嵌入式软件架构基础设施设计方法

大家好,今天分享一篇嵌入式软件架构设计相关的文章。

软件架构这东西,众说纷纭,各有观点。在我看来,软件架构是软件系统的基本结构,包含其组件、组件之间的关系、组件设计与演进的规则,以及体现这些规则的基础设施。

软件架构,从来不是一件容易事,它贯穿在产品的整个生命周期,需要所有团队成员遵守并自律,才能将架构思想在软件中体现。新手工程师,由于经历的项目太少,看不到项目全貌,很难从全局理解软件架构。但软件架构真的只是资深工程师的专利吗?这个也不见得。

古人作文,讲究立意为先。今天工程师做项目和产品,也应该先立意。这个意,就是指要有高度。工程师入门能从软件架构的高度出发,看待软件问题,相信对软件的理解,会更加深刻一些。因此,我总结了软件架构的六个步骤,供嵌入式工程师参考。

上次谈到了嵌入式软件架构的第一个步骤,抽象层。建立抽象层(HAL或者DAL)的目的,是为了隔离硬件,让代码与硬件无关。即使整个项目的代码,由某工程师一个人完成,抽象层仍是是有必要的。

但这次我们要聊的是,统一的基础设施,这是针对多人合作一个项目,或者多个项目共享同一个系统架构的情况。

如果说,你手头的项目,没有与他人合作,也不会有后续的相关项目,软件基础设施这一步,可以直接跳过。

基础设施,分为硬件基础设施和软件基础设施。硬件基础设施,包含常用器件库、封装库、原理图库和硬件参考设计等等;而今天我们讨论的重点,主要在于软件基础设施。软件基础设施包含以下内容:

  • • 基础数据结构。

  • • 底层库。比如C标准库、加密库、校验库、工具库等等。

  • • 操作系统/调度机制。包含操作系统以及调度相关服务。

  • • 中间件。比如文件系统、协议栈、数据库等。

  • • 框架与机制。比如消息通信机制、事件驱动机制、状态机框架、行为树框架。

  • • 工具支持。

  • • 统一的编程工具链。

  • • 统一的代码风格和编程规范。

在一些小公司粗放的开发模式中,并不规定工程师所依赖的软件平台、硬件平台和工具,而是由工程师自己决定。很多工程师,也喜欢这种自由奔放的开发模式,认为只有在这种环境中,才能发挥自身创造力。这种认知是有偏差的,这个我们后续找机会详细讨论。

随着小公司研发能力的提升,对软件基础设施进行约束和规定,几乎是注定的事情。因为软件区别于其他技术的本质,是在于其复用性。

复用程度越高的软件,质量越高,对开发效率和开发质量的提升,就越大。无论从公司的降本增效还是科学管理的角度,都有着强大的动机,去统一软件基础设施。当软件的基础设施统一之后,会产生如下优点:

  • • 软件质量提升,风格的高度一致性

  • • 软件复用性,会提升至一个新的水平

  • • 将可复用的功能,尽量抽象到基础设施层,减少软件冗余,提升开发效率。

  • • 为高层模块提供约束和纪律

  • • 有利于团队的技术积累和技术传承

  • • 有利于团队的技术培训

  • • 是团队进行单元测试和测试驱动开发,以及跨平台开发的前提。

因此,是否统一,根本不是一个有争议的问题;如何统一,才是今天我们的重点。

一、基础类型与宏定义

统一的软件基础设施的前提,就是声明统一的基础数据类型和宏,以克服不同的硬件平台和编译器的差异性。

比如下面是我从开源项目EventOS中摘录出来的代码,不见得很完整,只能代表在我在项目里需求。

#include <stdbool.h>typedef unsigned int                    eos_u32_t;
typedef signed int                      eos_s32_t;
typedef unsigned short                  eos_u16_t;
typedef signed short                    eos_s16_t;
typedef unsigned char                   eos_u8_t;
typedef signed char                     eos_s8_t;
typedef bool                            eos_bool_t;#define EOS_NULL                        ((void *)0)#define EOS_U32_MAX                     (0xffffffffU)
#define EOS_U32_MIN                     (0U)
#define EOS_U16_MAX                     (0xffffU)
#define EOS_U16_MIN                     (0U)
#define EOS_U8_MAX                      (0xffU)
#define EOS_U8_MIN                      (0U)

编译器相关的宏定义。使用宏,屏蔽掉编译器的差异,会

/* Compiler Related Definitions */
#if defined(__ARMCC_VERSION)           /* ARM Compiler */#define eos_section(x)              __attribute__((section(x)))#define eos_used                    __attribute__((used))#define eos_align(n)                __attribute__((aligned(n)))#define eos_weak                    __attribute__((weak))#define eos_inline                  static __inline#elif defined (__GNUC__)                /* GNU GCC Compiler */#define eos_section(x)              __attribute__((section(x)))#define eos_used                    __attribute__((used))#define eos_align(n)                __attribute__((aligned(n)))#define eos_weak                    __attribute__((weak))#define eos_inline                  static __inline#elif defined (__IAR_SYSTEMS_ICC__)     /* for IAR Compiler */#define eos_section(x)              @ x#define eos_used                    __root#define eos_align(n)                PRAGMA(data_alignment=n)#define eos_weak                    __weak#define eos_inline                  static inline#else#error "The current compiler is not supported. "
#endif

一些常用的数据结构。这些数据结构,与硬件和编译器无关,是在代码中频繁使用,并在多个模块间共享的数据结构,有必要将其提升至基础设施的层面进行支持,以避免各个模块,对同一个数据类型,进行不同的定义带来的数据转换问题。

这些数据结构,与产品紧密相关,不同的产品类型之间,各自是不同的。比如下面的定义。

typedef struct eos_date
{eos_u32_t year               : 16;eos_u32_t month              : 8;eos_u32_t day                : 8;
} eos_date_t;typedef struct eos_time
{eos_u32_t hour               : 8;eos_u32_t minute             : 8;eos_u32_t second             : 6;eos_u32_t ms                 : 10;
} eos_time_t;typedef struct eos_imu_data
{float acc[3];float gyr[3];float mag[3];
} eos_imu_data_t;

二、操作系统

有些芯片的资源太小,是不能运行操作系统的。这些芯片,一般而言,也没有办法建立严谨的嵌入式软件架构,我们会在后续《小资源芯片的软件开发平台》中,单独进行讨论。这里只讨论芯片的。

不同的芯片,所能跑的操作系统是不同的。但如果要建立软件基础设施,应该尽量选取同一个操作系统。

在现存的操作系统中,FreeRTOS和国产RT-Thread对各种不同的硬件架构的芯片,支持比较广泛,可以作为RTOS的首选。

而当产品线异常丰富时,特别是使用了某些小众芯片,或者使用芯片商提供的操作系统时,就没有办法建立统一的软件基础设施。这时,有两个办法解决这一问题:

  • • 编写高层模块时,使用宏定义和条件编译,选择对应的RTOS API。这种一般用于所使用的操作系统较少的情况,比如说只有两三种。

static void *task_handler = NULL;static void task_func_module_one(void *parameter);void module_one_init(void)
{/* Newly creating a task to run the module. */
#if (EOS_RTOS_NAME == EOS_RTOS_NAME_FREERTOS)xTaskCreate(task_func_module_one,"TaskModule", 2048, NULL, 2,(TaskHandle_t *)&task_handler);
#elif (EOS_RTOS_NAME == EOS_RTOS_NAME_RTTHREAD)task_handler = rt_thread_create("led1", task_func_module_one, NULL,2048, 2, 20);
#elseeos_assert(false);
#endifeos_assert(task_handler != NULL);
}/* The task function of the module one. */
static void task_func_module_one(void *parameter)
{(void)parameter;/* Initialization. */while (1){/* Add the task function. */}
}
  • • 建立操作系统抽象层(OSAL,Operating System Abstraction Layer),以屏蔽操作系统的差异,使高层模块依赖于OSAL。这种情况适合于资源丰富的情况。

  • 著名的POSIX标准,就是为了建立OSAL的,FreeRTOS和RT-Thread都在不同程度上对POSIX标准进行了支持;在 v嵌入式领域,CMSIS_OS也是为了建立操作系统的统一接口;但无论是POSIX和CMSIS_OS,被各RTOS支持的力度是不同,因此如果我们产品中需要建立严谨的嵌入式软件架构,还是要建立属于自己的OSAL,以便屏蔽掉操作系统的不同带来的差异。

三、中间件

中间件有很多类型,文件系统、各种协议栈、数据库、日志模块、Shell模块,都属于中间件的范畴。但在大部分情况下,这些也都属于软件基础设施的范畴。

因为我们一旦选择某个中间件,一般来说,是没有必要更换的,正是由于这种稳定性,中间件也可以纳入软件基础设施的范畴。以下是我经常使用的开源中间件:

  • • FatFS

  • • LwIP

  • • FlashDB

  • • uC/Modbus

  • • CAN Festival

  • • letter-shell

开源中间件,只占据了一小部分。实际产品中,中间件的大部分,都是产品或者项目私有的代码。我日常所使用的主要有: 日志模块 数据采集模块 通讯传输层协议 通讯应用层协议 文件传输协议 OTA功能 * 时间同步

中间件,占据了软件基础设施的大部分内容。在产品开发中,之所以软件复用性能够做到越来越高,中间件的积累,是一个很重要的原因。

四、框架与机制

在不同的产品上,开发嵌入式软件,除了RTOS之外,很多产品还需要一些框架的支持。常见的框架包括: 外设与驱动框架 设备框架 消息框架 状态机框架 行为树框架 事件驱动框架

这些框架的使用,与产品的特性相关,由产品和需求所决定。比如家庭服务机器人中,需要应用状态机框架和行为树框架,来应对复杂的应用层逻辑。而某些应用层逻辑比较简单的产品,就不需要使用状态机和行为树。

软件基础设施与硬件的关系

嵌入式软件有一个区别于其他软件领域的重要特性,那就是直接依赖于硬件。软件基础设施,有很多也是需要硬件去体现和承载。比如文件系统,在规定某个源代码比如FatFS作为其文件系统解决方案的同时,所伴随的硬件驱动程序和硬件推荐设计,也往往被固化,以便在下一个项目中进行复用,并节约时间。

对于一些重要的且复杂的软件基础设施,如文件系统、网络等,由于调试和测试都比较耗时,一般推荐固化硬件设计的方式。硬件工程师,应优先对这些重要且复杂的软件基础设置,分配硬件资源,而硬件的其他工程,比如IO、ADC等,再行分配。

结论

嵌入式软件基础设施,非常重要,根据项目与产品的不同,它所包含的内容也不尽相同。一般在项目启动时,就会初步选定一些软件基础设施的内容,比如RTOS、协议栈、文件系统等等。

需要指出的是,软件基础设施,也不是不变的,而是随着产品开发发展,不断会有新的组件和元素,加入到软件基础设施中去,也有可能会剥离掉旧的组件,就像生物的新陈代谢。

软件基础设施的新陈代谢,要温和,要相对稳定,添加和删除,都要执行谨慎原则。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/95561.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

C++的纯虚函数使用与接口实现

一、为何引入纯虚函数 对于普通虚函数&#xff0c;如果子类没有重写相应的虚函数&#xff0c;那么父类指针就只能调用父类函数实现&#xff0c;然而父类有时候并不能给出具体的实现&#xff0c;仅仅只是一种抽象的概念&#xff0c;比如我们抽象了一个父类叫运算calculate&…

如何进行内存映射和文件映射操作?

内存映射和文件映射是在操作系统和程序之间共享数据的强大技术。它们可以用于提高文件的读写效率、内存管理和进程间通信。对于C语言初学者来说&#xff0c;了解如何进行内存映射和文件映射操作是一项有价值的技能。在本文中&#xff0c;我们将详细讨论内存映射和文件映射的概念…

1.7. 找出数组的第 K 大和原理及C++实现

题目 给你一个整数数组 nums 和一个 正 整数 k 。你可以选择数组的任一 子序列 并且对其全部元素求和。 数组的 第 k 大和 定义为&#xff1a;可以获得的第 k 个 最大 子序列和&#xff08;子序列和允许出现重复&#xff09; 返回数组的 第 k 大和 。 子序列是一个可以由其他数…

Linux中getopt函数、optind等变量使用详解

getopt函数、optind等变量使用详解 最近在学习《Unix网络编程》vol2时&#xff0c;发现书中例子经常使用一个命令行解析getopt函数&#xff0c;因为函数声明比较特别&#xff0c;根据自己摸索&#xff0c;遂总结出使用方法。 1. getopt函数的声明 该函数是由Unix标准库提供的…

[应用推荐]Web Scraper——轻量数据爬取利器

对于日常的简单网页内容爬取&#xff0c;学习Python等投入太高&#xff0c;可以考虑使用这个Chrome工具。 以下为收集的具体信息&#xff0c;按需取用。 以下内容来自web ScraperWeb Scraper - The #1 web scraping extensionThe most popular web scraping extension. Start …

博弈论——伯特兰德寡头模型(Bertrand Model)

伯特兰德寡头模型(Bertrand Model) 0 引言 在前面几篇文章中&#xff0c;我们介绍了古诺模型(Cournot duopoly model)和斯塔克尔伯格模型(Stackelberg model) 博弈论——连续产量古诺模型(Cournot duopoly model) 博弈论——斯塔克尔伯格模型(Stackelberg model) 这两个模型…

PyTorch应用实战三:构建神经网络

文章目录 神经网络1.继承Module构建神经网络2.结构化构建神经网络3.函数式操作附&#xff1a;系列文章 神经网络 构建神经网络的一般步骤如下&#xff1a; 确定网络的结构&#xff1a;这包括输入层、输出层和隐藏层的数量以及每层中的节点数等。 收集和准备数据&#xff1a;这…

ARMday2

1~100累加 代码 .text .globl _start _start:mov r0, #1 fun:cmp r0,#100addls r1,r1,r0addls r0,r0,#1b fun .end运行结果

互联网Java工程师面试题·Elasticsearch 篇·第二弹

12、详细描述一下 Elasticsearch 索引文档的过程。 协调节点默认使用文档 ID 参与计算&#xff08;也支持通过 routing &#xff09;&#xff0c;以便为路由提供合适的分片。 shard hash(document_id) % (num_of_primary_shards) 1 、当分片所在的节点接收到来自协调节点…

每日一题 518零钱兑换2(完全背包)

题目 给你一个整数数组 coins 表示不同面额的硬币&#xff0c;另给一个整数 amount 表示总金额。 请你计算并返回可以凑成总金额的硬币组合数。如果任何硬币组合都无法凑出总金额&#xff0c;返回 0 。 假设每一种面额的硬币有无限个。 题目数据保证结果符合 32 位带符号整…

API基础————包

什么是包&#xff0c;package实际上就是一个文件夹&#xff0c;便于程序员更好的管理维护自己的代码。它可以使得一个项目结构更加清晰明了。 Java也有20年历史了&#xff0c;这么多年有这么多程序员写了无数行代码&#xff0c;其中有大量重复的&#xff0c;为了更加便捷省时地…

Flv.js编译使用

Flv.js &#xff08;https://github.com/bilibili/flv.js&#xff09;是 HTML5 Flash 视频&#xff08;FLV&#xff09;播放器&#xff0c;纯原生 JavaScript 开发&#xff0c;没有用到 Flash。由 bilibili 网站开源。本文讲述其编译使用。 Flv.js目前最新版本是v1.6.2。在htt…

基于混合蛙跳优化的BP神经网络(分类应用) - 附代码

基于混合蛙跳优化的BP神经网络&#xff08;分类应用&#xff09; - 附代码 文章目录 基于混合蛙跳优化的BP神经网络&#xff08;分类应用&#xff09; - 附代码1.鸢尾花iris数据介绍2.数据集整理3.混合蛙跳优化BP神经网络3.1 BP神经网络参数设置3.2 混合蛙跳算法应用 4.测试结果…

gitgitHub

在git中复制CtrlInsert、粘贴CtrlShif 一、用户名和邮箱的配置 查看用户名 &#xff1a;git config user.name 查看密码&#xff1a; git config user.password 查看邮箱&#xff1a;git config user.email 查看配置信息&#xff1a; $ git config --list 修改用户名 git co…

Java笔记七(封装,继承与多态)

封装 该露的露&#xff0c;该藏的藏 程序设计追求“高内聚&#xff0c;低耦合”。高内聚就是类的内部数据操作细节自己完成&#xff0c;不允许外部干涉&#xff1b;低耦合&#xff1a;仅暴露少量的方法给外部使用 封装&#xff08;数据的隐藏&#xff09; 通常&#xff0c;…

【Pandas】Apply自定义行数

文章目录 1. Series的apply方法2. DataFrame的apply方法2.1 针对列使用apply2.2 针对行使用apply Pandas提供了很多数据处理的API,但当提供的API不能满足需求的时候,需要自己编写数据处理函数, 这个时候可以使用apply函数apply函数可以接收一个自定义函数, 可以将DataFrame的行…

Linux shell编程学习笔记8:使用字符串

一、前言 字符串是大多数编程语言中最常用最有用的数据类型&#xff0c;这在Linux shell编程中也不例外。 本文讨论了Linux Shell编程中的字符串的三种定义方式的差别&#xff0c;以及字符串拼接、取字符串长度、提取字符串、查找子字符串等常用字符串操作,&#xff0c;以及反…

【2023年11月第四版教材】第18章《项目绩效域》(合集篇)

第18章《项目绩效域》&#xff08;合集篇&#xff09; 1 章节内容2 干系人绩效域2.1 绩效要点2.2 执行效果检查2.3 与其他绩效域的相互作用 3 团队绩效域3.1 绩效要点3.2 与其他绩效域的相互作用3.3 执行效果检查3.4 开发方法和生命周期绩效域 4 绩效要点4.1 与其他绩效域的相互…

20231005使用ffmpeg旋转MP4视频

20231005使用ffmpeg旋转MP4视频 2023/10/5 12:21 百度搜搜&#xff1a;ffmpeg 旋转90度 https://zhuanlan.zhihu.com/p/637790915 【FFmpeg实战】FFMPEG常用命令行 https://blog.csdn.net/weixin_37515325/article/details/127817057 FFMPEG常用命令行 5.视频旋转 顺时针旋转…

System Generator学习——时间和资源分析

文章目录 前言一、目标二、步骤三、步骤 1 &#xff1a;系统生成器的时序分析1、时序分析2、解决时间违规问题 四、步骤 2 &#xff1a;系统生成器中的资源分析总结 前言 在本节实验中&#xff0c;你将学习如何通过在 Simulink 中进行仿真来验证设计的功能&#xff0c;以确保在…