterface都派生于公共的類 CRTObject。CRTApp對象中有受保護的CMessage、CEventLog、Cuser及CDevice各一個。CDevice對象中有一個或多個CBoard對象，相應的每個CBorad對象中有0個到多個CxxxInterace對象。

2.1 基本數(shù)據(jù)類型

構建一個框架，需要一些基本的元素，這些元素要在框架的構造以及應用程序開發(fā)中大量使用。這些基本數(shù)據(jù)類型包括字符串類CString、集合類 CArray、Clist及Cmap。CString包括一個長度可變的字符序列，提供使用非常直觀方便的運算符（例如+，+=，=，==，！=）和一些 Todouble（）、Tolong（）、Tohex（）等）；CArray是具有內(nèi)建索元素很快的檢索速度；Clist為其所存儲的每一個元素，都提供了兩個指針，分別指向位于其前和其后的元素，形成一個雙向鏈表，這使得插入和刪除操作十分快捷；CMap為其存儲的每個數(shù)據(jù)都附帶一個關鍵字，并以關鍵字所組成的一個hash表作為索引，從而使得元素搜索、增加和刪除操作都具有很高的效率。

2.2 RTOS的抽象和封裝

CRTObject是一個EFC中最基礎的類，它不但是EFC中CRTApp、CDevice等類的基類，而且可以作為所有使用EFC的嵌入式開發(fā)人員定義新的類的超類。CRTObject類在EFC中主要承擔RTOS抽象和封裝任務。它提供了下面一些最基本的功能：

*CRTObject對RTOS的常用對象進行了封裝，提供包括Task、Driver、Timer、Event Group、Semaphore、Queue、Pipe、Mailbox等的創(chuàng)建、刪除、查找等功能的成員函數(shù)。這些函數(shù)提供了一個簡單有效的方法來使用 RTOS的對象。使用這些函數(shù)能夠保證對象創(chuàng)建與銷毀的安全性，而不會造成內(nèi)存泄漏。

*CRTObject提供了對RTTI（Run-Time Type Information，運行時類型信息）的支持，在新的C++標準中，RTTI已經(jīng)是C++的一個功能，但并不是所有的編譯器都提供支持這些新特性，ADS1.2就不支持。所以在這里參考MFC，通過宏的方式為每個類定義一個CRuntimeClass類型的靜態(tài)常量和相關的成員函數(shù)。 CRuntimeClass結(jié)構保證了類型的靜態(tài)常量和相關的成員函數(shù)。CRuntimeClass結(jié)構保存了類的名稱、大小等信息，這樣我們就能在程序運行時確定對象的具體類型。

*CRTObject還提供了把類的成員函數(shù)作為任務及定時器的回調(diào)函數(shù)的功能。在Nucleus中，任務和定時器的回調(diào)函數(shù)只能是全局函數(shù)或者類的靜態(tài)成員函數(shù)，這在面向?qū)ο蟮拈_發(fā)中很不方便。這里通過把成員函數(shù)指針和對象的this指針作為參數(shù)傳遞給RTOS，在RTOS調(diào)用公共回調(diào)函數(shù)時再取出來。通過函數(shù)指針的方式去調(diào)用類的成員函數(shù)，這樣把有派生于CRTObject的類就可方便地使用成員函數(shù)作為任務、定時器等對象的回調(diào)函數(shù)。

2.3 應用程序類CRTApp

CRTApp類用來定義整個應用程序?qū)ο?，提供系統(tǒng)初始化、管理其它對象以及運行應用程序的功能。任何使用EFC框架的應用程序有且只能有一個派生于此類的對象。CRTApp對象中包含了動態(tài)創(chuàng)建的CMessage、CEventLog、CDevice及Cuser對象。

通過在Nucleus的入口函數(shù)Application_Initialize中創(chuàng)建系統(tǒng)初始化任務（回調(diào)函數(shù)為CRTApp類的成員函數(shù) InitTask），來把系統(tǒng)控制權交給CRTApp對象，在其中完成其它對象的創(chuàng)建、系統(tǒng)的配置以及初始化任務。

2.4 文件系統(tǒng)

在嵌入式設備中通常使用Flash存儲器來保存程序代碼和數(shù)據(jù)，每片F(xiàn)lash一般由一定數(shù)量大小不等的扇區(qū)組成。它在讀取方面與普通RAM存儲器類似，可以實現(xiàn)隨機的讀取，但在寫入操作上卻有很大的不同。Flash中只有空白的單元才可以進行寫入操作，要向非空的單元寫入數(shù)據(jù)，需要先擦除整個扇區(qū)。所以程序中如果直接對Flash進行操作會很不方便。最好的辦法就是在其上構造一個文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)提供簡便、可靠的接口供上層使用，而把復雜的操作屏蔽在文件系統(tǒng)內(nèi)部。

這里文件系統(tǒng)包括內(nèi)存文件系統(tǒng)和Flash文件系統(tǒng)。CFile是一個抽象類，只是定義文件系統(tǒng)的接口函數(shù)（例如Open、Read、 Write、Seek、GetLength、Close等），具體的實現(xiàn)在CMemFile（內(nèi)存文件）及CFlashFile（Flash文件）類中完成。

2.5 設備管理

在EFC中，設備管理由CDevice、CBoard、CInterface及其派生類完成。CDevice類代表整個設備，1個設備中包含1 到多個CBoard對象，而每個CBoard對象中又包含0個到多個接口對象（CInterface類的派生類對象）。這樣以來，嵌入式設備（僅限通信領域）都可由這幾個類組合而成，大大簡化了軟件的設計。

2.6 命令處理

CMessage類是系統(tǒng)的命令處理模塊，它直接派生于CRTObject類。它的功能主要是接收網(wǎng)管軟件通過串口或網(wǎng)口發(fā)送未來的各種命令，完成對設備的配置管理、性能管理、告警管理、安全管理和維護管理等管理功能。CMessage類主要有表1所列的任務。

2.7 其它模塊

CFlash類封裝對Flash芯片的操作，主要包括讀、寫、擦除等操作。從圖2可以看出，CEventLog和CFlashFile類中都包含CFlash對象；CEventLog類記錄系統(tǒng)中的發(fā)生的事件以及系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的告警信息。為了實現(xiàn)掉電保存功能，這些事件都保存在Flash 芯片中；Cuser類用來對系統(tǒng)的用戶進行管理，防止對系統(tǒng)非授權的訪問。

3 使用EFC的設計方案舉例

這里以在通信和工業(yè)自動化領域使用較多的串口服務器為例，來說明使用FEC嵌入式開發(fā)框架的設計方案。串口服務器是一種可把多路異步 RS232/RS485串行數(shù)據(jù)與通過以太網(wǎng)口傳送的TCP/IP數(shù)據(jù)包進行相互轉(zhuǎn)換，使傳統(tǒng)的異步串行數(shù)據(jù)信息能通過Internet或 Intranet傳送或共享的設備。

設每個串口對應TCP/IP的一個端口，則可畫出圖3所示的靜態(tài)結(jié)構圖（圖中SerSvr是Server的簡寫）。

從圖3可以看出，共對五個類進行了派生。CSerSvrMessage類派生于CMessage類，用于通過網(wǎng)管對串口服務器進行管理（這里具體命令略）；CserSvrDevice類派生于CDevice類，代表串口服務器設備；CserSvrDevice類對象中有一個或多個派生于 CBoard類的CserSvrBoard類對象，而每個CserSvrBoard類對象擁有一個或多個派生于CasyInterface類的 CSerSvrInterface類對象；ScerSvrApp類派生于CRTApp類，代表整個應用程序，并重載了虛函數(shù) OnCreateMessage（）及OnCreateDevice（），用來在其中創(chuàng)建系統(tǒng)的CSerSvrMessage和 CserSvrDevice類的實例來代替系統(tǒng)默認的CMessage和CDevice實例。

串口類 CSerSvrInterface的設計是整個設計的關鍵，在每個串口類中都有一個TCP監(jiān)聽任務TCPServerTask用來作為服務器去監(jiān)聽客戶端的連接；一個TCP客戶端任務TCPClientTask用來連接其它服務器。無論是通過TCPServerTask還是TCPClientTask建立連接后，就掛起這兩個任務而啟動另外兩個任務TCPSendTask和TCPRecvTask，它們分別用來通過網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。 TCPSendTask每隔10ms（對波特率為115.2K的情況，10ms最多收到的字節(jié)數(shù)為115200/（8+2）/1000*10=115.2 字節(jié)，所以串口的FIFO應大于116字節(jié)）把從串口讀到的數(shù)據(jù)打包從網(wǎng)口發(fā)送出去；而TCPTecvTask使用阻塞方式讀取網(wǎng)口數(shù)據(jù)。在讀到數(shù)據(jù)后，根據(jù)串口發(fā)送緩沖區(qū)的情況慢慢通過串口往外發(fā)送，沒發(fā)送完之前就不進行下一次從網(wǎng)口的數(shù)據(jù)讀取。這樣把串口類設計成一個完備的處理類，設備中每塊板有多少串口就在CSerSvrBoard類的實例中有多少CSerSvrInterface類的實例。硬件模塊化的結(jié)構簡單地對應軟件模塊化的結(jié)構。

結(jié)語

本文講述了在嵌入式軟件開發(fā)中使用C++構建系統(tǒng)開發(fā)框架的方法，并給出了框架的模型和應用實例。可以看出，使用面向?qū)ο蟮目蚣芗夹g對于提高開發(fā)效率、降低開發(fā)難度、規(guī)范開發(fā)模式、便于軟件的移植和維護方面，具有傳統(tǒng)面向過程的開發(fā)方法不可比擬的優(yōu)勢。

責任編輯：gt