嵌入式软件架构的设计

大多数嵌入式程序员学习编程，都是从开发板的附带例程开始。之后工作也会继续参考那些例程，很多编程习惯、方式也会受之影响。

其实开发板式的编程方式与工作中实际需求的并不完全一致。

开发板的通常卖给初学者，注重“即插即用”，兼容各种模块，讲究功能的全面而不讲究性能、效率、成本、功耗等。很多时候为了兼容各种型号IC或者显示屏之类，程序累赘，逻辑混乱。开发板的程序往往是一个人完成，不需要讲究多人合作，这也影响了其编程方式。

实际工作中，开发一款产品，需要讲究成本（物料，开发，加工），稳定性，功耗（比如电池产品）。通常，由于项目开始的时候，往往没有明确的需求，或者在确认需求后却由于种种原因多次更改需求，为了更好的开发，编程方式更侧重于程序的移植性（需求变化可能导致更改MCU等），可读性（换人还能快速接手），稳健性。

当一个项目变得复杂，代码量很大时，往往需要一个良好的软件架构。否则很容易造成程序逻辑混乱，顾此失彼，移植困难，灵活性差。

一、分层

对软件进行分层，容易实现高内聚低耦合。

分层的原则有：1单向逐层调用；2针对接口编程；3依赖倒置；4封装变化。

分层数目，太多会导致产生不必要的开销，太少又会导致系统分离不够，结构不合理。

下图为安卓系统的软件层次体系

二、三层架构

回顾一下，软件开发流程一般为分为下面若干阶段：需求分析，概要设计，详细设计，编码，测试，交付验收，维护。

这里必须明白一点，包含单片机开发的项目一般都不会是纯粹的软件项目，甚至单片机软件本身都不一定是项目最重要的一部分。此类项目一般还会包括机械结构设计，平面设计，交互设计等等。

一个项目的生命周期，一般由四个主要阶段构成：概念阶段，定义阶段、开发阶段和结束阶段。

嵌入式软件工程师，通常会在定义阶段开始参与，协助主管做项目可行性分析。立项之后，再作需求分析。然而问题往往出现在这里：需求不明确，或者需求随意更改。这里不要说什么职责，责任范围，问责之类，毕竟理论是一回事，实际又是一回事。比如老板空降一个特别需求，主管也只能往下扔，你倒是敢向老板问责？

所以，为了更好地完成任务，一个灵活而合适的软件架构，是非常必须的。

一般使用单片机（比如STM32）开发的项目，分层数目为3比较合适。从下到上，分别为硬件驱动层（底层）、模块功能层（中间层）、业务逻辑层（顶层）。

硬件驱动层：包括MCU片内资源驱动代码与外部各类IC的底层驱动代码，MCU片内驱动代码与IC驱动代码最好也能各自保持独立。向上提供API接口。

模块功能层：隔离顶层与底层，实现与提供顶层所需的API接口。

业务逻辑层：具体业务逻辑代码，也可以说是应用层。

构建工程文件时，为各层建立单独文件夹，而MCU库，操作系统代码，文件系统代码，USB库，GUI系统代码等等独立部件也要单独设立文件夹。这有利于需要时方便地更换或者删除、添加。

在编程时，要遵循上面的几个分层原则。分层有时会导致性能下降，对性能要求高的关键地方，可灵活运用函数指针，内联，甚至函数别名减少开销。

假设，一个项目原本只需要显示静态图片，后来需求更改，还需要播放视频。之后选择修改方案：更换MCU，使用更大外置存储器。

那么，1.底层，我们只需要将原来的MCU相关代码与存储器IC驱动替换掉。2.中间层，添加视频播放相关API函数。

这样原来的代码大多还能复用，节省不少时间。

假如需求不变，只是更换一些功能IC（比如考虑成本，或者断货，或者新出的更好IC），甚至只需要更换硬件驱动层相关 IC文件即可。

三、举例

下面以一个实际项目为例做参考。

某项目用到显示屏显示网络数据。以显示模块为例，解析3层架构的运用。假设显示屏驱动为st7789,MCU采用FSMC方式st7789,定时器pwm控制背光。

下面只是说明显示模块部分。

1.硬件驱动层（底层）：两个c文件以及对应头文件：单片机内部资源驱动文件mcu_bsp_drv.c，st7789驱动文件lcd_drv.c 。

mcu_bsp_drv.c，包括所有的各个功能模块所需要的MCU资源的初始化驱动代码，并且每个模块只用一个函数并且以_mcu_init结尾。这类函数一般只用一次，不要怕又臭又长，但必须要有详细的注释说明。显示模块初始化函数命名为lcd_mcu_init();

lcd_drv.c，这实际上是st7789的驱动文件，为什么不命名为st7789.c呢？因为如果更换了驱动IC，也不需要修改中间层的头文件包含代码。对于显示模块，一般需要提供一下接口：初始化函数，画点函数，单色方块填充函数，数据填充函数，显示打开关闭函数，背光控制函数。命名方式为lcd_drv_xxx()。这些函数在lcd_drv.h中声明，为中间层显式提供API；

2.模块功能层（中间层）：lcd_api.c以及对应头文件

中间层实现显示相关函数：初始化函数，背光控制函数，各种几何图形（直线，圆，方框等）绘制函数，各种控件（窗口，按钮等）绘制函数，假如使用了第三方GUI系统，这些就不需要自己实现了。

3.业务逻辑层（顶层）：这一层与具体业务有关，也是程序员最花时间与精力的一部分。如果业务复杂，还可以细化分层。