關于嵌入式軟件分層框架

談思汽車 2023-03-13 11:42

高性能SGT MOS產品，保障BMS高效可靠運行 【8.13 上海】西門子AI原生設計重構芯片到系統全鏈路|7大論壇解密

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為了能夠使得產品得到更好的開發速度與以后更好的迭代和移植，框架分層是很有必要的。但如對于中小型項目嚴格遵循這些原則，勢必會消耗過多精力去思考怎么設計系統，這是一個抉擇的過程。?

一、框架分層是什么？

在嵌入式架構中：一般分為硬件架構與軟件架構。這里是嵌入式軟件設計，也是大多數人接觸的設計。

所謂的分層，也可以理解為模塊化的設計，但是框架分層的設計一般會遵循以下幾點原則：

每個模塊提供的接口要統一，只能增加，不能改。在設計的時候得考慮好兼容性，使用起來麻煩不麻煩等等。
同一級模塊與模塊之間相互獨立，互不影響，不能相互調用，只能調用它下一層的接口。
不同模塊構成不同的層，層與層之間不能跨級調用。
模塊中又可以繼續分層，可以增減分層，這個需要根據自己的項目需求來進行設置。

一般可以分為：硬件驅動層–>功能模塊層–>應用接口層–>業務邏輯層–>應用層

讓我們看看這個經典的圖，簡單了解一下框架分層。

從圖中不難觀察出，設計都是遵循設計的原則的，層與層之間不能相互調用。

二、框架分層的優劣勢

1. 優勢

單一職責：每一層只負責一個職責，職責邊界清晰，不會造成跨級調用，在大型項目中，每個人負責的部分不一樣，加快整個項目的開發進度。
高內聚：分層是把相同的職責放在同一個層中，所有業務邏輯內聚在領域層。在測試的時候，只需要測試該領域的層即可，一般不需要考慮其他層的問題。
低耦合：依賴關系非常簡單，上層只能依賴于下層，沒有循環依賴。
易維護：面對變更容易修改。在平臺更改后，如果只是改了驅動，其他層都不需要動，只需要把驅動層給更改，其他層的功能不需要更改。
易復用：如果功能模塊變動了，只需升級相應的功能模塊，其他的模塊不受影響，應用層也不受影響。

如果想要更好地利用這些優勢，那得嚴格遵循設計的原則。

2. 劣勢

開發成本高：因為多層分別承擔各自的職責，增加功能需要在多個層增加代碼，這樣難免會增加開發成本。但是合理的抽象，根據自己的項目設置合理的層級是能降低開發成本的。
性能略低：業務流需要經過多層代碼的處理，性能會有所消耗。
可擴展性低：因為上下層之間存在耦合度，有些功能變化可能涉及到多層的修改。

有優勢也有劣勢，需要根據自己的項目需要，進行部分的取舍，如果是中小型項目，可以不需要分層（如果不考慮到以后會迭代的話），或者部分分層就夠了，既能利用框架分層的部分優勢，也能降低開發成本。

三、一個簡單的例子

由于主要討論的是軟件框架的分層設計，這里使用STM32cubemx來進行硬件的初始化，盡可能少考慮到硬件驅動的部分。

以一個智能小燈的作為例子：

功能

按鍵控制小燈的亮度，等級為：0，1，2，3
串口可以觀察當前小燈亮度等級
OLED也可以觀察當前小燈亮度等級

下面就是這個例子的一個簡單的圖示。

這和例子比較簡單，業務邏輯層完全可以去除，直接從應用層調用功能模塊層，加快開發進度。

最后附上一點點代碼，就是關于LED如何進行在不同層進行封裝

硬件層

首先看HAL庫生成提供的代碼，這個就是LED

硬件層，也就是GPIO層，cubemx已經生成了，在stm32f4xx_hal_gpio.c（我用的是F4），以及有相應的GPIO的驅動了，這里不需要我們進行處理。

硬件層驅動層

看LED部分的驅動：

也就是下面的這兩個函數

void?MX_TIM1_Init(void);
void?HAL_TIM_MspPostInit(TIM_HandleTypeDef*?timHandle);

/*?TIM1?init?function?*/
void?MX_TIM1_Init(void)
{
??/*?USER?CODE?BEGIN?TIM1_Init?0?*/

??/*?USER?CODE?END?TIM1_Init?0?*/

??TIM_ClockConfigTypeDef?sClockSourceConfig?=?{0};
??TIM_MasterConfigTypeDef?sMasterConfig?=?{0};
??TIM_OC_InitTypeDef?sConfigOC?=?{0};
??TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef?sBreakDeadTimeConfig?=?{0};

??/*?USER?CODE?BEGIN?TIM1_Init?1?*/

??/*?USER?CODE?END?TIM1_Init?1?*/
??htim1.Instance?=?TIM1;
??htim1.Init.Prescaler?=?168-1;
??htim1.Init.CounterMode?=?TIM_COUNTERMODE_UP;
??htim1.Init.Period?=?10000;
??htim1.Init.ClockDivision?=?TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
??htim1.Init.RepetitionCounter?=?0;
??htim1.Init.AutoReloadPreload?=?TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
??if?(HAL_TIM_Base_Init(&htim1)?!=?HAL_OK)
??{
????Error_Handler();
??}
??sClockSourceConfig.ClockSource?=?TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
??if?(HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim1,?&sClockSourceConfig)?!=?HAL_OK)
??{
????Error_Handler();
??}
??if?(HAL_TIM_PWM_Init(&htim1)?!=?HAL_OK)
??{
????Error_Handler();
??}
??sMasterConfig.MasterOutputTrigger?=?TIM_TRGO_RESET;
??sMasterConfig.MasterSlaveMode?=?TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
??if?(HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1,?&sMasterConfig)?!=?HAL_OK)
??{
????Error_Handler();
??}
??sConfigOC.OCMode?=?TIM_OCMODE_PWM1;
??sConfigOC.Pulse?=?0;
??sConfigOC.OCPolarity?=?TIM_OCPOLARITY_HIGH;
??sConfigOC.OCNPolarity?=?TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
??sConfigOC.OCFastMode?=?TIM_OCFAST_DISABLE;
??sConfigOC.OCIdleState?=?TIM_OCIDLESTATE_RESET;
??sConfigOC.OCNIdleState?=?TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
??if?(HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1,?&sConfigOC,?TIM_CHANNEL_2)?!=?HAL_OK)
??{
????Error_Handler();
??}
??sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode?=?TIM_OSSR_DISABLE;
??sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode?=?TIM_OSSI_DISABLE;
??sBreakDeadTimeConfig.LockLevel?=?TIM_LOCKLEVEL_OFF;
??sBreakDeadTimeConfig.DeadTime?=?0;
??sBreakDeadTimeConfig.BreakState?=?TIM_BREAK_DISABLE;
??sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity?=?TIM_BREAKPOLARITY_HIGH;
??sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput?=?TIM_AUTOMATICOUTPUT_DISABLE;
??if?(HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1,?&sBreakDeadTimeConfig)?!=?HAL_OK)
??{
????Error_Handler();
??}
??/*?USER?CODE?BEGIN?TIM1_Init?2?*/

??/*?USER?CODE?END?TIM1_Init?2?*/
??HAL_TIM_MspPostInit(&htim1);

}

void?HAL_TIM_MspPostInit(TIM_HandleTypeDef*?timHandle)
{

??GPIO_InitTypeDef?GPIO_InitStruct?=?{0};
??if(timHandle->Instance==TIM1)
??{
??/*?USER?CODE?BEGIN?TIM1_MspPostInit?0?*/

??/*?USER?CODE?END?TIM1_MspPostInit?0?*/
????__HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
????/**TIM1?GPIO?Configuration
????PE11?????------>?TIM1_CH2
????*/
????GPIO_InitStruct.Pin?=?GPIO_PIN_11;
????GPIO_InitStruct.Mode?=?GPIO_MODE_AF_PP;
????GPIO_InitStruct.Pull?=?GPIO_NOPULL;
????GPIO_InitStruct.Speed?=?GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
????GPIO_InitStruct.Alternate?=?GPIO_AF1_TIM1;
????HAL_GPIO_Init(GPIOE,?&GPIO_InitStruct);

??/*?USER?CODE?BEGIN?TIM1_MspPostInit?1?*/

??/*?USER?CODE?END?TIM1_MspPostInit?1?*/
??}

}

對其進行封裝，就是我們想要的Led小燈的驅動了，到時候如果需要，改驅動直接改底層就行了。

void?Led_init()
{
????MX_TIM1_Init();
????HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_2);//啟動PWM
}

功能模塊層

根據上面的需求要求劃分為四個不同等級，同時也需要對LED驅動進行進一步封裝，以便滿足層與層之間不能跨級調用的原則（到這里是不是發現很麻煩！小項目就不要用啦！）

//ARR計數器設置值為0~10000
#define?LED_GRADE_0??0
#define?LED_GRADE_1??3000
#define?LED_GRADE_2??6000
#define?LED_GRADE_3??10000
//設置LED亮度功能
void?Led_Set_brightness(int?Grade)
{
????if(Grade==LED_GRADE_0)
????{
????????__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,?TIM_CHANNEL_2,?Grade);
????????HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1,TIM_CHANNEL_2);//關閉PWM輸出
????}
????else
????{
????????HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,?TIM_CHANNEL_2,?Grade);
????????__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,?TIM_CHANNEL_2,?Grade);
????}
}

//啟動LED功能
void?Led_Start()
{
????Led_init();
}