嵌入式系统软件架构浅析

软件架构，就是软件的结构，包含软件元素（模块构件等）、外部接口及其相互关系。

1.软件架构的作用

1. 做到嵌入式软件的代码逻辑清晰，且避免重复造轮子；
2. 架构设计有利于软件的移植，没有架构，代码混乱，移植将非常痛苦；
3. 能最大限度地复用原有的代码；
4. 使代码高内聚低耦合，维护和修改简单方便。

2.设计思路

2.1架构风格

嵌入式系统软件与硬件联系紧密。首先想到要将硬件的驱动程序和功能应用的程序分开，且相对独立，做到高内聚、低耦合。最常用的方法就是模块化设计，就是将驱动程序、功能程序封装成一个个独立的模块，模块留出接口，方便组合（联想一下乐高的缺口）。

另外，嵌入式软件除了有硬件，还有对硬件的功能操作、一些控制算法等，为了便于移植和扩充，我们可以采用分层的思想，将不同特性的代码放在不同的逻辑层上。

简而言之，我们的嵌入式架构风格就是功能模块化设计、分层设计。

2.2 架构分析

⑴模块化设计：

将收集到的需求，进行归类，总结和分析，将这些需求概括为一个个单独的功能，每一个功能，做成一个单独的功能模块。

用C语言编写模块时，需要理解以下几点：

1. 模块由一个.c文件和一个.h文件组成，头文件(.h)中是对于该模块接口的声明；
2. 某模块提供给其它模块调用的外部函数及数据需在.h中文件中冠以extern关键字声明；
3. 模块内的函数和全局变量需在.c文件开头冠以static关键字声明；
4. 永远不要在.h文件中定义变量，若头文件被多个源文件包含，则会多出几个内存单元。

嵌入式系统通常包括两类模块：

①硬件驱动模块，一种特定硬件对应一个模块；

②软件功能模块，其模块的划分应满足高内聚、低耦合的要求。

⑵分层设计：

1. 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API。
2. 功能模块对外调用的模块封装成一个个API，将底层驱动做个API以供功能模块调用。（各个功能模块可以独立编译（如通信模块纯ANSI C，可在任意平台复用），或者调用驱动层接口（日志库模块调用了驱动读写Flash），总之，封装出各个功能独立的可复用的功能模块。）
3. API分为驱动层API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)

⑶层数不宜过多

分层结构有利于清晰的划分系统职责，实现系统的解耦，但是每多一个层次，就意味着性能的一次损失。尤其是当层和层之间需要传递大量数据的时候。对嵌入式系统而言，在采用分层结构时要控制层次数量，并且尽量不要传递大量数据，尤其是在不同进程的层次之间。如果一定要传递数据，要避免大量的数据格式转换，如XML到二进制，C++结构到Python结构。嵌入式系统能力有限，一定要将有限的能力用在系统的核心功能上。

⑷举例说明：

总体分成：硬件驱动层-->功能模块层-->业务逻辑层-->应用层。

对于简单的嵌入式系统，可能不需要分这么多层，有时只要应用层和硬件驱动层即可。

总体结构示意框图：（下面是带操作系统的）

以上只是举例，具体架构要根据项目的实际情况设计

说明：
1.层与层之间不能跨层调用。
2.模块与模块各自独立，无依赖关系。
3.模块提供统一的接口供上层调用，模块的内外接口分明。
4.模块的功能只能增，不能改。
5.各个功能模块层也还可以进行继续分层，比如接口层、驱动层、硬件层。

2.3 模块层次说明

⑴硬件抽象层（HAL）

硬件抽象层包含板载硬件资源正常运行所需的所有驱动程序并提供API给功能模块调用。

通常硬件驱动模块包括：

①硬件初始化——设置硬件参数，分配所需资源，如内存、中断向量等；

②设备操作接口函数——完成设备指定的功能；

③中断服务程序——系统通过中断服务程序实现与外部事件的交互（对应OS内核的中断对象）。

HAL包括两层：

1. 底层是片内外设驱动；
2. 上层是板级支持包（BSP）：硬件模块初始化、操作接口、ISR。

⑵功能模块层

功能模块层包括实现具体功能的函数，通过调用驱动层API实现相应功能，同时提供可调用的API给业务逻辑层。

该层也可以称为中间件（middleware），提供具有标准程序接口和协议的通用服务，取得了相对稳定的应用软件开发和运行环境。

⑶业务逻辑层

业务逻辑层包括产品整体功能的各个业务流程，通过调用功能模块层的API实现。

⑷应用层

应用层将各个业务逻辑进行整合调用，完成整个产品的功能。

3.最后

最后提出一个问题，为什么要用面向过程（OP）的程序设计，而不用面向对象（OO）？
要解答这个问题，我们先问下面几个问题：
①系统中有多个相同或相似类型的实体吗？
②面向对象操作是否更容易组织和编写代码？
如果这两个答案都是否定的，则用面向过程的程序设计。
面向过程程序设计，向上层提供的是模块操作接口；面向对象程序设计，向上层提供的是模块抽象的类结构（或对象）。
在面向过程的编程中，也可以部分使用面向对象编程。