常见的嵌入式软件体系结构

本文介绍常见的嵌入式软件体系结构。

在嵌入式开发过程中,尤其是MCU为主控的项目开发中,实时性是需要考虑的重要因素,本文介绍常见的2种嵌入式软件体系结构,并对其优缺点作简要分析,另外,还对它们的软件层次结构做了简要介绍。

1.无操作系统

无操作系统形式包含轮询系统和前后台系统。

1)轮询系统

将系统功能分解称若干个不同的任务,将其放置在一个无限循环中,按顺序循环执行。其伪代码如下。

int main(void)
{
    Hardware_Init();
    Task_Init();
    
    while (1)
    {
        Task1();
        Task2();
        Task3();
    }
    
    return 0;
}

优点:

结构简单。

缺点:

实时性差。任务需延迟一个轮询周期才被执行,若其他任务耗时比较长,则任务无法及时处理某些事件。

开发建议:

可配合状态机消息队列提高系统实时性

2)前后台系统

在轮询系统基础上增加了中断。其中前台为中断服务程序,后台为无限循环中的任务。为了避免中断占用过多时间而影响到其他中断(不复杂的也可以直接在中断中处理),一般在中断服务程序中置位相应标志位,而在无限循环任务中查询标志位再进行处理。其伪代码如下。

int main(void)
{
    
### 嵌入式软件的分层架构及设计原则 嵌入式系统的软件架构通常采用分层设计的方法来提高可维护性和扩展性。这种分层结构使得不同层次的功能能够独立开发和测试,从而降低复杂度并增强系统的可靠性。 #### 分层架构概述 嵌入式软件的分层架构一般可以划分为多个层次,每一层都有其特定的责任范围。常见的分层模型如下: 1. **硬件驱动层** 这一层负责直接与底层硬件交互,提供对硬件资源的操作接口。它主要包括设备驱动程序以及中断处理机制[^2]。通过这一层,上层软件无需关心具体的硬件实现细节即可完成操作。 2. **功能模块层** 功能模块层封装了一些通用的基础服务函数,比如通信协议栈、文件系统管理等功能组件。这些模块具有较高的重用价值,在不同的项目之间可能被多次调用。 3. **应用接口层 (API 层)** 应用接口层向上提供了标准化的应用编程接口(API),隐藏了下层复杂的实现逻辑。开发者可以通过调用简单的 API 来访问所需的服务而不需要深入了解内部工作机制。 4. **业务逻辑层** 此处定义的是具体应用程序的核心算法或者流程控制部分。它是整个系统中最体现个性化需求的地方之一,包含了针对目标领域特制的数据处理方式等要素。 5. **应用层** 最高层级即为最终呈现给用户的界面或者是与其他外部实体互动的部分。这里主要关注用户体验优化方面的工作,例如图形化UI展示或是网络传输数据格式转换等内容。 #### 设计原则分析 为了构建高效稳定的嵌入式系统,遵循一定的设计准则至关重要: - **模块化**: 将整体解决方案分解成若干相对独立的小型子单元——也就是所谓的“模块”。这样做的好处在于不仅便于单独调试验证各个组成部分是否正常运作;而且当未来需要修改某一部分时也更加容易做到不影响其他区域[^1]。 - **抽象化**: 对于某些频繁使用的低级别操作过程应当予以适当程度上的提炼概括形成更高层面的概念表述形式以便简化高层次描述中的繁琐细节展现。 - **实时响应能力保障**: 鉴于很多场合下的嵌入式装置都需要满足严格的时限约束条件因此在其软体规划阶段就必须充分考虑到这一点并通过合理安排优先级等方式确保关键任务能够在规定时间内得到执行. 下面给出一段伪代码用于演示如何按照上述理念组织实际编码工作: ```c // Hardware Driver Layer Example void initialize_hardware() { configure_gpio_pins(); // Configure GPIO pins as input/output. } // Function Module Layer Example int read_temperature_sensor() { int raw_data = adc_read(TEMPERATURE_CHANNEL); // Read from ADC channel dedicated to temperature sensor. float voltage = convert_raw_to_voltage(raw_data); return calculate_temperature(voltage); } // Application Interface Layer Example float get_current_temperature() { return read_temperature_sensor(); } ``` 以上例子展示了从最基础的硬件初始化到获取当前温度这样一个完整的链路是如何依据分层思想逐步搭建起来的过程。
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