嵌入式軟件架構設計

模塊劃分

　　模塊劃分的劃是規劃的意思，意指怎樣合理的將一個(gè)很大的軟件劃分為一系列功能獨立的部分合作完成系統的需求。C語(yǔ)言作為一種結構化的程序設計語(yǔ)言，在模塊的劃分上主要依據功能（依功能進(jìn)行劃分在面向對象設計中成為一個(gè)錯誤，牛頓定律遇到了相對論），C語(yǔ)言模塊化程序設計需理解如下概念：

　?。?） 模塊即是一個(gè).c文件和一個(gè).h文件的結合，頭文件(.h)中是對于該模塊接口的聲明；

　?。?） 某模塊提供給其它模塊調用的外部函數及數據需在.h中文件中冠以extern關(guān)鍵字聲明；

　?。?） 模塊內的函數和全局變量需在.c文件開(kāi)頭冠以static關(guān)鍵字聲明；

　?。?） 永遠不要在.h文件中定義變量！定義變量和聲明變量的區別在于定義會(huì )產(chǎn)生內存分配的操作，是匯編階段的概念；而聲明則只是告訴包含該聲明的模塊在連接階段從其它模塊尋找外部函數和變量。如：

/*module1.h*/
int a = 5; /* 在模塊1的.h文件中定義int a */

/*module1 .c*/
#include module1.h /* 在模塊1中包含模塊1的.h文件 */

/*module2 .c*/
#include module1.h /* 在模塊2中包含模塊1的.h文件 */

/*module3 .c*/
#include module1.h /* 在模塊3中包含模塊1的.h文件 */

　　以上程序的結果是在模塊1、2、3中都定義了整型變量a，a在不同的模塊中對應不同的地址單元，這個(gè)世界上從來(lái)不需要這樣的程序。正確的做法是：

/*module1.h*/
extern int a; /* 在模塊1的.h文件中聲明int a */

/*module1 .c*/
#include module1.h /* 在模塊1中包含模塊1的.h文件 */
int a = 5; /* 在模塊1的.c文件中定義int a */

/*module2 .c*/
#include module1.h /* 在模塊2中包含模塊1的.h文件 */

/*module3 .c*/
#include module1.h /* 在模塊3中包含模塊1的.h文件 */

　　這樣如果模塊1、2、3操作a的話(huà)，對應的是同一片內存單元。

　　一個(gè)嵌入式系統通常包括兩類(lèi)模塊：

　?。?）硬件驅動(dòng)模塊，一種特定硬件對應一個(gè)模塊；

　?。?）軟件功能模塊，其模塊的劃分應滿(mǎn)足低偶合、高內聚的要求。

　　多任務(wù)還是單任務(wù)

　　所謂單任務(wù)系統是指該系統不能支持多任務(wù)并發(fā)操作，宏觀(guān)串行地執行一個(gè)任務(wù)。而多任務(wù)系統則可以宏觀(guān)并行（微觀(guān)上可能串行）地同時(shí)執行多個(gè)任務(wù)。

　　多任務(wù)的并發(fā)執行通常依賴(lài)于一個(gè)多任務(wù)操作系統（OS），多任務(wù)OS的核心是系統調度器，它使用任務(wù)控制塊（TCB）來(lái)管理任務(wù)調度功能。TCB包括任務(wù)的當前狀態(tài)、優(yōu)先級、要等待的事件或資源、任務(wù)程序碼的起始地址、初始堆棧指針等信息。調度器在任務(wù)被激活時(shí)，要用到這些信息。此外，TCB還被用來(lái)存放任務(wù)的上下文（context)。任務(wù)的上下文就是當一個(gè)執行中的任務(wù)被停止時(shí)，所要保存的所有信息。通常，上下文就是計算機當前的狀態(tài)，也即各個(gè)寄存器的內容。當發(fā)生任務(wù)切換時(shí)，當前運行的任務(wù)的上下文被存入TCB，并將要被執行的任務(wù)的上下文從它的TCB中取出，放入各個(gè)寄存器中。

　　嵌入式多任務(wù)OS的典型例子有Vxworks、ucLinux等。嵌入式OS并非遙不可及的神壇之物，我們可以用不到1000行代碼實(shí)現一個(gè)針對80186處理器的功能最簡(jiǎn)單的OS內核，作者正準備進(jìn)行此項工作，希望能將心得貢獻給大家。

　　究竟選擇多任務(wù)還是單任務(wù)方式，依賴(lài)于軟件的體系是否龐大。例如，絕大多數手機程序都是多任務(wù)的，但也有一些小靈通的協(xié)議棧是單任務(wù)的，沒(méi)有操作系統，它們的主程序輪流調用各個(gè)軟件模塊的處理程序，模擬多任務(wù)環(huán)境。

單任務(wù)程序典型架構

　?。?）從CPU復位時(shí)的指定地址開(kāi)始執行；

　?。?）跳轉至匯編代碼startup處執行；

　?。?）跳轉至用戶(hù)主程序main執行，在main中完成：

　　a.初試化各硬件設備；

　　b.初始化各軟件模塊；

　　c.進(jìn)入死循環(huán)（無(wú)限循環(huán)），調用各模塊的處理函數

　　用戶(hù)主程序和各模塊的處理函數都以C語(yǔ)言完成。用戶(hù)主程序最后都進(jìn)入了一個(gè)死循環(huán)，其首選方案是：

while(1)
{
}

　　有的程序員這樣寫(xiě)：

for(;;)
{
}

　　這個(gè)語(yǔ)法沒(méi)有確切表達代碼的含義，我們從for(;;)看不出什么，只有弄明白for(;;)在C語(yǔ)言中意味著(zhù)無(wú)條件循環(huán)才明白其意。

　　下面是幾個(gè)著(zhù)名的死循環(huán)：

　?。?）操作系統是死循環(huán)；

　?。?）WIN32程序是死循環(huán)；

　?。?）嵌入式系統軟件是死循環(huán)；

　?。?）多線(xiàn)程程序的線(xiàn)程處理函數是死循環(huán)。

　　你可能會(huì )辯駁，大聲說(shuō)：凡事都不是絕對的，2、3、4都可以不是死循環(huán)。Yes，you are right，但是你得不到鮮花和掌聲。實(shí)際上，這是一個(gè)沒(méi)有太大意義的牛角尖，因為這個(gè)世界從來(lái)不需要一個(gè)處理完幾個(gè)消息就喊著(zhù)要OS殺死它的WIN32程序，不需要一個(gè)剛開(kāi)始RUN就自行了斷的嵌入式系統，不需要莫名其妙啟動(dòng)一個(gè)做一點(diǎn)事就干掉自己的線(xiàn)程。有時(shí)候，過(guò)于嚴謹制造的不是便利而是麻煩。君不見(jiàn)，五層的TCP/IP協(xié)議棧超越嚴謹的ISO/OSI七層協(xié)議棧大行其道成為事實(shí)上的標準？

　　經(jīng)常有網(wǎng)友討論：

printf(%d,%d,++i,i++); /* 輸出是什么？*/
c = a+++b; /* c=? */

　　等類(lèi)似問(wèn)題。面對這些問(wèn)題，我們只能發(fā)出由衷的感慨：世界上還有很多有意義的事情等著(zhù)我們去消化攝入的食物。

　　實(shí)際上，嵌入式系統要運行到世界末日。

　　中斷服務(wù)程序

　　中斷是嵌入式系統中重要的組成部分，但是在標準C中不包含中斷。許多編譯開(kāi)發(fā)商在標準C上增加了對中斷的支持，提供新的關(guān)鍵字用于標示中斷服務(wù)程序(ISR)，類(lèi)似于__interrupt、#program interrupt等。當一個(gè)函數被定義為ISR的時(shí)候，編譯器會(huì )自動(dòng)為該函數增加中斷服務(wù)程序所需要的中斷現場(chǎng)入棧和出棧代碼。

　　中斷服務(wù)程序需要滿(mǎn)足如下要求：

　　(1)不能返回值；

　　(2)不能向ISR傳遞參數；

　　(3) ISR應該盡可能的短小精悍；

　　(4) printf(char * lpFormatString,…)函數會(huì )帶來(lái)重入和性能問(wèn)題，不能在ISR中采用。

　　在某項目的開(kāi)發(fā)中，我們設計了一個(gè)隊列，在中斷服務(wù)程序中，只是將中斷類(lèi)型添加入該隊列中，在主程序的死循環(huán)中不斷掃描中斷隊列是否有中斷，有則取出隊列中的第一個(gè)中斷類(lèi)型，進(jìn)行相應處理。

/* 存放中斷的隊列 */
typedef struct tagIntQueue
{
int intType; /* 中斷類(lèi)型 */
struct tagIntQueue *next;
}IntQueue;

IntQueue lpIntQueueHead;

__interrupt ISRexample ()
{
int intType;
intType = GetSystemType();
QueueAddTail(lpIntQueueHead, intType)；/* 在隊列尾加入新的中斷 */
}

　　在主程序循環(huán)中判斷是否有中斷：

While(1)
{
If( !IsIntQueueEmpty() )
{
intType = GetFirstInt();
switch(intType) /* 是不是很象WIN32程序的消息解析函數? */
{
/* 對，我們的中斷類(lèi)型解析很類(lèi)似于消息驅動(dòng) */
case xxx: /* 我們稱(chēng)其為中斷驅動(dòng)吧？ */
…
break;
case xxx:
…
break;
…
}
}
}

　　按上述方法設計的中斷服務(wù)程序很小，實(shí)際的工作都交由主程序執行了。

硬件驅動(dòng)模塊

　　一個(gè)硬件驅動(dòng)模塊通常應包括如下函數：

　?。?）中斷服務(wù)程序ISR

　?。?）硬件初始化

　　a.修改寄存器，設置硬件參數（如UART應設置其波特率，AD/DA設備應設置其采樣速率等）；

　　b.將中斷服務(wù)程序入口地址寫(xiě)入中斷向量表：

/* 設置中斷向量表 */
m_myPtr = make_far_pointer(0l); /* 返回void far型指針void far * */
m_myPtr += ITYPE_UART; /* ITYPE_UART： uart中斷服務(wù)程序 */
/* 相對于中斷向量表首地址的偏移 */
*m_myPtr = UART _Isr; /* UART _Isr：UART的中斷服務(wù)程序 */

　?。?）設置CPU針對該硬件的控制線(xiàn)

　　a.如果控制線(xiàn)可作PIO（可編程I/O）和控制信號用，則設置CPU內部對應寄存器使其作為控制信號；

　　b.設置CPU內部的針對該設備的中斷屏蔽位，設置中斷方式（電平觸發(fā)還是邊緣觸發(fā)）。

　?。?）提供一系列針對該設備的操作接口函數。例如，對于LCD，其驅動(dòng)模塊應提供繪制像素、畫(huà)線(xiàn)、繪制矩陣、顯示字符點(diǎn)陣等函數；而對于實(shí)時(shí)鐘，其驅動(dòng)模塊則需提供獲取時(shí)間、設置時(shí)間等函數。

　　C的面向對象化

　　在面向對象的語(yǔ)言里面，出現了類(lèi)的概念。類(lèi)是對特定數據的特定操作的集合體。類(lèi)包含了兩個(gè)范疇：數據和操作。而C語(yǔ)言中的struct僅僅是數據的集合，我們可以利用函數指針將struct模擬為一個(gè)包含數據和操作的類(lèi)。下面的C程序模擬了一個(gè)最簡(jiǎn)單的類(lèi)：

#ifndef C_Class
#define C_Class struct
#endif
C_Class A
{
C_Class A *A_this; /* this指針 */
void (*Foo)(C_Class A *A_this); /* 行為：函數指針 */
int a; /* 數據 */
int b;
};

　　我們可以利用C語(yǔ)言模擬出面向對象的三個(gè)特性：封裝、繼承和多態(tài)，但是更多的時(shí)候，我們只是需要將數據與行為封裝以解決軟件結構混亂的問(wèn)題。C模擬面向對象思想的目的不在于模擬行為本身，而在于解決某些情況下使用C語(yǔ)言編程時(shí)程序整體框架結構分散、數據和函數脫節的問(wèn)題。我們在后續章節會(huì )看到這樣的例子。

　　總結

　　本篇介紹了嵌入式系統編程軟件架構方面的知識，主要包括模塊劃分、多任務(wù)還是單任務(wù)選取、單任務(wù)程序典型架構、中斷服務(wù)程序、硬件驅動(dòng)模塊設計等，從宏觀(guān)上給出了一個(gè)嵌入式系統軟件所包含的主要元素。

　　請記?。很浖Y構是軟件的靈魂！結構混亂的程序面目可憎，調試、測試、維護、升級都極度困難。