嵌入式软件架构基础设施设计方法

简介: 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:

  • • 基础数据结构。
  • • 底层库。比如C标准库、加密库、校验库、工具库等等。
  • • 操作系统/调度机制。包含操作系统以及调度相关服务。
  • • 中间件。比如文件系统、协议栈、数据库等。
  • • 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。
  • • 工具支持。
  • • 统一的编程工具链。
  • • 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:

  • • 软件质量提升,风格的高度一致性
  • • 软件复用性,会提升至一个新的水平
  • • 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。
  • • 为高层模块提供约束和纪律
  • • 有利于团队的技术积累和技术传承
  • • 有利于团队的技术培训
  • • 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 <stdbool.h>
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:

  • • 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。
  • 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:

  • • FatFS
  • • LwIP
  • • FlashDB
  • • uC/Modbus
  • • CAN Festival
  • • 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。

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