嵌入式软件裸机开发—常用的软件架构

嵌入式软件裸机开发

嵌入式软件裸机开发是指在没有操作系统支持的情况下，直接对硬件进行编程，以实现特定功能的开发过程。这种开发方式适用于资源受限、实时性要求高或对系统开销敏感的应用场景。在裸机开发中，设计合理的软件架构对于保证程序的可读性、可维护性、可扩展性和可靠性至关重要。

具体实例

以下是几种常见的嵌入式软件裸机开发架构及其详细说明：

循环-查询（Polling）架构

原理与结构：循环查询架构是最基础的嵌入式软件架构之一，其核心思想是在主循环中不断检查各个外设状态或事件标志，根据状态变化执行相应的处理逻辑。整个程序通常由初始化模块、主循环模块和外设驱动模块组成。

示例：

int main(void) {// 初始化模块：配置硬件、设置中断、初始化变量等init_hardware();init_variables();while (1) {// 主循环模块：循环查询外设状态并执行相应操作if (check_uart_rx()) {process_uart_data();}if (check_timer_interrupt()) {handle_timer_event();}// ...其他外设的查询与处理// 可能存在的空闲处理或低功耗模式切换idle_processing();}}

优缺点：

优点：实现简单，易于理解；适用于外设数量较少、事件响应不频繁的场景。
缺点：CPU占用率高，实时性取决于查询周期；不适合复杂系统和大量并发事件处理。
中断驱动（Interrupt-Driven）架构

原理与结构：中断驱动架构基于硬件中断机制，当特定事件（如外设数据就绪、定时器溢出等）发生时，CPU暂停当前任务，转而执行预先注册的中断服务程序（ISR）。主程序通常仅负责初始化和一些非实时性任务，大部分实时处理工作在ISR中完成。系统包括初始化模块、主循环模块、外设驱动模块（含ISR）和可能的中断优先级管理模块。

示例：

cvoid UART_IRQHandler(void) {// UART ISR：快速处理接收到的数据，避免阻塞中断read_uart_data();set_uart_event_flag();}int main(void) {// 初始化模块：配置硬件、注册中断服务程序、初始化变量等init_hardware();enable_UART_IRQ(UART_IRQHandler);init_variables();while (1) {// 主循环模块：响应已发生的事件if (is_uart_event_flag_set()) {clear_uart_event_flag();process_uart_data();}// ...其他事件的响应// 可能存在的空闲处理或低功耗模式切换idle_processing();}}

优缺点：

优点：实时性强，CPU利用率高；适用于事件密集、实时响应要求高的系统。
缺点：需谨慎处理中断嵌套和优先级问题，避免中断延迟和死锁；ISR应保持短小精悍，避免影响中断响应时间。
前后台（Bare-Metal RTOS-Like）架构

原理与结构：前后台架构模仿实时操作系统（RTOS）的设计理念，将系统划分为前台（中断服务程序）和后台（主循环）两部分。前台负责快速响应实时事件，后台执行非实时任务和管理任务队列。系统包括初始化模块、主循环（任务调度）模块、外设驱动模块（含ISR）、任务队列管理模块和任务（函数指针）结构体。

示例：

   typedef void (*task_t)(void);struct task_queue {task_t* tasks;uint8_t head, tail, count;};void add_task(struct task_queue* queue, task_t task) {// 将任务添加到队列尾部// ...实现细节省略}void UART_IRQHandler(void) {// UART ISR：快速处理接收到的数据，将数据处理任务放入队列read_uart_data();add_task(&task_queue, process_uart_data);}int main(void) {// 初始化模块：配置硬件、注册中断服务程序、初始化变量和任务队列等init_hardware();enable_UART_IRQ(UART_IRQHandler);init_variables();init_task_queue(&task_queue);while (1) {// 主循环模块：执行任务队列中的任务if (!is_task_queue_empty(&task_queue)) {task_t current_task = get_and_remove_task(&task_queue);current_task();} else {// 可能存在的空闲处理或低功耗模式切换idle_processing();}}}

优缺点：

优点：兼顾实时性和任务管理，易于扩展和调整任务优先级；适用于中等复杂度、有一定任务调度需求的系统。
缺点：实现相对复杂，需要手动管理任务队列和调度逻辑；相比RTOS，缺乏内建的线程同步原语和高级调度策略。
有限状态机（FSM）架构

原理与结构：有限状态机是一种行为型软件设计模式，特别适用于处理具有多个状态且状态间转换依赖于特定条件或事件的系统。在嵌入式裸机开发中，可以将整个系统或某个复杂功能模块设计为一个FSM。系统包括状态定义、状态转移表（或函数）、事件处理函数以及主循环模块。

示例（以UART通信协议为例）：

  enum UART_State {UART_IDLE,UART_RECEIVING,UART_SENDING,// ...};void uart_fsm(enum UART_Event event) {static enum UART_State state = UART_IDLE;switch (state) {case UART_IDLE:if (event == UART_RX_READY) {state = UART_RECEIVING;start_uart_reception();} else if (event == UART_TX_REQUEST) {state = UART_SENDING;start_uart_transmission();}break;case UART_RECEIVING:if (event == UART_RX_DONE) {process_received_data();state = UART_IDLE;} else if (event == UART_RX_ERROR) {handle_rx_error();state = UART_IDLE;}break;case UART_SENDING:if (event == UART_TX_DONE) {state = UART_IDLE;} else if (event == UART_TX_ERROR) {handle_tx_error();state = UART_IDLE;}break;// ...}}int main(void) {// 初始化模块：配置硬件、初始化变量等init_hardware();init_variables();while (1) {// 主循环模块：检查事件并调用FSM处理check_uart_events();uart_fsm(current_uart_event());}}