嵌入式应用软件架构设计

要做到嵌入式应用的代码逻辑清晰，且避免重复的造轮子，没有好的应用架构怎么行。
如果没有好的架构，移植将会是一件很痛苦的事情。

如果没有好的架构，复用是最大的难题，没法更大限度的复用原有的代码。

如果没有好的架构，一旦驱动改了，所有的地方都要改，费时费力且很容易出错。

如果没有好的架构，应用层中穿插着硬件驱动层的代码，看着会是一片混乱，逻辑不清，代码维护起来会很困难。

这里总结下我的嵌入式程序设计思路，分享出来与大家共同探讨，同时也欢迎提出不同意见。
现在的小朋友都爱玩搭积木的游戏，一个模块一个模块的拼装起来，快速组成各种不同的模型。现在的产品设计也很少从零开始。大都复用现有成熟的模块，专注于某个擅长领域。

我的嵌入式应用架构思路来源与此，即功能模块设计与分层。

把API分为驱动层和应用层API，而不是所有程序都调用驱动层API。(整个应用中都调用驱动层API会导致应用中驱动调用随处可见，无法移植和最大限度的复用)

先把一个应用进行功能模块划分，并对整体结构进行分层，然后设计出功能独立的各个模块（如算法模块，文件库模块，通信库模块），在模块之上开放公共接口。

驱动层提供出公共接口供上层调用。各个功能模块可以独立编译（如算法模块纯ANSI C，可在任意平台复用），或者调用驱动层接口（文件库模块调用了驱动读写Flash），总而言之，言而总之，封装出各个功能独立的可复用的功能模块。

总体分 硬件驱动层-->功能模块层-->应用接口层-->业务逻辑层-->应用层

总体结构示意框图：

应用层，为程序的总体的运行框架，组织调用业务逻辑。可以用某种嵌入式操作系统实现几种任务 。如定时任务，卡处理任务，菜单任务，通信任务。
业务逻辑层，如CPU卡处理，交通部卡处理，银联卡处理，M1卡处理，通信记录上传，黑名单下载，票价参数下载等。
应用接口层，提供公共的api接口供应用接口供上层调用。这些接口也可由下层的功能模块开放出来，应用接口层负责汇总。
功能模块层，可以封装不同的功能模块。如算法库，文件库，通信库，银联库，向上提供应用接口层的接口，向下调用驱动接口。
硬件驱动层，由各个驱动模块组成，向上提供统一的接口。

遵循一些约定，
1.每个模块提供出的接口要统一，后续只能增，不能改原来的接口。
2.模块与模块之间相互独立，互不影响，不能相互调用，只能调用它下层的接口。
3.由模块构成层，层与层之间不能跨级调用。如在应用层中不能看到直接调用驱动层的代码。

4.模块中又可以继续分层，如接口层，驱动层，硬件层。

 

如果驱动变动了，或者换不同平台，只需更改驱动层，应用层不受影响。
如果功能模块变动了，只需升级功能功能模块，其他的模块不受影响，应用层也不受影响。

按照这种逻辑设计好之后，主要的工作就是在业务逻辑层。应用层则为程序的总体流程和框架，主要调用业务逻辑层实现不同的功能。

我们现在的代码结构，基本是按这个思路来的。

硬件驱动层-->功能模块层-->应用接口层-->业务逻辑层-->应用层。

看看以下两种风格的代码，你更喜欢哪个。

另一种风格：

同样是保存参数，非要拆成 AlgCRC16  ，WritePraFlash( (unsigned char *)&NetPra , NETPRA_ADDR , sizeof(_NetPra) )两步吗？

还有AH_Para_Verify这个，在应用层中真是多余啊，检测失败又从Flash读取。关于参数，一开机就应该检测合法性了。

既然都是要保存参数，就应该做个封装，如上图所示，把系统用到的不同参数做个规划。应用层调用APP_Open_UseFile 或者APP_Read_UseFile,

而不是直接的去读写Flash。

来看看赫赫有名的谷歌的android架构，虽然很复杂，但从框图上看，也像是搭积木，各个功能模块独立，层次分明。最低层建立在linux Kernel基础上，然后是各个组件库libraries，再往上是应用框架和应用。

以NC_FileLib,文件库模块为例，如果要用在其他平台，如EH0918手持机设备，只需要移植几个硬件层接口即可。

NC_FileSys文件库，跟硬件相关的接口在Hook文件夹，
重新实现以下几个函数即可：
void HW_FRAM_Init( void )
unsigned int HW_FRAM_Read( unsigned int    addr,unsigned int    size,unsigned char    *buffer)
unsigned int HW_FRAM_Write( unsigned int    addr, unsigned int    size,unsigned char    *buffer )
//擦除FLASH一页 (FLASH擦除的最小单元)
unsigned int HW_Flash_PageErase( unsigned int page )
unsigned int HW_Flash_Read( unsigned int addr, unsigned int size, unsigned char *buffer )
unsigned int HW_Flash_NotEraseWrite( unsigned int addr, unsigned int size, unsigned char *buffer )
//擦除FLASH一页 (FLASH擦除的最小单元)
unsigned int HW_Flash_PageErase( unsigned int page )

 

按照以上模块化设计思想，很容易实现一模拟pos机。

以开发一个智能pos应用为例：
一个智能pos涉及到的功能模块有：
读写卡功能，保存与读取消费记录，查找保存黑名单，界面显示，菜单显示，通信下载参数上传记录等。

以下为移植功能模块到电脑上，自己做的一个模拟Pos工具：
在电脑上实现一模拟pos(只是功能上的实现,完成刷卡消费，记录存储，记录上传，黑名单，票价下载等功能。界面为Dos窗口。后续如果用QT把界面也做出来，就是一功能齐全的模拟POS机，不过得把荒废多年的C++重新拾起来了。可以继续完善做一个上位机模拟pos，改变编译器在上位机仿真调试并交叉编译后运行在真实POS上)。
用到的功能模块有 文件存储模块，卡处理模块，算法模块，银联库模块。我把这些模块移植到电脑上。
关于卡处理模块的实现，由于电脑上没读卡头，于是用外接读卡器。把读卡器串口接电脑上。电脑上做一读写卡服务，提供TCP接口的读写卡接口。
移植文件库，嵌入式程序中是操作的flash,在电脑上把文件库中用到的接口用读写文件的形式替换。
移植算法库，算法库都是c写的，直接用gcc在windows平台重新编译即可。
实现效果：

第7项,模拟POS与银联通信：

POSP模拟器为模拟银联后台的一个工具。运行bus,exe进行签到，下载IC卡参数与公钥并保存至电脑上，

第5项，银联卡消费：

读卡器通过串口接到电脑上，电脑上运行读写卡服务tcpserver.exe,,提供读写卡APDU指令接口。利用之前做的小工具远程读卡器。

有时候为了测试卡片消费，不能每次都重新编译进来吧，这时候可以利用LUA脚本。选择第11项。把需要测试卡片的指令写进LUA脚本，然后执行，

如图所示：

执行结果：

封装的功能模块，即各种库如下：
liblua.a         执行lua脚本使用
libblkfile.a    黑名单查找与存储
libmaycalc.a 算法库，如SHA,DES算法
libmycard.a  卡库，提供操作卡片的APDU
libmyfile.a    文件库，提供文件存储与读取
libmycom.a  通信库，提供socket通信
libmyup.a     银联库，银联卡处理逻辑与银联后台通信业务

其中，libmyblkfile库的makefile文件如下：
########################################
#makefile
########################################
BINARY= libmyblkfile
CC= gcc
LD= ld
CFLAGS= -std=c99 -g
LDSCRIPT=
LDFLAGS= -Llib
OBJS= AH_BlackList.o AH_BlkDirFileLib.o APP_Blacklist.o
#CFLAGS=-std=c99
.PHONY: clean
all:images
images: $(BINARY).a
$(OBJS):%.o:%.c
        $(CC) -c $(CFLAGS) $< -o $@
%.a: $(OBJS)
        ar crv $(*).a $(OBJS)
        cp libmyblkfile.a ../
clean:
        rm -f *.o

主程序的makefile文件如下：
########################################
#makefile
########################################
#编译指定子目录
SUBDIRS := .\\lib\\NC_Com\
                   .\\lib\\NC_FileSys\
           .\\lib\\NC_BlkFile\
           .\\lib\\NC_Card\\NC_Card_Lib\
           .\\lib\\NC_UPCash\\NC_UPCash_Lib
define make_subdir
@ for subdir in $(SUBDIRS) ; do \
( cd $$subdir && make $1) \
done;
endef
#编译主程序
BINARY  := ./bin/bus
OBJ_DIR := ./obj/
CC= gcc
LD= ld
CFLAGS= -std=c99 -Wall -g
LDSCRIPT= -lmycom -lws2_32 -liconv -lmyfile  -lmycard -lmyup -lmycalc -lmyblkfile -llua
LDFLAGS= -Llib
SRC  = $(wildcard *.c)
DIR  = $(notdir $(SRC))
OBJS = $(patsubst %.c,$(OBJ_DIR)%.o,$(DIR))
#OBJS=  main.o myutils.o  inirw.o  cmdpboc.o cputest.o bustcp.o ansrec.o m1cmd.o m1api.o m1test.o upcash.o myother.o getsys.o
#CFLAGS=-std=c99
#@echo Building lib...
#$(call make_subdir)
.PHONY: clean lib
all:  prebuild  $(BINARY).exe
prebuild:
        @echo Building app...
$(BINARY).exe : $(OBJS)
        @echo Generating ...
        $(CC) -o $(BINARY).exe $(OBJS) $(LDFLAGS) $(LDSCRIPT)
        @echo OK!
$(OBJ_DIR)%.o : %.c
        $(CC) -c $(CFLAGS) $< -o  $@
lib:
        @echo Building lib...
        $(call make_subdir)
clean:
        rm -f $(OBJ_DIR)*.o
        @echo Removed!

各个功能模块，又可以进一步细分为子模块。
拿通信库举例：
嵌入式设备都需要支持各种不同的通讯模块。比如硬件设备有A701、A801、B502等，通讯模块有GL868、MG323、MC8630、N710、ZIGBEE等，这些设备分别支持全部或部分通讯模块。
整体架构分为如下：

驱动大致分为三层：
1、接口层：为用户提供统一的接口，比如：Connect、TxData、RxData、Disconnect等。
2、驱动层：向接口层暴露统一的接口，这些接口用于完成实际的连接断开和数据收发等，比如：DevConnect、DevTxData、RxData、Disconnect等。该层只会和支持的通讯模块相关，不会直接访问任何硬件功能，包括串口通讯、GPIO控制全部通过底层的设备层实现。
3、设备层：向驱动层提供统一的接口，这些接口通过访问物理硬件来实现和模块的通讯，比如：XXXPowerOn、SerialSend、SerialReceive等，并定义该设备支持哪些模块。
三层之间通过标准的接口进行互相访问。
1、接口层对外接口（用户操作通讯模块使用的API）：
uint32_t Com_Dev_Start(void);
//设备重新上电，并和网络建立连接
uint32_t Com_Dev_Restart(void);
//设备断网断电
uint32_t Com_Dev_Stop(void);
//连接远端服务器
uint32_t Com_Dev_Connect(uint8_t *ip, uint16_t port, uint32_t timeout, uint32_t channel);
//断开连接
uint32_t Com_Dev_Disconnect(uint32_t channel);
//发送数据
uint32_t Com_Dev_TxData(uint8_t *buf, uint32_t len, uint32_t timeout, uint32_t channel);
//接收数据
uint32_t Com_Dev_RxData(uint8_t *buf, uint32_t *rxlen, uint32_t len, uint32_t timeout, uint32_t channel);
//获取信号质量
uint32_t Com_Dev_GetSQ(uint8_t *csq);
2、驱动层对接口层的接口（对接口层屏蔽各通讯模块的差异）：
struct ComDevFunc{
         uint32_t (*start)(ComDevDesc *dev);
         uint32_t (*restart)(ComDevDesc *dev);
         uint32_t (*stop)(ComDevDesc *dev);
         uint32_t (*connect)(ComDevDesc *dev, uint8_t *ip, uint16_t port, uint32_t timeout, uint32_t channel);
         uint32_t (*disconnect)(ComDevDesc *dev, uint32_t channel);
         uint32_t (*txData)(ComDevDesc *dev, uint8_t *buf, uint32_t len, uint32_t timeout, uint32_t channel);
         uint32_t (*rxData)(ComDevDesc *dev, uint8_t *buf, uint32_t *rxlen, uint32_t len, uint32_t timeout, uint32_t channel);
         uint32_t (*getVer)(ComDevDesc *dev, uint8_t *buf, uint32_t versize);
         uint32_t (*getCSQ)(ComDevDesc *dev, uint8_t *csq);
};
3、设备层对驱动层提供的接口（屏蔽串口号、GPIO引脚等平台相关的内容）：
int Com_PortOpen(uint32_t baud);
int Com_PortClose(void);
int Com_PortSend(uint8_t *buf, int len);
int Com_PortRecv(uint8_t *buf, int len, int timeout);
int Com_PortGetLen(void);
int Com_PortFlush(void);
//具体硬件相关函数，在Model_XXXXX.h中实现
//仅需实现平台支持的模块即可
void COM_GL868Power(int state);
void COM_MC8332Power(int state);
void COM_MG323Power(int state);
void COM_EMV3081Power(int state);
void COM_CC2530Power(int state);
void COM_N710Power(int state);
2.   目录结构
│  ComAPI.c              -----通讯库API实现
│  ComAPI.h              -----通讯库API声明（接口层API）
│  ComDevs.c                                -----供驱动使用的公共定义和工具函数
│  ComDevs.h                                -----供驱动使用的公共定义和工具函数（驱动层API）
│  Readme.txt
│
├─Devices                -----存放各种模块的驱动程序
│      Dev_CDMA_MC8332.c
│      Dev_CDMA_MC8332.h
│      Dev_GPRS_GL868.C
│      Dev_GPRS_GL868.h
│      Dev_WIFI_EMV3081.c
│      Dev_WIFI_EMV3081.h
│
└─Models                                          -----存放适配各种设备型号的目录
        Model.h          -----设备层API
        Model_A701.c
        Model_B502.c
3.   支持新模块的方法
比如A701设备要新增支持SUPER123模块
1、在Devices目录中增加一个文件Dev_6G_SUPER123.c并实现ComDevFunc结构中定义的各函数
2、在设备文件Model_A701.c中增加电源控制函数COM_SUPER123Power。
3、在设备文件Model_A701.c中添加驱动函数到gComFuncs数组中。
4.   适配新设备的方法
1、在Models目录新增加一个文件Model_XXXX.c
2、实现串口通讯函数（Com_PortXXXX系列，参考Model.h中的定义）
3、实现支持的通讯模块的上下电函数COM_XXXXPower(int state);
4、实现gComFuncs数组，其中引用所有支持模块的驱动函数。
5.   对部分系统函数的引用
对于部分系统相关函数，比如延时、调试信息的打印等，全部提供默认实现，并将默认实现声明为弱函数。这样当用户需要进行自定义的时候可以进行自定义，如果不需要可以直接忽略不会造成编译错误。
这样的函数有如下三个：
void Com_Hook_Printf(char* fmt, ...);
void Com_Hook_PrintHex(uint8_t* buf, int len);
//重定义延时功能，如果使用操作系统的话可以充分利用操作系统的调度特性，避免死等造成的浪费
void Com_Hook_DelayMs(uint32_t ms);
6.   驱动中普遍使用的功能
对于部分编写通讯模块驱动常用的功能，模块中提供了一系列的辅助函数，避免重复劳动

 

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成功不是追求别人眼中的最好，而是把自己能做的事情做得最好。

每个人都应该有梦想，这才是生命的意义。

做事情贵在坚持，只有这份坚持，才实践了意义。

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