軟件架構(gòu)存在的意義

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來源 | 嵌入式在左c語言在右

在嵌入式軟件開發(fā)，包括單片機(jī)開發(fā)中，軟件架構(gòu)對(duì)于開發(fā)人員是一個(gè)必須認(rèn)真考慮的問題。軟件架構(gòu)對(duì)于系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性是非常重要的，一個(gè)合適的軟件架構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)清晰，并且便于開發(fā)、維護(hù)。

我相信在嵌入式或單片機(jī)軟件開發(fā)的初期大多數(shù)開發(fā)者采用的都是簡(jiǎn)單的前后臺(tái)順序執(zhí)行架構(gòu)(我就是這樣的)。在嵌入式軟件開發(fā)中，程序架構(gòu)主要分為三種，本篇文章將對(duì)這三種程序架構(gòu)做出詳解。

軟件架構(gòu)存在的意義

可以說一個(gè)好的程序架構(gòu)，是一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的工程師和一個(gè)初學(xué)者的分水嶺。軟件架構(gòu)對(duì)于開發(fā)人員是友好的，你希望先執(zhí)行什么任務(wù)后執(zhí)行什么任務(wù)，或者這一個(gè)時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行什么任務(wù)下一個(gè)執(zhí)行什么任務(wù)，又或者什么事件會(huì)同步到某個(gè)任務(wù)等等，在不同的軟件架構(gòu)下，解決上述問題的具體方法都是有所區(qū)別的。
軟件架構(gòu)對(duì)開發(fā)者最大的幫助是：幫助開發(fā)者掌控整個(gè)工程的框架，當(dāng)你熟練使用其中某一個(gè)程序架構(gòu)后，對(duì)于系統(tǒng)中出現(xiàn)的bug你一定能夠快速的定位并解決。當(dāng)然，我建議要根據(jù)需要選擇合適的軟件架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，具體原因在文章后面會(huì)進(jìn)行介紹。
介紹三種不同的程序架構(gòu)

三種常用的軟件架構(gòu)有：

• 順序執(zhí)行的前后臺(tái)系統(tǒng)

• 時(shí)間片輪詢系統(tǒng)

• 多任務(wù)操作系統(tǒng)

為了讓大家有一個(gè)更為清晰的認(rèn)識(shí)，我分別用三種軟件架構(gòu)對(duì)一個(gè)實(shí)例進(jìn)行介紹說明。這個(gè)實(shí)例如下：它有4個(gè)任務(wù)，這4個(gè)任務(wù)為按鍵掃描、聲光報(bào)警、顯示屏刷新和超聲波測(cè)距。這個(gè)實(shí)例的具體功能是通過按鍵設(shè)置測(cè)量距離的閾值，當(dāng)測(cè)距距離低于設(shè)置的閾值時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警并且將測(cè)量距離實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上(這個(gè)應(yīng)用是汽車倒車?yán)走_(dá)的具體體現(xiàn))。
1.順序執(zhí)行的前后臺(tái)系統(tǒng)在順序執(zhí)行的前后臺(tái)系統(tǒng)中，我會(huì)把鍵盤掃描用查詢的方式放在while(1)中，而顯示屏刷新和超聲波測(cè)距使用中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中獲取測(cè)量距離后進(jìn)行顯示，在主函數(shù)的循環(huán)中進(jìn)行按鍵的檢測(cè)，聲光處理也放在主循環(huán)中。
這樣整個(gè)程序就以變量標(biāo)志的同步方式在主循環(huán)和后臺(tái)中斷中執(zhí)行，對(duì)應(yīng)的程序代碼如圖所示：

順序執(zhí)行前后臺(tái)系統(tǒng)的主函數(shù)

順序執(zhí)行前后臺(tái)系統(tǒng)的中斷服務(wù)函數(shù)

這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單易于理解，而缺點(diǎn)是每個(gè)任務(wù)所占的CPU時(shí)間過長(zhǎng)的話，會(huì)導(dǎo)致程序的實(shí)時(shí)性能差，就比如按鍵的檢測(cè)等。
2.時(shí)間片輪詢系統(tǒng)和多任務(wù)操作系統(tǒng)時(shí)間片輪詢法實(shí)際上通常出現(xiàn)在操作系統(tǒng)中，也就是說他屬于操作系統(tǒng)，但在這里所說的是基于前后臺(tái)系統(tǒng)的時(shí)間片輪詢。時(shí)間片輪詢法的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是選出一個(gè)定時(shí)器，沒進(jìn)一次定時(shí)中斷對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行自加，在主循環(huán)中根據(jù)這個(gè)計(jì)數(shù)值執(zhí)行任務(wù)，這個(gè)計(jì)數(shù)值也就是任務(wù)輪詢的時(shí)間片。
在這個(gè)實(shí)例中，如果采用時(shí)間片輪詢系統(tǒng)的話，首先選用主控芯片的任一定時(shí)器，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間周期由我們決定，為了保證實(shí)時(shí)性和運(yùn)行效率，這個(gè)值通常取10ms、30ms、50ms等，我會(huì)將按鍵掃描輪值值設(shè)置為20ms，因?yàn)榘存I抖動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)一般為20ms，這樣處理既達(dá)到了消抖的目的，又不會(huì)漏掉按鍵的檢測(cè)；而顯示屏的刷新設(shè)置為30ms，如果你覺得刷新反應(yīng)慢了也可以修改這一輪詢值得到改善；而超聲波測(cè)距的輪詢值設(shè)置為100ms，即每隔100模式觸發(fā)測(cè)距一次，這個(gè)測(cè)距頻率已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)的情況了。
程序代碼如下：

時(shí)間片輪詢系統(tǒng)的主函數(shù)

時(shí)間片輪詢系統(tǒng)的定時(shí)器中斷函數(shù)

可以看出時(shí)間片輪詢法相比順序執(zhí)行還是有很大優(yōu)勢(shì)的，既有順序執(zhí)行法的優(yōu)點(diǎn)，也有操作系統(tǒng)的部分優(yōu)點(diǎn)。
3.多任務(wù)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的本身是一個(gè)比較復(fù)雜的東西，任務(wù)的管理和調(diào)度實(shí)現(xiàn)的底層是很復(fù)雜和困難的。但是呢，我們一般都是把操作系統(tǒng)本身作為一個(gè)工具一個(gè)平臺(tái)，我們的目的是使用它的功能而不是開發(fā)一個(gè)操作系統(tǒng)。
我使用過ucos和freertos小型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，也使用過Linux大型的操作系統(tǒng)，有了操作系統(tǒng)，不管是對(duì)于程序的穩(wěn)定性和開發(fā)的效率都會(huì)好很多。我們?cè)谑褂貌僮飨到y(tǒng)的時(shí)候更多的需要去學(xué)習(xí)和理解它的一些調(diào)度和通信的方式。實(shí)際上真正能使用操作系統(tǒng)的人并不多，反而是跑裸機(jī)的占大多數(shù)，這也和產(chǎn)品的具體要求有關(guān)，很多簡(jiǎn)單的系統(tǒng)只需要裸機(jī)即可滿足。
在這里本我不過多的介紹操作系統(tǒng)本身，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)確實(shí)挺復(fù)雜的，下面圖例中的代碼是在freertos中創(chuàng)建按鍵控制LED亮滅的程序結(jié)構(gòu)，大家可以對(duì)比一下：

freertos多任務(wù)系統(tǒng)中主函數(shù)

freertos多任務(wù)操作系統(tǒng)中的任務(wù)回調(diào)函數(shù)

如何選擇合適的軟件架構(gòu)

我使用過多種不同MCU做項(xiàng)目開發(fā)，例如：STM32、STC15、新唐等，也接觸過復(fù)雜的設(shè)計(jì)需求，例如：車載智能系統(tǒng)和智能家居，跑過操作系統(tǒng)ucos、freertos和Linux等等。
在回到裸機(jī)開發(fā)時(shí)，就會(huì)不然而然的去思考完整系統(tǒng)的軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，相信在讀者中開發(fā)裸機(jī)的也占大多數(shù)。
我認(rèn)為沒有最好的軟件(程序)架構(gòu)，而只有最合適的軟件架構(gòu)。因?yàn)樵诓煌膽?yīng)用場(chǎng)景中適合采用不同的程序設(shè)計(jì)，而單純的去比較哪種程序架構(gòu)是最好的沒有什么實(shí)際的意義。
那接下來我們來對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，在一些邏輯清晰功能單一的系統(tǒng)中就很適合選擇順序執(zhí)行的前后臺(tái)架構(gòu)，這個(gè)軟件架構(gòu)往往能夠滿足我們大部分的需求，比如電飯煲、電磁爐和聲控?zé)襞莸?；而在一些資源缺乏的單片機(jī)并且對(duì)系統(tǒng)可靠性要求較高的情況下非常適合，因?yàn)檫@種方法的系統(tǒng)耗費(fèi)比較小，只是犧牲了一個(gè)定時(shí)器而已，但是選擇此種程序架構(gòu)需要我們對(duì)時(shí)間片進(jìn)行深思熟慮的劃分；
最后，在一些功能復(fù)雜，邏輯控制較為困難的系統(tǒng)中就適合選擇多任務(wù)操作系統(tǒng)，比如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無人機(jī)等等應(yīng)用場(chǎng)景。
作為一名嵌入式軟件工程師，掌握這三種軟件架構(gòu)是非常有必要的，它們可以讓我們?cè)谠O(shè)計(jì)程序時(shí)擁有更多的選擇和思考，而每一種不同的程序架構(gòu)都具備它自己的優(yōu)勢(shì)與不足，這需要我們?nèi)ビ眯膶?shí)踐方可體會(huì)到它的奧妙。
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