嵌入式软件架构的六个步骤（二）软件基础设施

原创已于 2023-01-26 18:52:26 修改 · 4.5k 阅读

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#架构 #中间件 #java

于 2023-01-26 18:49:56 首次发布

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本文围绕嵌入式软件架构展开，重点讨论统一的软件基础设施。介绍了其包含基础数据结构、底层库、操作系统等内容，阐述统一的必要性及优点。还分别从基础类型与宏定义、操作系统、中间件、框架与机制方面说明统一方法，强调其与硬件的关系及重要性。

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。包含操作系统或及调度相关服务。
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。比如下面是我从自己的开源项目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，他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。只是，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。
施，非常重要，根据项目与产品的不同，他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。只是，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。