嵌入式裸机架构的探索与崩塌

为什么会想着探索下嵌入式裸机的架构呢？是因为最近写了一个项目，项目开发接近尾声时，发现了一些问题：

1、项目中，驱动层和应用层掺杂在一起，虽然大部分是应用层调用驱动层，但是也存在驱动层调用业务层的情况，这导致了层次间的耦合；

2、应用程序全都放在了一个app.c文件夹里，代码高达1万行，实在是过于庞大，我想着将代码拆分下，发现实在是太困难，牵一发动全身；

3、全局变量满天飞，代码量大了之后，自己都晕了，虽然写了注释，但是想想，如果注释没写清楚，那么时间久了，自己回来看都不知道是啥~~~~~~；

那么，如何在后续项目中有所改进呢？

架构1.0

关于程序的架构和规范化，要做到：

层次分明，模块化，高內聚低耦合，风格规范易懂。

自顶向下设计，自底向上开发，花一两天来设计，设计好之后再开发。

层次分明

根据需求，有各种各样的功能要实现，但是因为嵌入式不仅涉及到软件，还会涉及到硬件，所以，需要分层，思维才能更清晰，更有利于后期的开发和维护。

根据我自己的开发经验，先说下我的最初裸机分层习惯。

将整体的架构设计分成3层，再多层次对于裸机感觉没什么必要了。

模版示例：

APP存放业务层代码；

DRIVER存放硬件驱动层代码；

SYSPERIPHERALS存放系统外设代码；

FWLIB存放固件库；

CORE存放一些板级核心代码；

OBJ存放keil的输出文件；

MIDDLEWARE存放中间件；

RESOURCE存放一些资源比如字库等；

USER存放工程；

UTILITIES存放其他内容；

除了一些固定的文件，在开发时分为系统外设、驱动层，再加上一个业务层。

系统外设层主要是对用到的各种片上外设进行初始化，之前经常跟驱动层写到一起，但时间久了就发现二者其实是不同的层次，写到一起容易混乱。

理想情况下，系统外设层向驱动层提供接口，驱动层向业务层提供接口。

系统外设层的各个硬件口，最后都用宏定义给重命名，如果要移植，就只用该硬件口就行，而不用去动驱动层，比如，如果就用GPIOA去开发，那么如果换了板子，就要改驱动层的书写，但是如果重命名，就只用改系统外设层的头文件即可。

另外，对于业务层来说，不推荐将所有的功能都放在同一个文件中，虽然比较方便，但是这会导致文件特别大，不利于后续开发和维护。最好按照功能模块进行开发，然后有一些各模块共用的功能，可以抽离出来，单独一个文件。通常，拆一个总的入口文件，再按大模块拆一拆，然后就是共用的部分。按模块其实是同级拆分，将共用功能分离出来，其实是上下层次的拆分，不过，也没啥必要再分不同目录来放了。

上面实例中，其实拆的太多了，就多了文件跟文件之间的纠缠，后续也很难理清。

前期一定就要做好设计和规划，不要试图想着先开发，后续再修改，惨痛的教训告诉你，修改比重新开发更让人烦躁，很费时间，分分钟有牵一发动全身的风险。

总之就是，越往上层，就应当越抽象。

层数越多，越复杂。

请合理平衡。

关于系统外设和驱动层的初始化，如果系统外设是和具体的驱动关联的，就可以放在驱动里，如果不能跟具体的驱动关联，就直接在系统外设层定义初始化接口即可，比如定时器。

另外，注意编码规范，如果太随意，越往后代码量越大就越难开发。就按照常规推荐的那些编码规范来写就行了，也不必特立独行。

关于变量还有头文件中的宏定义，有共用的，有专用的，专用的肯定是放在自己的c中，共用的可以放在common中，该static的就static。关于程序中的全局变量，建议如果超过3个，就用结构体封装起来，函数最好也是用函数指针结构体封装起来（借鉴硬件家园的风格）。区分仅自己使用和需要共享使用的情况，然后决定是用static限定或者加入到相应结构体中。

模块化就比较好理解，各个模块单独开发，最好可以实现独立编译。

如果是已经写好的代码，不要试图去重构，这会让你陷入无尽的烦恼之中，不必重新开发更轻松。

已经写好的，就将就用吧。

另外就是，不要试图追求完美。

架构2.0

改进点：不要将硬件驱动层再分两层了。

看了很多的代码，发现也没有将驱动层分成系统外设和驱动层的。

其实，将二者合并在一起的好处也是有的：

1、减少了层次间的相互调用，而且，代码量也不会增加多少；

2、各系统外设的初始化本来就是外设的一部分，直接放在驱动文件里，也是合理的，更清晰明了，如果单独把所有外设的初始化都放在一起，也容易搞混；

3、不用考虑中断响应函数到底放在哪一层；

4、初始化时，直接按外设模块来进行即可，不用纠结到底放在哪一层来初始化；

5、照样可以用宏定义来定义。

基于以上几点考虑，还是将架构就分为两层，即硬件驱动层和业务层。

注意，将USER改名为PROJECT了，不过不重要。

架构3.0

要实现的目标：

1、硬件驱动层，各模块之间可以独立编译，互不影响；

2、硬件驱动层不会反向调用业务层的API；

3、硬件驱动层不会向外暴露自身的全局变量；

以上三点，我们来依次看一下。

第一点，很容易做到，只要各模块独立c和h即可；

第二点，开发时注意些就行，千万不要反向调用；

第三点，要多说一些。

通常，驱动层和业务层的关系，分成两种：

一种是业务层主动调用驱动层的API，比如业务层调用驱动层的打开LED函数实现点亮LED，或者主动调用数据发送函数发送数据等；

还有一种是被动响应式的，即驱动层响应之后，需要向业务层上报，此时业务层就是被动响应的，有很多的例子，比如按键按下，串口接收数据，ADC采集等等，都是驱动层响应后，需要向业务层上报数据。

我们通常的做法是，在驱动层定义一个全局变量，然后声明出去，业务层的任务中循环判断这些全局变量，从而做出相应的动作。

可参考：单片机模块化编程框架篇-编写回调函数及产品应用_哔哩哔哩_bilibili

这里说的就是业务层主动发起的调用。

那么，业务层被动响应式的情况呢？

那么，回调函数的开发思路是怎么样的呢？

说实话，回调函数其实是个不太好理解的东西。

这名字听着就不知道啥意思。

其实，在本文的场景下，我们可以这样理解：业务层调用驱动层时，是直接调用的，但是业务层被动响应的情况下，驱动层基本都是由中断来触发的，通常如果直接在驱动层的中断里调用业务层的函数，一来不符合中断快进快出的理念，二来不符合下层不应该调用上层的理念。

这种情况下，我们可以在驱动层间接调用业务层的处理函数。

在驱动层定义一个回调函数的函数指针，函数里传入的是需要传递的全局变量

同时定义一个注册函数

还要在业务层定义一个跟函数指针同类型的处理函数

然后在业务层调用注册函数，将业务层的处理函数传入驱动层的函数指针

然后在中断里只需要调用函数指针即可实现间接调用业务层的目的

但实际上，访问的只是驱动文件中的函数指针。

因为，这个实现了下层调用上层的目的，是在上层定义，但是由下层调用，所以，被叫做回调函数，也是很合理的。

至此，就进步了一个台阶，至少，解决了驱动层和业务层之间的全局变量的传递问题。

另外，建议如果全局变量超过3个，就定义成结构体吧。

这也是一种简单的封装。

后续再优化架构估计就是在这上面琢磨了。

总之，先把上面三种架构版本熟练掌握。

裸机架构的崩塌

到了这里，要说一点感想：裸机根本就没有架构，或者说，裸机本身就是一种前后台架构。而操作系统本身也是一种架构，那就不再是裸机的架构了。

为什么有这种感想呢？

今天，我根据上述的教程，自己在裸机项目里用了下回调函数。

定义函数指针

注意，typedef函数指针时，上面的名称就是该函数指针的别名，别再后面再取个名了，一定要注意。

注册函数

中断触发时调用

业务层定义处理函数

主函数里注册

以上就是使用的过程。

得出几点结论：

1、可以确定的是，中断里回调函数类似于中断嵌套，会打断主循环的执行

2、接下来要确定的是，是否会阻塞中断。

经验证：

回调函数在裸机里几乎没有作用，跟直接调用上层函数没啥区别。

我在回调处理函数中做了5秒延时，不管是直接调用，还是回调函数调用，都会阻塞中断。

也就是说，搞了半天，绕了一大圈，结果在裸机里，使用回调函数，增加复杂度不说，而且没有任何改进。

再想想，网上说了回调函数的很多好处

什么灵活、实时性强、易于封装、移植性好……

就是没人说，这个并不适用于裸机。。。。。。。。。。。。

常见于操作系统环境使用，正好我看的就是一个轻量级的操作系统的课程。。。。。。

常常是，系统有一个函数指针，用户重写这个函数，并且注册传入底层的函数，就可以实现底层调用上层的目的了，灵活性挺高。

但是，还是那句话，适用于操作系统环境。

这么一想，探索了一段时间的所谓裸机架构，其实是个几乎不存在的东西。

可以这么说，回调函数常见于操作系统的设计中，应用代码几乎用不到。

裸机中的最大特点就是，任务是依次执行的，必需先执行完上一个任务，才能再执行下一个任务。想通了这一层，就理解了裸机中回调函数也会和普通调用一样阻塞中断。

操作系统的最大特点就是并发执行。

前后台系统的回归

裸机，直接while里循环调度即可，不要搞些花里胡哨的东西。

我们能做的就是遵循前后台系统开发的原则，然后在此基础上，做好分层，做好头文件和全局变量管理，提高代码的规范性和可读性。

裸机头文件统一管理

头文件可以统一管理application.h

可以放在PROJECT里

在这个头文件里统一管理所有用到的头文件

之前以为头文件放在一起再包含，会导致很多c文件会包含很多不需要用到的头文件，进而导致内存占用更多，目标文件更大。

但经过验证，并不会影响内存占用和目标文件的大小。

头文件没有统一管理时的空间占用以及hex文件大小

头文件统一管理之后的空间占用以及hex文件大小

通过对比可以发现，二者一模一样。

为什么呢？

因为头文件是预处理环节处理，只是进行单纯的文本代替，就是让我们能找到c文件中的宏定义或者类型定义表示什么含义而已，跟运行没关系，并不会包含进最后的烧录文件中。

另外，如果头文件中需要什么头文件，单独定义即可，一般头文件中只有声明或者类型定义，大多数情况下只需要#include <stdint.h>，如果重复包含，可能会导致循环嵌套。如果头文件中再调用application.h就会陷入循环，而单独定义，再经由application.h包含到其他文件时，无非就是重复包含的问题，而重复包含，头文件已经通过头尾的宏定义排除过了

分层思想（非常重要）

这里的思想很重要

1、业务层的横拆和纵拆：各独立模块之间是横拆，如果有数据交换，就通过全局变量，模块到common之间是竖拆，主要是将共用的部分分离出来。

2、分离时，要向下分离，提供给上层调用，当向下分层后，即使有全局变量，也可以通过函数参数传递下去，而不用在底层去extern上层的内容，记住，底层永远不要去引用上层的东西。想一想c库，难道他的库还要你给他个全局变量才能执行？就算能给，难道你要改库的源码，在源码里extern？而且，很多库根本就不开放源代码，这样，库也不可能去主动调上层用户的程序。

3、高内聚，低耦合，直观体现就是，任何一个函数，最好只依靠本c文件的内容以及其他任意头文件的内容来实现，而不必依赖其他c文件中的内容，比如其他文件的全局变量。想一想c标准库，或者stm32固件库，都是一个个独立的文件，几乎可以独立编译，不需要依靠其他c文件。

4、越往上层，越抽象，越少实现过程，越少细节，越多函数调用，最好到main主函数中时，没有任何实现过程，只有一个一个的任务函数。

5、越共用的东西，越应该放到下层，这样才能方便地被上层调用。比如APP也可以有个驱动层，app_driver，再上面就是app_common，再上面就是各模块，再就是综合应用，越共用的越往下放。最好就封装成一个调用库。但是也没必要分太细，差不多就行。最优的情况是，直接调用底层函数就能完成功能，再就是允许底层暴露一些全局数据。不过，上层不应该暴露数据给底层。

各模块之间独立，要想模块独立，就得将共用的东西往下分离。

书写再规范

变量小驼峰，函数大驼峰

前缀ST E g pInt pFun

判断的变量前加个is前缀，比如，isSelected

无参的地方都加上void以显式表明

等等

代码重复量太大的，强烈建议整合，减少冗余代码

全局变量的管理

头文件统一管理之后，头文件的内容确实就不再是问题，可以重点关注全局变量的管理。

裸机中很难避免使用全局变量，我们要尽量做好全局变量的管理。

那么，有哪些技巧呢？

1、如果全局变量超过3个，就建议使用结构体封装起来；

2、通过上面讲的分层思想，减少各文件之间全局变量的相互纠缠，全局化越大的变量越往下层放，下层永远也不要去引用上层的东西，就当下层是个只能被调用并且不开放源码的库，思考这种情况下应当如何设计全局变量；

3、做好全局变量的注释；

4、全局变量是主动在头文件中extern出去，然后谁包含了谁就能用，还是谁要用谁自己去自己的c文件里extern呢？我想，如果是下层的全局变量，那么可以extern出去，供上层使用，这样，不用每个上层文件使用时都得extern，如果是同层次之间的，建议还是谁要用谁自己extern。

5、这一点很重要

我们想一想固件库，里面是不是几乎看不到显式的全局变量？
固件库的方式，下层定义相关参数结构体，在对应函数中定义结构体形参，然后直接对数据进行操作，上层调用函数时，定义结构体局部变量然后将结构体指针传入给底层函数进行操作。
但也是因为固件库基本都是对寄存器赋值，才能更好地操作，虽然上层没有寄存器，不过我们可以借鉴这种思路。
//其实仔细想想，寄存器其实就相当于最底层的全局变量，如果说我们把APP最底层的全局变量都定义在app最底层，就当这些全局变量是寄存器，我们需要的时候就去取底层寄存器的值，上层也可以方便地去修改底层寄存器的值，
//然后寄存器的值甚至可以定义设置和获取的函数，就和固件库里的有些set以及get函数一样。
//这样的话，甚至可以进行位操作。
//还是那句话，通用的变量分离到下层，专用的在自己的文件里定义。
上层向下层传递函数形参，下层向上层提供全局变量
app或者各模块
app_common
app_softregister

另外，同一文件中，越共用的函数越往上放，将下层的函数放在文件上面，上层的函数放在文件下面，这样就不用进行太多的函数声明了。
关于上层和下层的这些思维，对于头文件也是一样的，越底层越往下放，你想想，固件库难道要你上层提供一个数据类型才能用？

//底层越集成越好，上层假如有100个地方要用，如果要改，不用去改100个上层处，只用改一个下层即可。

这里有一篇论坛可以参考下，差不多就是我这里说的思路

如何尽量地避免使用全局变量呢？ (amobbs.com 阿莫电子论坛 - 东莞阿莫电子网站)

总结来说就是以下几点：

1、底层驱动尽可能独立；

2、将APP中所有全局变量放在一个底层c中，同时，提供get和set接口函数来提供给上层访问；

3、能封装成结构体的一些变量就封装起来，然后上层通过传递结构体指针的方式来修改这些变量；

4、通用的变量分离到下层，专用的在自己的文件里定义；

5、总之，就是，尽量不要使用开放的全局变量；

6、不过，相对于直接使用全局变量，这样操作效率相对较低，但是基本没什么影响；

7、最怕在多个模块中直接操作全局变量，这样会把各个模块之间的逻辑关系搞复杂！

做好模块化、层次化。

使用这些方法好处非常多，不仅不会降低效率，还会降低代码尺寸，实现对变量的访问权限控制(只读，只写)，可以一劳永逸的实现对变量的原子保护，可以在读写的时候进行有效性检查，最后调试的时候方便追踪谁对变量进行了访问，也可以填写调试值。这就是面向接口开发的好处。

最后，总结原则就是：不要让任何一个全局变量暴露出来。

随便说两句……………………………… 

代码的合理化规范化其实是我们人类的需求，并不是机器的需求，机器只要是最后得到的二进制数是对的，就可以了，不管代码写的多烂，哪怕把所有内容全都塞在一个文件里，对计算机来说，是没有什么差别的，但是对于我们人类的阅读开发维护等，就是极大的灾难了。这就是为什么有的代码写的很烂，但是功能也能实现。不过，我们的目标是，开发既是一门技术，也要尽量做成一门艺术。就好比踢足球，本身是个技术活，但是梅西能把足球踢成艺术，就是一种巨大的成功。