探討嵌入式系統(tǒng)的軟硬件框架

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

軟件架構(gòu)這東西，眾說紛紜，各有觀點(diǎn)。什么是軟件架構(gòu)，我們能在網(wǎng)上找到無數(shù)種定義。

比如，我們可以這樣定義：軟件架構(gòu)是軟件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)在其組件、組件之間的關(guān)系、組件設(shè)計(jì)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。怎么定義一般來說，基本上不重要，我們不是在寫學(xué)術(shù)書籍，工程人員嘛，只關(guān)心軟件架構(gòu)能解決什么問題。

軟件架構(gòu)不是制定出來的，而是產(chǎn)品和業(yè)務(wù)需求所決定的，架構(gòu)師所做的，只是忠于需求，并合理的表達(dá)了需求。軟件架構(gòu)也從來都不是一成不變的。在產(chǎn)品或者產(chǎn)品線的整個(gè)生命周期中，隨著業(yè)務(wù)和需求的變化，軟件架構(gòu)不斷發(fā)展和變化，以適應(yīng)新的需要。

軟件架構(gòu)，也不是一個(gè)簡單的項(xiàng)目問題，而是產(chǎn)品或產(chǎn)品線的技術(shù)戰(zhàn)略問題。一個(gè)良好設(shè)計(jì)并推廣的軟件架構(gòu)，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(guī)劃

??增強(qiáng)復(fù)用性，降低開發(fā)成本

??便于團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的技術(shù)培訓(xùn)

??使技術(shù)積累更加容易

我經(jīng)常看到的一個(gè)常見問題是，新手工程師，由于經(jīng)歷與知識不足，往往看不到項(xiàng)目全貌，很難深刻理解軟件架構(gòu)，他們往往要經(jīng)過多年的專業(yè)訓(xùn)練，才能逐漸建立架構(gòu)意識。

但軟件架構(gòu)真的只是資深工程師和架構(gòu)師的專利嗎？這個(gè)也不見得。古人作文，講究立意為先。

今天工程師做項(xiàng)目和產(chǎn)品，也應(yīng)該先立意。這個(gè)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(gè)步驟，供嵌入式工程師參考。

1.?隔離硬件相關(guān)代碼，建立抽象層

2.?建立統(tǒng)一的軟件基礎(chǔ)設(shè)施

3.?妥善識別和處理產(chǎn)品數(shù)據(jù)

4.?功能分層與分解

5.?組件及其接口設(shè)計(jì)

6.?測試、調(diào)試與跨平臺開發(fā)的支持

需要注意的是，看完這六個(gè)步驟，并不足以保證嵌入式工程師學(xué)會軟件架構(gòu)。嵌入式軟件架構(gòu)師，是不可培養(yǎng)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(shí)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(shè)計(jì)嵌入式軟件架構(gòu)，可以采取的六個(gè)步驟。

嵌入式軟件架構(gòu)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(gòu)之前，把應(yīng)用層功能和硬件相關(guān)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(gè)好例子。從函數(shù)LL_USART_ClearFlag_TC開始的一句，也就意味著，這個(gè)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(gè)依賴倒置原則，高層模塊不應(yīng)該依賴于底層模塊，它們應(yīng)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(jìn)行了依賴。

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

耦合架構(gòu)的問題

雖然從原則上來說，耦合架構(gòu)是不對的，但我個(gè)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(guān)的專業(yè)（比如電子、自動化等），來自于軟件工程和計(jì)算機(jī)專業(yè)的嵌入式工程師不多（他們都去互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)了），因此從他們的知識結(jié)構(gòu)和習(xí)慣思維出發(fā)，一般從硬件視角看待嵌入式系統(tǒng)，而不是站在軟件抽象的視角。

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

耦合架構(gòu)帶來的問題，也是顯而易見的，那就是，實(shí)實(shí)在在的難以移植。因?yàn)橐坏┯布l(fā)生變化，比如MCU停產(chǎn)，芯片短缺等等（在當(dāng)前形勢下太過常見），嵌入式軟件就要大把修改。如果軟件規(guī)模較大，嘗試移植耦合架構(gòu)的代碼到在新MCU上，是一項(xiàng)艱巨的工作，沒人愿意干這事。因此產(chǎn)品開發(fā)完成，更新架構(gòu)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(yīng)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(gòu)會導(dǎo)致，在開發(fā)環(huán)境中（如Windows或者Linux，非目標(biāo)硬件），很難對應(yīng)用程序進(jìn)行單元測試。脫離目標(biāo)硬件，跨平臺開發(fā)嵌入式程序，是提升開發(fā)效率的重要措施。

對耦合架構(gòu)來說，應(yīng)用程序代碼直接調(diào)用硬件，如果要進(jìn)行完整的測試工作，就要花費(fèi)大量工作，因?yàn)闇y試程序也要去操作硬件，才能驗(yàn)證正確與錯(cuò)誤?；蛘撸枰こ處熢谟布贤瓿墒謩訙y試（實(shí)際上現(xiàn)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(zhì)量。很多時(shí)候，為了趕進(jìn)度，或者規(guī)避繁瑣的測試工作，軟件并沒有經(jīng)過很好的測試，整體系統(tǒng)質(zhì)量受到影響。另外，手動測試，交付軟件可能需要更長的時(shí)間。而自動測試，往往只需要一瞬間，清楚明了。

第三，耦合架構(gòu)將存在不易擴(kuò)展的問題。耦合架構(gòu)，往往是共享數(shù)據(jù)的，也就是所謂的全局變量滿天飛。隨著軟件系統(tǒng)的擴(kuò)大，每個(gè)新功能的添加，變得更加困難，而且是越來越困難，出現(xiàn)BUG的機(jī)會急劇增加。屎山就是這么煉成的。

但需要說明的是，數(shù)據(jù)問題，不是說隔離了硬件，就能完全解決掉。數(shù)據(jù)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(gòu)六部曲之二和之三中，通過軟件基礎(chǔ)設(shè)施的合理構(gòu)建，和數(shù)據(jù)機(jī)制的合理制定，共同得到解決。

隔離架構(gòu)如何解決問題？

到這里，我們架構(gòu)的第一步，呼之欲出，那就是：將軟件架構(gòu)分離為硬件相關(guān)和硬件無關(guān)兩個(gè)部分。這就要引入抽象層這個(gè)概念。何為抽象層？抽象層有很多種，比如硬件抽象層（HAL）、設(shè)備抽象層（DAL），操作系統(tǒng)抽象層（OSAL），網(wǎng)絡(luò)抽象層，文件系統(tǒng)抽象層，F(xiàn)lash抽象層（RT-Thread里就有這個(gè)）等等。

對誰進(jìn)行抽象，就會建立這個(gè)東西的抽象層，無一定之規(guī)。本文中的抽象層，特指硬件抽象層，或者設(shè)備抽象層，或者二者兼?zhèn)?。具體是誰，取決于產(chǎn)品特性，可參考后續(xù)文章《嵌入式軟件中的抽象層》。

在硬件相關(guān)代碼和硬件獨(dú)立代碼之間創(chuàng)建抽象層，這是軟件移植的要求，實(shí)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(jìn)行強(qiáng)調(diào)：高層模塊不應(yīng)該依賴于底層模塊，它們應(yīng)該共同依賴于抽象。也就是說，應(yīng)用層代碼（硬件無關(guān)），不應(yīng)該依賴于硬件相關(guān)的代碼（驅(qū)動代碼），他們應(yīng)該依賴于抽象層代碼。

抽象層的創(chuàng)建，將允許將應(yīng)用代碼從一個(gè)微控制器移動到下一個(gè)微控制器，或者一套硬件遷移到另一套硬件，應(yīng)用層代碼不必更換。抽象層打破了硬件依賴關(guān)系；換句話說，應(yīng)用程序根本不必知道，也不必關(guān)心，當(dāng)前運(yùn)行的是什么硬件，應(yīng)用程序只需要關(guān)心抽象層的API是什么樣的。

新的硬件驅(qū)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(guān)的模塊，而不是整個(gè)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(guān)的代碼，應(yīng)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(shí)現(xiàn)方法，實(shí)際工程應(yīng)用中，抽象層還有很多細(xì)節(jié)需要闡述。限于篇幅，在本文中，我們不進(jìn)行探討，請關(guān)注后續(xù)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(chuàng)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(shù)據(jù)，并通過檢查假硬件給出的輸出數(shù)據(jù)會否符合預(yù)期，來對軟件進(jìn)行單元測試。在沒有硬件的情況，也可以對應(yīng)用層程序進(jìn)行開發(fā)。很多嵌入式程序員覺得不可能，但這時(shí)很多大公司開發(fā)軟件的方式。

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

這樣做的好處是，可以在項(xiàng)目早期就對客戶提供試用服務(wù)，并根據(jù)客戶反饋進(jìn)行功能調(diào)整。如今，太多的團(tuán)隊(duì)專注于首先準(zhǔn)備好硬件，而核心應(yīng)用程序是事后才想到的。這樣并不利于對嵌入式軟件進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

那么如何建立抽象層呢？抽象層的建立，涉及到幾個(gè)關(guān)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(fù)雜，非三言兩語就能說清。

結(jié)論

嵌入式軟件與其他軟件領(lǐng)域都不一樣，因?yàn)闆]有一個(gè)軟件領(lǐng)域，和嵌入式軟件一樣，會和硬件進(jìn)行直接交互（請注意此處直接二字）。

為了應(yīng)對可能出現(xiàn)的硬件變化（無論是MCU，PCBA，還是連接PCBA的設(shè)備），嵌入式軟件架構(gòu)師應(yīng)該將硬件相關(guān)的代碼獨(dú)立出去，并壓縮在一個(gè)最小的范圍內(nèi)。否則，一旦使用耦合架構(gòu)，不對硬件相關(guān)代碼進(jìn)行剝離，屎山式的代碼，幾乎是注定的結(jié)局。

一個(gè)成功的軟件架構(gòu)，從來不是一蹴而就，通常是通過迭代和演進(jìn)創(chuàng)建的。這需要技術(shù)負(fù)責(zé)人，或者架構(gòu)師，主動去推動軟件架構(gòu)的迭代，不斷推動軟件的優(yōu)化重構(gòu)。這就有點(diǎn)像明星的好身材，從來不是天生，都是后天自律的結(jié)果。

但在嵌入式領(lǐng)域，無論搞什么產(chǎn)品，搞什么復(fù)雜的軟件架構(gòu)，剝離硬件相關(guān)，是第一步，也是最為關(guān)鍵的一步。連硬件相關(guān)代碼都剝不干凈，軟件架構(gòu)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(shù)水平的工程師們，先從隔離硬件開始吧。我在此先預(yù)祝成功！

編輯：黃飛

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