嵌入式软件架构基础设施设计方法
大家好，今天分享一篇嵌入式软件架构设计相关的文章。
软件架构这东西，众说纷纭，各有观点。在我看来，软件架构是软件系统的基本结构，包含其组件、组件之间的关系、组件设计与演进的规则，以及体现这些规则的基础设施。
软件架构，从来不是一件容易事，它贯穿在产品的整个生命周期，需要所有团队成员遵守并自律，才能将架构思想在软件中体现。新手工程师，由于经历的项目太少，看不到项目全貌，很难从全局理解软件架构。但软件架构真的只是资深工程师的专利吗？这个也不见得。
古人作文，讲究立意为先。今天工程师做项目和产品，也应该先立意。这个意，就是指要有高度。工程师入门能从软件架构的高度出发，看待软件问题，相信对软件的理解，会更加深刻一些。因此，我总结了软件架构的六个步骤，供嵌入式工程师参考。
上次谈到了嵌入式软件架构的第一个步骤，抽象层。建立抽象层（HAL或者DAL）的目的，是为了隔离硬件，让代码与硬件无关。即使整个项目的代码，由某工程师一个人完成，抽象层仍是是有必要的。
但这次我们要聊的是，统一的基础设施，这是针对多人合作一个项目，或者多个项目共享同一个系统架构的情况。
如果说，你手头的项目，没有与他人合作，也不会有后续的相关项目，软件基础设施这一步，可以直接跳过。
基础设施，分为硬件基础设施和软件基础设施。硬件基础设施，包含常用器件库、封装库、原理图库和硬件参考设计等等；而今天我们讨论的重点，主要在于软件基础设施。软件基础设施包含以下内容：
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• 基础数据结构。
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• 底层库。比如C标准库、加密库、校验库、工具库等等。
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• 操作系统/调度机制。包含操作系统以及调度相关服务。
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• 中间件。比如文件系统、协议栈、数据库等。
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• 框架与机制。比如消息通信机制、事件驱动机制、状态机框架、行为树框架。
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• 工具支持。
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• 统一的编程工具链。
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• 统一的代码风格和编程规范。
在一些小公司粗放的开发模式中，并不规定工程师所依赖的软件平台、硬件平台和工具，而是由工程师自己决定。很多工程师，也喜欢这种自由奔放的开发模式，认为只有在这种环境中，才能发挥自身创造力。这种认知是有偏差的，这个我们后续找机会详细讨论。
随着小公司研发能力的提升，对软件基础设施进行约束和规定，几乎是注定的事情。因为软件区别于其他技术的本质，是在于其复用性。
复用程度越高的软件，质量越高，对开发效率和开发质量的提升，就越大。无论从公司的降本增效还是科学管理的角度，都有着强大的动机，去统一软件基础设施。当软件的基础设施统一之后，会产生如下优点：
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• 软件质量提升，风格的高度一致性
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• 软件复用性，会提升至一个新的水平
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• 将可复用的功能，尽量抽象到基础设施层，减少软件冗余，提升开发效率。
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• 为高层模块提供约束和纪律
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• 有利于团队的技术积累和技术传承
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• 有利于团队的技术培训
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• 是团队进行单元测试和测试驱动开发，以及跨平台开发的前提。
因此，是否统一，根本不是一个有争议的问题；如何统一，才是今天我们的重点。
一、基础类型与宏定义
统一的软件基础设施的前提，就是声明统一的基础数据类型和宏，以克服不同的硬件平台和编译器的差异性。
比如下面是我从开源项目EventOS中摘录出来的代码，不见得很完整，只能代表在我在项目里需求。
#include
typedef unsigned int eos_u32_t;
typedef signed int eos_s32_t;
typedef unsigned short eos_u16_t;
typedef signed short eos_s16_t;
typedef unsigned char eos_u8_t;
typedef signed char eos_s8_t;
typedef bool eos_bool_t;
#define EOS_NULL ((void *)0)
#define EOS_U32_MAX (0xffffffffU)
#define EOS_U32_MIN (0U)
#define EOS_U16_MAX (0xffffU)
#define EOS_U16_MIN (0U)
#define EOS_U8_MAX (0xffU)
#define EOS_U8_MIN (0U) 编译器相关的宏定义。使用宏，屏蔽掉编译器的差异，会
/* Compiler Related Definitions */
#if defined(__ARMCC_VERSION) /* ARM Compiler */
#define eos_section(x) __attribute__((section(x)))
#define eos_used __attribute__((used))
#define eos_align(n) __attribute__((aligned(n)))
#define eos_weak __attribute__((weak))
#define eos_inline static __inline
#elif defined (__GNUC__) /* GNU GCC Compiler */
#define eos_section(x) __attribute__((section(x)))
#define eos_used __attribute__((used))
#define eos_align(n) __attribute__((aligned(n)))
#define eos_weak __attribute__((weak))
#define eos_inline static __inline
#elif defined (__IAR_SYSTEMS_ICC__) /* for IAR Compiler */
#define eos_section(x) @ x
#define eos_used __root
#define eos_align(n) PRAGMA(data_alignment=n)
#define eos_weak __weak
#define eos_inline static inline
#else
#error "The current compiler is not supported. "
#endif一些常用的数据结构。这些数据结构，与硬件和编译器无关，是在代码中频繁使用，并在多个模块间共享的数据结构，有必要将其提升至基础设施的层面进行支持，以避免各个模块，对同一个数据类型，进行不同的定义带来的数据转换问题。
这些数据结构，与产品紧密相关，不同的产品类型之间，各自是不同的。比如下面的定义。
typedef struct eos_date
{
eos_u32_t year : 16;
eos_u32_t month : 8;
eos_u32_t day : 8;
} eos_date_t;
typedef struct eos_time
{
eos_u32_t hour : 8;
eos_u32_t minute : 8;
eos_u32_t second : 6;
eos_u32_t ms : 10;
} eos_time_t;
typedef struct eos_imu_data
{
float acc[3];
float gyr[3];
float mag[3];
} eos_imu_data_t;二、操作系统
有些芯片的资源太小，是不能运行操作系统的。这些芯片，一般而言，也没有办法建立严谨的嵌入式软件架构，我们会在后续《小资源芯片的软件开发平台》中，单独进行讨论。这里只讨论芯片的。
不同的芯片，所能跑的操作系统是不同的。但如果要建立软件基础设施，应该尽量选取同一个操作系统。
在现存的操作系统中，FreeRTOS和国产RT-Thread对各种不同的硬件架构的芯片，支持比较广泛，可以作为RTOS的首选。
而当产品线异常丰富时，特别是使用了某些小众芯片，或者使用芯片商提供的操作系统时，就没有办法建立统一的软件基础设施。这时，有两个办法解决这一问题：
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• 编写高层模块时，使用宏定义和条件编译，选择对应的RTOS API。这种一般用于所使用的操作系统较少的情况，比如说只有两三种。
static void *task_handler = NULL;
static void task_func_module_one(void *parameter);
void module_one_init(void)
{
/* Newly creating a task to run the module. */
#if (EOS_RTOS_NAME == EOS_RTOS_NAME_FREERTOS)
xTaskCreate(task_func_module_one,
"TaskModule", 2048, NULL, 2,
(TaskHandle_t *)&task_handler);
#elif (EOS_RTOS_NAME == EOS_RTOS_NAME_RTTHREAD)
task_handler = rt_thread_create("led1", task_func_module_one, NULL,
2048, 2, 20);
#else
eos_assert(false);
#endif
eos_assert(task_handler != NULL);
}
/* The task function of the module one. */
static void task_func_module_one(void *parameter)
{
(void)parameter;
/* Initialization. */
while (1)
{
/* Add the task function. */
}
}-
• 建立操作系统抽象层（OSAL，Operating System Abstraction Layer），以屏蔽操作系统的差异，使高层模块依赖于OSAL。这种情况适合于资源丰富的情况。
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著名的POSIX标准，就是为了建立OSAL的，FreeRTOS和RT-Thread都在不同程度上对POSIX标准进行了支持；在 v嵌入式领域，CMSIS_OS也是为了建立操作系统的统一接口；但无论是POSIX和CMSIS_OS，被各RTOS支持的力度是不同，因此如果我们产品中需要建立严谨的嵌入式软件架构，还是要建立属于自己的OSAL，以便屏蔽掉操作系统的不同带来的差异。
三、中间件
中间件有很多类型，文件系统、各种协议栈、数据库、日志模块、Shell模块，都属于中间件的范畴。但在大部分情况下，这些也都属于软件基础设施的范畴。
因为我们一旦选择某个中间件，一般来说，是没有必要更换的，正是由于这种稳定性，中间件也可以纳入软件基础设施的范畴。以下是我经常使用的开源中间件：
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• FatFS
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• LwIP
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• FlashDB
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• uC/Modbus
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• CAN Festival
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• letter-shell
开源中间件，只占据了一小部分。实际产品中，中间件的大部分，都是产品或者项目私有的代码。我日常所使用的主要有： 日志模块 数据采集模块 通讯传输层协议 通讯应用层协议 文件传输协议 OTA功能 * 时间同步
中间件，占据了软件基础设施的大部分内容。在产品开发中，之所以软件复用性能够做到越来越高，中间件的积累，是一个很重要的原因。
四、框架与机制
在不同的产品上，开发嵌入式软件，除了RTOS之外，很多产品还需要一些框架的支持。常见的框架包括： 外设与驱动框架 设备框架 消息框架 状态机框架 行为树框架 事件驱动框架
这些框架的使用，与产品的特性相关，由产品和需求所决定。比如家庭服务机器人中，需要应用状态机框架和行为树框架，来应对复杂的应用层逻辑。而某些应用层逻辑比较简单的产品，就不需要使用状态机和行为树。
软件基础设施与硬件的关系
嵌入式软件有一个区别于其他软件领域的重要特性，那就是直接依赖于硬件。软件基础设施，有很多也是需要硬件去体现和承载。比如文件系统，在规定某个源代码比如FatFS作为其文件系统解决方案的同时，所伴随的硬件驱动程序和硬件推荐设计，也往往被固化，以便在下一个项目中进行复用，并节约时间。
对于一些重要的且复杂的软件基础设施，如文件系统、网络等，由于调试和测试都比较耗时，一般推荐固化硬件设计的方式。硬件工程师，应优先对这些重要且复杂的软件基础设置，分配硬件资源，而硬件的其他工程，比如IO、ADC等，再行分配。
结论
嵌入式软件基础设施，非常重要，根据项目与产品的不同，它所包含的内容也不尽相同。一般在项目启动时，就会初步选定一些软件基础设施的内容，比如RTOS、协议栈、文件系统等等。
需要指出的是，软件基础设施，也不是不变的，而是随着产品开发发展，不断会有新的组件和元素，加入到软件基础设施中去，也有可能会剥离掉旧的组件，就像生物的新陈代谢。
软件基础设施的新陈代谢，要温和，要相对稳定，添加和删除，都要执行谨慎原则。