HAL、FML、APL分层思想 In Action —— 在“光电心率探测仪”中的应用

背景

　　之前在学习 Zigbee 时，曾发表了一篇博文《嵌入式项目代码结构的分层——HAL、FML、APL》，其中谈到了我在编写的一些经验总结，并在之后的一篇博文中应用了这种分层思想（《Zigbee之旅（十）：基于CC2430的温度监测系统》）。之后呢，则一直被课业和学生工作所围困，很少有时间继续搞嵌入式方面的学习了。

　　呵呵，不过最近机会来了，那就是我们大三下所开设的光电系统课程设计。课设要求同班级的4-5人组成一个小队，从老师提供的几个题目中选择一个进行开发。我们小组选择了“光电心率探测仪”，即制作出一个能够测量实时心率的电子设备。整个课设的流程可以概括为：方案论证 -> 电路板的设计与制作 -> 软件编程 -> 现场演示及答辩。现在我们小组已经完成了电路板的原理图和 PCB 图的设计，并交付厂家制作，下周一可以拿到实物了。在去广埠屯的电子市场把需要的电子元器件购买完毕之后，本周也就闲下来了，于是我开始鼓捣课设的软件开发方面，然后想到：何不把之前所总结的“分层思想”运用到这次的嵌入式编程中呢？对，就这么干！但是在之前我已经有一篇运用的例子（基于 CC2430 的温度监测系统，见上），如果还是完全和以前一样照搬的话，感觉只是换了汤没有换罐子，这篇博文的价值也就几乎为零了~

　　因此本次对“分层思想”的运用，我觉得需要挖掘出一点点新的东西出来，所以就有了下面的“目的”一节：

目的

　　如果说博文《Zigbee之旅（十）：基于CC2430的温度监测系统》更多的只是 开发结果 的静态展示的话，本篇博文则更强调分层思想的具体 运用过程，读者朋友将会收获：

　　√  如何在一个嵌入式项目中运用逐步运用分层思想
　　√  如何绘制分层结构图
　　√  如何在分层结构图的指导下，规划代码的构建顺序

实战

 　　光电系统课设包含硬件、软件的开发，但是本篇博文的仅仅讨论软件开发部分，即一块硬件连通完好的板子已经摆在你的面前了，现在就靠你所写的 code 让它 run 起来~

　　OK，首先我们给出嵌入式软件开发的整体流程图，然后再一步步进行下去：

兄弟们，有活干了！

需求分析的重要性就不多说了，想象一下，若一个系统运行正常，但却不符合设计需求是多大的灾难！！！
大多数情况下，需求的实现者并不是需求的制定者。因此，开发人员必须反复与用户交流，不断完善并最终确定需求。

了解电路版上的硬件资源，以及MCU所提供的功能，据此综合考虑，最终设计出满足用户需求的项目解决方案。

▊ 重点！在下面的论述中，我们会一步步分析，如何分层，如何确定每一层的不同模块，如何建立层与层之间的联系。

根据解决方案，设计程序流程图，通常包括主程序流程图，子程序流程图，中断服务程序流程图。

▊ 终于可以开始着手编程了~首先通过程序结构图来规划代码的构建顺序（这一点在后面的叙述中会详细展开），然后按照既定的顺序迭代式地完成开发过程。

虽然在上面的迭代式开发中，每一阶段都进行了单元测试，但是最终的总体调试是必不可少的。最重要的是，要确保该项目符合最初的需求。如果出现运行错误，修改一下代码应该就可以解决；如果错误来自不正确的需求分析，OMG，测试一万遍也解决不了问题......

公司做产品不是做完了就了事儿，通常会为客户提供后期维护的服务。

当然，究竟能扛多少 years 同时取决于硬件设计与软件设计的好坏~

注：1. 带标记 ▊ 的为本篇博文的着重论述点。
　　2. 流程图中并没有出现“总体设计”和“概要设计”，而是把它们细化成了一些具体的步骤。
　　3. 以上的图文布局，本来是打算采用 table ，但是遇到了一个问题放弃了，于是在 div 中嵌套 img 和 span，然后搅合
点css 实现的，可惜在FireFox下无法正常显示，555，不是专业的 web 开发人员，这浏览器之间的兼容性还真是 eggache 啊~

1. 需求分析

　　课设的需求分析比较简单，一般都是由老师给出一条条的项目要求~下面给出我们老师原版文档内容：

      [光电心率测量仪] 

　　利用光电方法测量人体心率，并通过显示器显示出来，具体要求如下：

　　　　√ 采用51 系列单片机
　　　　√ 要求制作光电测量头
　　　　√ 用 LED数码管显示心率
　　　　√ 具有相关的控制键
　　　　√ 具有声音提示功能
　　　　√ 外接直流供电

　　可以看出，以上包括了硬件开发、软件开发的需求。但由于本篇博文的定位仅涉及软件，所以需要转化一下，滤去硬件部分的需求，如下：

　　　　√ 利用光电探测电路的输出脉冲电平，计算出两次心跳之间的时间间隔，并算出实时心率
　　　　√ 将实时心率同步显示在数码管上，同时通过串口发送到PC中
　　　　√ 若心率过高，蜂鸣器发短音报警；若心率过低，蜂鸣器发长音报警
　　　　√ 通过按键可显示心率最高值、最低值、平均值

2. 熟悉硬件资源，设计解决方案

　　个人认为如果对硬件知识一窍不通的话，做嵌入式软件开发无异于痴人说梦。下面，我们给出本小组设计的“光电心率探测仪”的硬件原理图和 PCB 图：

　　[原理图]

　　分析：整个电路图可分为MCU、晶振、光电心率探测电路、数码管显示电路、按键电路、JTAG调试接口电路、蜂鸣器电路、串口转USB电路以及电源电路。我想接触过嵌入式开发的童鞋，一看到原理图就啥都懂了，不多赘述~

　　[PCB 图]

　　分析：了解一个电路的原理当然是要看原理图了，但 PCB 图更接近最终产品的外观。我不多说，读者朋友能够找到原理图中的每个模块在上图中相对应的位置吧？呵呵~

　　（注：若需要以上两图的清晰版本，请点此下载）

　　在熟悉了电路板上的功能模块之后，我们开始着手项目的解决方案的设计。这里不是本文重点，直接给出，一时看不懂没关系：

　　人体组织对红光半透明，而血液对之不透明，因此当手指的血流量随心脏跳动而改变时，透过指尖的红光的光强会发生改变。我们可以用红色发光二极管 LED照射手指，然后在手指后方放置一个光敏三极管。当透过手指的光强发生波动时，光明二极管的阻值会相应变化，因此其流经的电流也会发生变化。 

　　然后，我们可以对此电流信号进行一系列处理（放大、低通滤波、整流），最终得到方波信号，其正脉冲即表示着心脏的跳动。

　　接下来，我们将此方波信号接到单片机的外部中断口（INT0）上，因此每当一个正脉冲发生时，都会触发单片机的外部中断。我们可以编写外部中断服务子程序：

　　当外部中断第一次发生时，启动 16 位定时器/计数器 T0，设置为计数器模式；此时 T0 就会不断加计数，溢出时会触发计数溢出中断。我们用变量 k（初值为0）将溢出中断的次数记录下来（每溢出一次，k=k+1）。在下一个正脉冲到来时，用 k的值计算出两次脉冲之间的间隔时间t：

　　其中nt为计数器溢出值，n0为计数初值，T 为计数脉冲的周期。接下来，我们就可以利用此间隔时间，计算出实时的心率值N：

　　然后，我们将心率值 N 的百位、十位、个位和十分位提取出来，分别显示到 4 个数码管上。接下来完成声音提示功能：当N < 40 时，控制蜂鸣器发出长音报警；当N > 120时，控制蜂鸣器发出短音报警。 

　　当然，还需要一定的按键，暂配置4个按键：1 个按键用于硬件复位，其他三个按键可通过编程来实现需要的功能。如：1 个按键用于显示心率最大值，1 个按键用于显示心率最小值，剩下1个按键用于显示心率平均值。

3. 规划程序结构

　　OK，现在才进入真正的重点，下面我们来详细介绍，在完成一个项目的方案论证之后，如何进行代码结构的安排，如何将代码规划为HAL（硬件抽象层）、FML（功能模块层）、APL（应用程序层）。

　　首先我们再来回顾一下之前博文中介绍的分层思想：

　　HAL：实现对特定 MCU 内资源 (如定时器、ADC、中断、I/O 等) 的通用驱动配置；隐藏具体的SFR操作细节，为上层提供简单清晰的调用接口。

　　FML：在 HAL 的支持下，实现项目中所使用的电路板板上资源的通用驱动配置；隐藏具体的模块操作细节，并为上层提供简单清晰的调用接口。

　　APL：在 FML 的支持下，实现产品的最终功能，满足客户需求。

　　可以看出，HAL层 仅与特定的 MCU 芯片有关，与 MCU 周围的硬件环境、或应用在哪个具体场景都无关；FML 层仅与当前特定的硬件资源有关，与；而 APL 层仅与特定的项目情景有关，而与采用哪种硬件设备来实现无关。

　　OK，下面我们采用自顶向下的方法来构建三层结构。首先来考虑 APL 层，它是和项目的需求分析密切相关的。我们仔细琢磨项目的需求分析，就可以得出 APL 层所必须要实现的模块：

　　这就是 APL 层的四大模块，而且为了配合迭代式的开发方式，即下一模块的实现建立在上一模块的基础之上，我们把四大模块进行了如上的从左到右的排序。

　　接下来，我们在 APL 的基础之上构建 FML 层。“检测实时心率，并显示在数码管上”，这一模块需要数码管、外部中断、和定时器的配合；“将实时心率发送到PC ”，需要“串口通讯”的支持；“心律异常报警”，需要“蜂鸣器”的支持；“按键显示心率的平均值、最大值、最小值”需要“数码管显示”和“按键”的支持。最终便得到了如下的层次结构图：

　　最后，我们在 FML 层的基础上开始构建 HAL 层，即考虑如何使用 MCU 内的资源实现 FML 层。本项目使用 C8051F310 作为 MCU，它提供了丰富的片上资源，如 "I/O"、"Clock"、"UART"、"Interrupt"、"Comparators"、"SMBus"等（具体见C8051F310 的 datasheet ）。但是不同的项目肯定只用到了其中的一部分。结合硬件原理图，我们分析出：“数码管显示”模块需要 "Clock" 和 "I/O" 的支持；“外部中断”模块需要 "Clock"、"I/O" 和 "Interrupt" 的支持；“定时器”模块需要 "Clock"、"I/O" 和 "Timer" 的支持；“按键”模块需要 "Clock" 和 "I/O" 的支持；“串口通讯”模块需要 "Clock"、"I/O" 和 "UART" 的支持；而“蜂鸣器”模块，则需要 "Clock"、"I/O" 的支持。最终便得出了如下的层次结构图：

　　我们将上面两张图拼起来，然后再顺时针旋转90度，便形成了如下的一目了然的三层结构图了！　　

4. 绘制程序流程图

　　非重点，也是直接给出不作解释：

• 总体流程图
• 外部中断服务程序流程图
• 计数溢出中断服务程序流程图

5. 规划代码构建顺序

　　OK，现在代码结构图有了，程序流程图也有了，那么如何来着手代码构建呢？答案是——增量集成，下面摘自《代码大全》第29章对“增量集成”的介绍（P692）：

　　因此我采用的方法是，以 APL 层中的每一个模块作为开发单元进行迭代式开发。如下图所示，我们从“检测实时心率，并显示在数码管上”开始，然后在 FML 层中寻找与之相关的模块“数码管显示”、“外部中断”、“定时器”，接着在 HAL 层中寻找与 FML 层相关的模块 "Clock"、"I/O"、"Interrupt" 和 "Time"（见如下带有加粗黑框的部分）。这些模块组成一个“树枝”，也就是我们的第一次迭代式开发所涉及到的所有部分。在具体的每个“树枝”的开发中，有三种常见的方法，即：“自顶向下式”、“自底向上式”以及上面两种方法的结合。在此我们采用自顶向下，即首先编写 HAL 层的相关驱动，然后在此基础上构建 FML 层的各模块，最后在此基础上使用代码替换掉 APL 层中的伪代码。

　　依此类推，在完成了第一个“树枝”之后，进行测试。测试完毕再在上一个“树枝”之上进行下一个“树枝”的生长，再测试，再进行下一个“树枝”的生长......长啊长，长啊长，最终长成一棵参天大树啦！

PS：

　　1）事后翻阅《代码大全2》，在“集成”一章中发现了对“增量集成”的策略的详细论述，仔细看了下，我的方法应该是“功能导向的集成”和“T型集成”的混合体吧！在此顺便强烈推荐一下《代码大全2》，它对嵌入式编程也同样有很大的启发作用，是可以一辈子使用的经典巨著！

　　2）此处仅仅介绍“增量集成”的编码思想，下一篇博文中笔者会展示出全部的源代码，并融入“伪代码编程”的想法，向读者展示使用伪代码编程的好处~

7. 总体测试

　　每一次的小测试并不能保证产品在整体上没有错误，所以总体测试是必须滴！板子没到，总体测试就先空着，等以后有时间再补上吧~

优点

　　在博文《嵌入式项目代码结构的分层——HAL、FML、APL》中，笔者只是比较空泛地谈论了分层思想所带来的好处，并没有结合具体项目，这里是个好机会：

1. 可重用性高

　　首先我们假设一个情景，假如说本次课程设计中，班上的另外一个小组也在做一个题目（不一定也是“光电心率探测仪”），但是他们中很多同学都要考 TOEFL/GRE ，时间很紧无法把课设完整地做下来，因此想借鉴一下我的代码，“重用”一下（说的不好听就是抄袭一下啦，这在大学比较普遍但有时也可以理解，呵呵）。好，既然提到“重用”，那我告诉他们我的代码有三层：HAL、FML、APL，你到底想“重用”哪一层呢？呵呵，不妨使用穷举法，2的3次方=8，下面就分8种情况分别讨论吧！

　 【HAL + FML + APL】

　　如果这个小组完全没有时间做课设的话，那就只能三层代码原版照抄啦，条件是所有东西都一样：同样的MCU，同样的电路板，同样的课设选题。

　 【HAL + FML           】

　　如果这个小组使用一样的 MCU，一样的电路板，但是想做不同的题目（即在应用层上做一些改变），那就可以直接使用我已近编好的 HAL 层和 FML 层了，我只需要写一个简单的使用文档提供给他们就行了。

　 【HAL +              APL】

　　如果这个小组选题和我们相同，使用同样的MCU，但是他们自己来做硬件电路板的，那就可以考虑移植 HAL 层和 APL 层的代码了，然后重写 FML 层以适应他们自己的电路板。

　 【            FML + APL】

　　如果该小组使用不同的MCU，同样的电路板，同样的选题的话......额......这种情况也不太容易出现吧，毙掉~

　 【HAL                         】

　　如果该小组只是和我们使用了同样的 MCU，但电路板和选题都不一样的话，那么可以使用我的 HAL 层代码就行，我只需要提供给他们一个 HAL 层说明文档就行。

　 【           FML                 】

　　如果该小组的使用不同的MCU，不同的选题，但是电路板一样的话......饿......等等，这种情况好像不太现实......好吧，打住......

　 【                                  APL】

　　如果这个小组使用不同的MCU，不同的电路板，那么可以考虑只移植 APL 层代买，其他两层代码自己重写写~

　 【无                              】

　　这种情况比较有意思，既然是“无”，那也就是说完全不参考我的code，那么这还叫“重用”吗？呵呵，我想这里的“无”并不是真正意义上的“无”，即使所有的细节都隐入了黑夜，但是分层的思想也是可以借鉴一下的嘛！

2. 可扩展性强

　　如果需要在 APL层 扩展其他的功能，那么只需要在 FML 层中添加一个功能模块即可，非常的方便！

3. 降低了复杂度

　　《代码大全2》中的一个很重要的观点就是，软件的首要技术使命：管理复杂度。我们的大脑可不比电脑，没有谁的大脑能容得下一个现代的计算机程序的所有代码。分层思想可以使嵌入式项目代码以清晰的结构组织起来，让程序员在同一时间内只关注与一件事情（比如说现在只编写 HAL 层代码，下一个时间段仅考虑 FML 层）。这样一来减少脑力负担，减少出错的几率，进一步提高程序员的编码效率。

4. 易于维护

　　一个代码结构清晰，注释完善的源程序，维护起来当然是如鱼得水了！

5. 便于规划开发顺序

　　在层次结构图的指导下，很容易制定出符合增量实现型的代码开发计划。

结语

　　终于写完了正文部分，小累，写一些随感结尾吧~

　　（1）学会活用以往的经验，不管是 web 开发还是 嵌入式开发 等等，它们都属于软件开发，为什么不把一个开发领域的经典思想运用到另一个中呢？或者进一步，

　　（2）再一次推荐一下《代码大全2》这本经典巨著，千万不要被它的名字所迷惑，以为是各种语言的代码示例（笔者大二的时候就是被骗了，泪奔~）。还有，看代码大全最好结合实际的项目开发，一边学习一边实践，会有更大的收获~

　　（3）对于在校大学生来说，一定要认真对待课程设计，即使你的学校再2，老师再挫，也最好不要打酱油。最终对自己负责的还是你自己！

　　（4）写完日志，在博客园中看到了一篇《爱丽丝的发丝——<爱丽丝惊魂记：疯狂再临>制作点滴》，真的被震撼了。博主 Milo 扎实的数学功底、严谨的态度、创新的思维，更重要的是他面对工作时所表现出的一种“良质”，在这个浮躁的社会中真的值得学习！后来看他以前的日志，才发现 Milo 是香港的同胞，从高中开始就兼职游戏编程，之后进入香港某大学完成了本科与研究生的学业。我想，Milo 的强大，是他对游戏编程的兴趣，加上在一流大学中所接受的训练，这两者结合的结果。哎，想想自己，大二之前（不算大二）完全被应试教育所围困，没有兴趣只有分数，也看不到外面的世界。到大二我才开始慢慢转变，到现在终于把十几年的应试价值观推倒，有了自己的一些思考。

　　呵呵，Milo 的强大只能膜拜，不过不是有句话叫做 it's never to say too late 嘛！

　　Diving And Fighting！