嵌入式系统设计模式：构建高效、可靠的嵌入式应用

boringhex.top

已于 2024-12-31 09:48:55 修改

阅读量1k

点赞数 21

分类专栏： MCU 文章标签：设计模式

于 2024-12-31 09:43:55 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/PengWon/article/details/144841203

版权

MCU 专栏收录该内容

99 篇文章

订阅专栏

在当今快速发展的科技时代，嵌入式系统无处不在，从小型物联网设备到复杂的工业控制系统，嵌入式技术的应用场景越来越广泛。然而，嵌入式系统的开发却面临着诸多挑战：资源受限、实时性要求高、系统复杂性不断增加。为了应对这些挑战，设计模式作为一种 proven 的解决方案，被广泛应用于嵌入式系统的开发中。

在这篇文章中，我们将深入探讨嵌入式系统设计模式，帮助开发者们更好地理解和应用这些模式，从而构建出更加高效、可靠的嵌入式应用。

为什么要关注设计模式？

设计模式是经过验证的、通用的解决方案，用于解决软件设计中常见的问题。它们提供了一种标准化的方式来处理设计中的复杂性，使得代码更加模块化、可重用和易于维护。

在嵌入式系统中，资源通常是有限的，系统必须在严格的实时性要求下运行。因此，选择合适的设计模式显得尤为重要。设计模式可以帮助开发者们在有限的资源下，实现高效的系统设计，同时保证系统的可靠性和可维护性。

嵌入式系统设计模式的分类

嵌入式系统设计模式可以根据其应用场景和功能进行分类。常见的分类包括：

创建型模式（Creational Patterns）：关注对象的创建，使得系统独立于如何创建、组合和表示这些对象。
结构型模式（Structural Patterns）：处理类和对象的组合，通过组合来实现更加复杂的功能。
行为型模式（Behavioral Patterns）：描述类或对象之间怎样交互及如何分配职责。

此外，还有一些特定于嵌入式系统的模式，如并发模式、状态机模式等，这些模式针对嵌入式系统的特殊需求提供了更加专业的解决方案。

在嵌入式软件设计中，设计模式同样具有重要的应用价值。嵌入式系统通常具有资源受限、实时性要求高、硬件依赖性强的特点，因此设计模式可以帮助开发者更好地管理复杂性、提高代码的可维护性和可扩展性。以下是一些在嵌入式软件设计中常用的设计模式及其应用实例。

1. 创建型模式

创建型模式用于管理对象的创建过程，确保系统在资源受限的环境中高效地创建和使用对象。

实例：

单例模式（Singleton）：

应用场景：确保系统中只有一个实例来管理硬件资源，如GPIO、定时器、串口等。
示例：GPIO管理器、定时器管理器。

代码示例：

typedef struct {
    int pin;
} GPIO_Manager;

static GPIO_Manager* instance = NULL;

GPIO_Manager* GPIO_Manager_GetInstance(int pin) {
    if (instance == NULL) {
        instance = (GPIO_Manager*)malloc(sizeof(GPIO_Manager));
        instance->pin = pin;
    }
    return instance;
}

工厂方法模式（Factory Method）：

应用场景：根据硬件平台或配置创建不同的设备驱动。
示例：创建不同类型的传感器驱动。

代码示例：

typedef struct {
    void (*read)(void);
} Sensor;

Sensor* Sensor_Create(const char* type) {
    if (strcmp(type, "Temperature") == 0) {
        return TemperatureSensor_Create();
    } else if (strcmp(type, "Humidity") == 0) {
        return HumiditySensor_Create();
    }
    return NULL;
}

2. 结构型模式

结构型模式用于组织类和对象的结构，使其更易于管理和扩展。

实例：

适配器模式（Adapter）：

应用场景：将不同硬件接口适配到统一的软件接口。
示例：将不同厂商的传感器接口适配到统一的读取接口。

代码示例：

typedef struct {
    int (*read)(void);
} SensorInterface;

int AcmeSensor_Read() {
    return AcmeSensor_ReadRaw();
}

SensorInterface AcmeSensor_Adapter = {
    .read = AcmeSensor_Read
};

代理模式（Proxy）：

应用场景：控制对硬件资源的访问，如限制对某个设备的并发访问。
示例：串口通信的访问控制。

代码示例：

typedef struct {
    void (*send)(const char* data);
} UART_Proxy;

void UART_Send(const char* data) {
    // 控制对串口的访问
    if (UART_IsBusy()) {
        return;
    }
    UART_SendData(data);
}

UART_Proxy uartProxy = {
    .send = UART_Send
};

3. 行为型模式

行为型模式用于管理对象之间的交互和职责分配，确保系统在实时性要求高的环境中高效运行。

实例：

观察者模式（Observer）：

应用场景：在硬件事件发生时通知多个任务或模块。
示例：按键按下时通知多个任务。

代码示例：

typedef struct {
    void (*notify)(void);
} Observer;

Observer* observers[10];
int observerCount = 0;

void Button_Notify() {
    for (int i = 0; i < observerCount; i++) {
        observers[i]->notify();
    }
}

void Button_Press() {
    Button_Notify();
}

状态模式（State）：

应用场景：管理设备的状态转换，如电源管理、通信协议状态机。
示例：电源管理状态机。

代码示例：

typedef struct {
    void (*handle)(void);
} State;

State* currentState;

void State_Idle() {
    printf("Idle State\n");
}

void State_Active() {
    printf("Active State\n");
}

void State_Handle() {
    currentState->handle();
}

4. 并发模式

并发模式用于管理多任务环境中的资源竞争和任务调度。

实例：

互斥锁模式（Mutex）：

应用场景：保护共享资源，如全局变量、硬件寄存器。
示例：保护对共享内存的访问。

代码示例：

typedef struct {
    int locked;
} Mutex;

void Mutex_Lock(Mutex* mutex) {
    while (mutex->locked) {}
    mutex->locked = 1;
}

void Mutex_Unlock(Mutex* mutex) {
    mutex->locked = 0;
}

消息队列模式（Message Queue）：

应用场景：在任务之间传递数据，避免直接共享内存。
示例：任务间通信。

代码示例：

typedef struct {
    int data[10];
    int head;
    int tail;
} MessageQueue;

void MessageQueue_Push(MessageQueue* queue, int data) {
    queue->data[queue->tail] = data;
    queue->tail = (queue->tail + 1) % 10;
}

int MessageQueue_Pop(MessageQueue* queue) {
    int data = queue->data[queue->head];
    queue->head = (queue->head + 1) % 10;
    return data;
}