单片

可能很多工程师,工作了很多年,都不会有软件架构的概念。

 因为我在做研发工程师的第6年,才开始意识到这个东西,在此之前,都是做一些比较简单的项目,一个main函数干到底,架构复杂了反而是累赘。

后面有幸,接触了稍微复杂点的项目,感觉以前水平Hold不住,然后借着项目需求,学习了很多优秀的代码架构,比如以前同事的,一些模组厂的SDK,还有市面上成熟的系统。

说出来可能有点夸张,一个好项目带来的成长,顶你做几年小项目。

在一个工程师从入门到成为高级工程师,都会经历哪些软件架构?          

下面给大家盘点一下,每个都提供了简易的架构模型代码,难度循环渐进。

1、线性架构

这是最简单的一种程序设计方法,也就是我们在入门时写的,下面是一个使用C语言编写的线性架构示例:

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 延时函数,用于产生一定的延迟void delay(unsigned int count) 
{    
    unsigned int i;    
    while(count--) 
    {        
        for(i = 0; i < 120; i++) {}  // 空循环,用于产生延迟    
    }
}

void main() 
{    
    // 初始设置P1端口为输出模式,用于控制LED    
    P1 = 0xFF;  // 将P1端口设置为高电平,关闭所有LED
   
   while(1) 
   {  // 无限循环
       P1 = 0x00;  // 将P1端口设置为低电平,点亮所有LED        
       delay(500000);  // 调用延时函数,延迟一段时间
      P1 = 0xFF;  // 将P1端口设置为高电平,关闭所有LED        
      delay(500000);  // 再次调用延时函数,延迟相同的时间    
    }
}‍

2.模块化架构

模块化架构是一种将程序分解为独立模块的设计方法,每个模块执行特定的任务。这种架构有助于代码的重用、维护和测试。下面是一个使用C语言编写的模块化架构示例,该程序模拟了一个简单的交通信号灯控制系统。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 定义信号灯的状态typedef enum 
{    
    RED_LIGHT,    
    YELLOW_LIGHT,    
    GREEN_LIGHT
} TrafficLightState;

// 函数声明
void initializeTrafficLight(void);
void setTrafficLight(TrafficLightState state);
void delay(unsigned int milliseconds);

// 信号灯控制主函数
void main(void) 
{    
    initializeTrafficLight();  // 初始化交通信号灯
    
    while(1)
    {        
        setTrafficLight(RED_LIGHT);        
        delay(5000);  // 红灯亮5秒
        
        setTrafficLight(YELLOW_LIGHT);        
        delay(2000);  // 黄灯亮2秒
        
        setTrafficLight(GREEN_LIGHT);        
        delay(5000);  // 绿灯亮5秒    
    }
}

// 初始化交通信号灯的函数
void initializeTrafficLight(void)
{    
    // 这里可以添加初始化代码,比如设置端口方向、默认状态等    
    // 假设P1端口连接了信号灯,初始状态为熄灭(高电平)    
    P1 = 0xFF;
}

// 设置交通信号灯状态的函数
void setTrafficLight(TrafficLightState state) 
{    
    switch(state) 
    {        
        case RED_LIGHT:            
            // 设置红灯亮,其他灯灭            
            P1 = 0b11100000; 
            // 假设低电平有效,这里设置P1.0为低电平,其余为高电平            
            break;        
        case YELLOW_LIGHT:            
            // 设置黄灯亮,其他灯灭            
            P1 = 0b11011000;  
            // 设置P1.1为低电平,其余为高电平            
            break;        
        case GREEN_LIGHT:            
            // 设置绿灯亮,其他灯灭            
            P1 = 0b11000111;  // 设置P1.2为低电平,其余为高电平           
            break;        
        default:            
            // 默认为熄灭所有灯            
            P1 = 0xFF;            
            break;    
    }
}

// 延时函数,参数是毫秒数
void delay(unsigned int milliseconds) 
{    
    unsigned int delayCount = 0;    
    while(milliseconds--) 
    {        
        for(delayCount = 0; 
        delayCount < 120; 
        delayCount++) 
        {            
            // 空循环,用于产生延时        
        }    
    }
}

3.层次化架构

层次化架构是一种将系统分解为多个层次的设计方法,每个层次负责不同的功能。          

着以下是一个使用C语言编写的层次化架构示例,模拟了一个具有不同权限级别的嵌入式系统。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 定义不同的操作级别
typedef enum 
{    
    LEVEL_USER,    
    LEVEL_ADMIN,    
    LEVEL_SUPERUSER
} OperationLevel;

// 函数声明
void systemInit(void);
void performOperation(OperationLevel level);
void displayMessage(char* message);

// 系统初始化后的主循环
void main(void) 
{    
    systemInit();  // 系统初始化
    
    // 模拟用户操作    
    performOperation(LEVEL_USER);    
    // 模拟管理员操作    
    performOperation(LEVEL_ADMIN);    
    // 模拟超级用户操作    
    performOperation(LEVEL_SUPERUSER);
    
    while(1) 
    {        
        // 主循环可以是空闲循环或者处理其他低优先级任务    
    }
}

// 系统初始化函数
void systemInit(void) 
{    
    // 初始化系统资源,如设置端口、中断等    
    // 这里省略具体的初始化代码
}

// 执行不同级别操作的函数
void performOperation(OperationLevel level) 
{    
    switch(level) 
    {        
        case LEVEL_USER:          
            //用户操作具体代码            
            break;        
        case LEVEL_ADMIN:          
            //管理员操作具体代码            
            break;        
        case LEVEL_SUPERUSER:           
            //超级用户操作具体代码            
            break;    
    }
}

// 显示消息的函数void displayMessage(char* message) 
{    
    // 这里省略了实际的显示代码,因为单片机通常没有直接的屏幕输出    
    // 消息可以通过LED闪烁、串口输出或其他方式展示    
    // 假设通过P1端口的LED展示,每个字符对应一个LED闪烁模式    
    // 实际应用中,需要根据硬件设计来实现消息的显示
}

4.事件驱动架构          

事件驱动架构是一种编程范式,其中程序的执行流程由事件(如用户输入、传感器变化、定时器到期等)触发。 

在单片机开发中,事件驱动架构通常用于响应外部硬件中断或软件中断。

 以下是一个使用C语言编写的事件驱动架构示例,模拟了一个基于按键输入的LED控制。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 定义按键和LED的状态
#define KEY_PORT P3  // 假设按键连接在P3端口
#define LED_PORT P2  // 假设LED连接在P2端口

// 函数声明
void delay(unsigned int milliseconds);
bit checkKeyPress(void);  // 返回按键是否被按下的状态(1表示按下,0表示未按下)

// 定时器初始化函数
void timer0Init(void) 
{    
    TMOD = 0x01;  // 设置定时器模式寄存器,使用模式1(16位定时器)    
    TH0 = 0xFC;   // 设置定时器初值,用于产生定时中断    
    TL0 = 0x18;    
    ET0 = 1;      // 开启定时器0中断    
    EA = 1;       // 开启总中断    
    TR0 = 1;      // 启动定时器
}

// 定时器中断服务程序
void timer0_ISR() interrupt 1 
{    
    // 定时器溢出后自动重新加载初值,无需手动重置    
    // 这里可以放置定时器溢出后需要执行的代码
}

// 按键中断服务程序
bit keyPress_ISR(void) interrupt 2 using 1 
{    
    if(KEY_PORT != 0xFF) // 检测是否有按键按下        
    {          
        LED_PORT = ~LED_PORT;  // 如果有按键按下,切换LED状态        
        delay(20);  // 去抖动延时        
        while(KEY_PORT != 0xFF);  // 等待按键释放        
        return 1;  // 返回按键已按下    
    }    
    return 0;  // 如果没有按键按下,返回0
}

// 延时函数,参数是毫秒数
void delay(unsigned int milliseconds) 
{    
    unsigned int i, j;    
    for(i = 0; i < milliseconds; i++)        
        for(j = 0; j < 1200; j++);  // 空循环,用于产生延时
}

// 主函数
void main(void) 
{    
    timer0Init();  // 初始化定时器    
    LED_PORT = 0xFF;  // 初始LED熄灭(假设低电平点亮LED)
    
    while(1)     
    {        
        if(checkKeyPress())        
        {  
            // 检查是否有按键按下事件            
            // 如果有按键按下,这里可以添加额外的处理代码        
        }    
    }
}

// 检查按键是否被按下的函数
bit checkKeyPress(void) 
{    
    bit keyState = 0;    
    // 模拟按键中断触发,实际应用中需要连接硬件中断    
    if(1) // 假设按键中断触发    
    {        
        keyState = keyPress_ISR();  // 调用按键中断服务程序    
    }    
    return keyState;  // 返回按键状态
}

事实上,真正的事件型驱动架构,是非常复杂的,我职业生涯的巅峰之作,就是用的事件型驱动架构。

1.png

5.状态机架构

在单片机开发中,状态机常用于处理复杂的逻辑和事件序列,如用户界面管理、协议解析等。

以下是一个使用C语言编写的有限状态机(FSM)的示例,模拟了一个简单的自动售货机的状态转换。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 定义自动售货机的状态
typedef enum 
{    
    IDLE,    
    COIN_INSERTED,    
    PRODUCT_SELECTED,    
    DISPENSE,   
    CHANGE_RETURNED
} VendingMachineState;

// 定义事件
typedef enum 
{    
    COIN_EVENT,    
    PRODUCT_EVENT,    
    DISPENSE_EVENT,    
    REFUND_EVENT
} VendingMachineEvent;

// 函数声明
void processEvent(VendingMachineEvent event);
void dispenseProduct(void);
void returnChange(void);

// 当前状态
VendingMachineState currentState = IDLE;

// 主函数
void main(void)
{    
    // 初始化代码(如果有)   
     // ...
    while(1)    
    {        
        // 假设事件由外部触发,这里使用一个模拟事件        
        VendingMachineEvent currentEvent = COIN_EVENT; // 模拟投入硬币事件
        processEvent(currentEvent);  // 处理当前事件    
    }
}

// 处理事件的函数
void processEvent(VendingMachineEvent event)
{    
    switch(currentState)    
    {        
        case IDLE:            
            if(event == COIN_EVENT)            
            {               
                 // 如果在空闲状态且检测到硬币投入事件,则转换到硬币投入状态                
                 currentState = COIN_INSERTED;            
             }            
             break;        
         case COIN_INSERTED:            
             if(event == PRODUCT_EVENT)            
             {               
                  // 如果在硬币投入状态且用户选择商品,则请求出货                
                  currentState = PRODUCT_SELECTED;           
               }            
               break;        
       case PRODUCT_SELECTED:            
           if(event == DISPENSE_EVENT)            
           {                
               dispenseProduct();  // 出货商品                
               currentState = DISPENSE;            
           }            
           break;        
       case DISPENSE:            
           if(event == REFUND_EVENT)            
           {                
               returnChange();  // 返回找零                
               currentState = CHANGE_RETURNED;            
           }            
           break;        
       case CHANGE_RETURNED:            
           // 等待下一个循环,返回到IDLE状态            
           currentState = IDLE;            
           break;        
       default:            
           // 如果状态非法,重置为IDLE状态            
           currentState = IDLE;            
           break;    
   }
}

// 出货商品的函数
void dispenseProduct(void)
{    
    // 这里添加出货逻辑,例如激活电机推出商品   
    // 假设P1端口连接了出货电机    
    P1 = 0x00;  // 激活电机    
    // ... 出货逻辑    
    P1 = 0xFF;  
    // 关闭电机
}

// 返回找零的函数
void returnChange(void)
{    
    // 这里添加找零逻辑,例如激活机械臂放置零钱    
    // 假设P2端口连接了找零机械臂    
    P2 = 0x00;  // 激活机械臂    
    // ... 找零逻辑    
    P2 = 0xFF;  // 关闭机械臂
}

6.面向对象架构

STM32的库,就是一种面向对象的架构。

不过在单片机由于资源限制,OOP并不像在高级语言中那样常见,但是一些基本概念如封装和抽象仍然可以被应用。

虽然C语言本身并不直接支持面向对象编程,但可以通过结构体和函数指针模拟一些面向对象的特性。

下面是一个简化的示例,展示如何在C语言中模拟面向对象的编程风格,以51单片机为背景,创建一个简单的LED类。

#include <reg51.h>

// 定义一个LED类
typedef struct 
{    
    unsigned char state;  // LED的状态    
    unsigned char pin;    // LED连接的引脚    
    void (*turnOn)(struct LED*);  // 点亮LED的方法    
    void (*turnOff)(struct LED*); // 熄灭LED的方法
} LED;

// LED类的构造函数
void LED_Init(LED* led, unsigned char pin) 
{    
    led->state = 0;  // 默认状态为熄灭    
    led->pin = pin;   // 设置LED连接的引脚
}

// 点亮LED的方法
void LED_TurnOn(LED* led) 
{    
    // 根据引脚状态点亮LED    
    if(led->pin < 8) 
    {        
        P0 |= (1 << led->pin);  // 假设P0.0到P0.7连接了8个LED    
    } 
    else 
    {        
        P1 &= ~(1 << (led->pin - 8));  // 假设P1.0到P1.7连接了另外8个LED    
    }    
    led->state = 1;  // 更新状态为点亮
}

// 熄灭LED的方法
void LED_TurnOff(LED* led) 
{    
    // 根据引脚状态熄灭LED    
    if(led->pin < 8) 
    {        
        P0 &= ~(1 << led->pin);  // 熄灭P0上的LED    
    } 
    else 
    {        
        P1 |= (1 << (led->pin - 8));  // 熄灭P1上的LED    
    }    
    led->state = 0;  // 更新状态为熄灭
}

// 主函数
void main(void) 
{    
    LED myLed;  // 创建一个LED对象    
    
    LED_Init(&myLed, 3);  // 初始化LED对象,连接在P0.3
    // 给LED对象绑定方法   
     myLed.turnOn = LED_TurnOn;    
     myLed.turnOff = LED_TurnOff;
     
    // 使用面向对象的风格控制LED    
    while(1) 
    {        
        myLed.turnOn(&myLed);  // 点亮LED        
        // 延时        
        myLed.turnOff(&myLed); // 熄灭LED        
        // 延时    
    }
}

这段代码定义了一个结构体LED,模拟面向对象中的“类。

这个示例仅用于展示如何在C语言中模拟面向对象的风格,并没有使用真正的面向对象编程语言的特性,如继承和多态,不过对于单片机的应用,足以。

7.基于任务的架构

这种我最喜欢用,结构,逻辑清晰,每个任务都能灵活调度。

基于任务的架构是将程序分解为独立的任务,每个任务执行特定的工作。

在单片机开发中,如果没有使用实时操作系统,我们可以通过编写一个简单的轮询调度器来模拟基于任务的架构。

以下是一个使用C语言编写的基于任务的架构的示例,该程序在51单片机上实现。

为了简化,我们将使用一个简单的轮询调度器来在两个任务之间切换:一个是按键扫描任务,另一个是LED闪烁任务。

#include <reg51.h>

// 假设P1.0是LED输出
sbit LED = P1^0;

// 全局变量,用于记录系统Tick
unsigned int systemTick = 0;

// 任务函数声明
void taskLEDBlink(void);
void taskKeyScan(void);

// 定时器0中断服务程序,用于产生Tick
void timer0_ISR() interrupt 1 using 1 
{    
    // 定时器溢出后自动重新加载初值,无需手动重置    
   systemTick++;  // 更新系统Tick计数器
}

// 任务调度器,主函数中调用,负责任务轮询
void taskScheduler(void) 
{    
    // 检查系统Tick,决定是否执行任务    
    // 例如,如果我们需要每1000个Tick执行一次LED闪烁任务    
    if (systemTick % 1000 == 0)     
    {       
        taskLEDBlink();    
    }    
    // 如果有按键任务,可以类似地检查Tick并执行    
    if (systemTick % 10 == 0)     
    {       
        taskKeyScan();    
    }
}

// LED闪烁任务
void taskLEDBlink(void) 
{    
    static bit ledState = 0;  // 用于记录LED的当前状态    
    ledState = !ledState;  // 切换LED状态    
    LED = ledState;         // 更新LED硬件状态
}

// 按键扫描任务(示例中省略具体实现)
void taskKeyScan(void) 
{    
    // 按键扫描逻辑
}

// 主函数
void main(void) 
{
    // 初始化LED状态    
    LED = 0;
    // 定时器0初始化设置    
    TMOD &= 0xF0;  // 设置定时器模式寄存器,使用模式1(16位定时器/计数器)    
    TH0 = 0x4C;     // 设置定时器初值,产生定时中断(定时周期取决于系统时钟频率)    
    TL0 = 0x00;    
    ET0 = 1;        // 允许定时器0中断    
    EA = 1;         // 允许中断    
    TR0 = 1;        // 启动定时器0
   
    while(1)     
    {        
        taskScheduler();  // 调用任务调度器    
    }
}

这里只是举个简单的例子,这个代码示例,比较适合51和stm8这种资源非常少的单片机。          

8.代理架构

这个大家或许比较少听到过,但在稍微复杂的项目中,是非常常用的。

在代理架构中,每个代理(Agent)都是一个独立的实体,它封装了特定的决策逻辑和数据,并与其他代理进行交互。

在实际项目中,需要创建多个独立的任务或模块,每个模块负责特定的功能,并通过某种机制(如消息队列、事件触发等)进行通信。

这种方式可以大大提高程序可扩展性和可移植性。

以下是一个LED和按键代理的简化模型。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 假设P3.5是按键输入,P1.0是LED输出
sbit KEY = P3^5;
sbit LED = P1^0;

typedef struct 
{    
    unsigned char pin;    // 代理关联的引脚    
    void (*action)(void); // 代理的行为函数
} Agent;

// 按键代理的行为函数声明
void keyAction(void);
// LED代理的行为函数声明
void ledAction(void);

// 代理数组,存储所有代理的行为和关联的引脚
Agent agents[] = 
{    
    {5, keyAction},  // 按键代理,关联P3.5    
    {0, ledAction}   // LED代理,关联P1.0
};

// 按键代理的行为函数
void keyAction(void) 
{    
    if(KEY == 0) // 检测按键是否被按下        
    {          
        LED = !LED;   // 如果按键被按下,切换LED状态        
        while(KEY == 0);  // 等待按键释放    
    }
}

// LED代理的行为函数
void ledAction(void) 
{    
    static unsigned int toggleCounter = 0;    
    toggleCounter++;    
    if(toggleCounter == 500)  // 假设每500个时钟周期切换一次LED        
    {         
        LED = !LED;               // 切换LED状态        
        toggleCounter = 0;        // 重置计数器    
    }
}

// 主函数
void main(void) 
{    
    unsigned char agentIndex;    
    // 主循环    
    while(1)     
    {        
        for(agentIndex = 0; agentIndex < sizeof(agents) / sizeof(agents[0]); agentIndex++)         
        {            
            // 调用每个代理的行为函数            
            (*agents[agentIndex].action)(); // 注意函数指针的调用方式        
        }    
    }
}

9.组件化架构

组件化架构是一种将软件系统分解为独立、可重用组件的方法。

将程序分割成负责特定任务的模块,如LED控制、按键处理、传感器读数等。

每个组件可以独立开发和测试,然后被组合在一起形成完整的系统。

以下是一个简化的组件化架构示例,模拟了一个单片机系统中的LED控制和按键输入处理两个组件。

为了简化,组件间的通信将通过直接函数调用来模拟。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 定义组件结构体
typedef struct 
{    
    void (*init)(void);      // 组件初始化函数    
    void (*task)(void);       // 组件任务函数
} Component;

// 假设P3.5是按键输入,P1.0是LED输出
sbit KEY = P3^5;
sbit LED = P1^0;

// LED组件
void LED_Init(void) 
{    
    LED = 0;  // 初始化LED状态为关闭
}

void LED_Task(void) 
{    
    static unsigned int toggleCounter = 0;    
    toggleCounter++;    
    if (toggleCounter >= 1000) // 假设每1000个时钟周期切换一次LED    
    {          
        LED = !LED;                // 切换LED状态        
        toggleCounter = 0;         // 重置计数器    
    }
}

// 按键组件
void KEY_Init(void) 
{    
    // 按键初始化代码
}

void KEY_Task(void) 
{    
    if (KEY == 0) // 检测按键是否被按下    
    {         
        LED = !LED;  // 如果按键被按下,切换LED状态       
        while(KEY == 0);  // 等待按键释放    
    }
}

// 组件数组,存储系统中所有组件的初始化和任务函数
Component components[] = 
{    
    {LED_Init, LED_Task},    
    {KEY_Init, KEY_Task}
};

// 系统初始化函数,调用所有组件的初始化函数
void System_Init(void) 
{    
    unsigned char componentIndex;    
    for (componentIndex = 0; componentIndex < sizeof(components) / sizeof(components[0]); componentIndex++)     
    {        
        components[componentIndex].init();    
    }
}

// 主循环,调用所有组件的任务函数
void main(void) 
{    
    System_Init();  // 系统初始化    
    while(1)     
    {        
        unsigned char componentIndex;        
        for (componentIndex = 0; componentIndex < sizeof(components) / sizeof(components[0]); componentIndex++)        
        {            
            components[componentIndex].task();  // 调用组件任务        
        }    
    }
}

来源:无际单片机

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