嵌入式软件之分层设计

嵌入式软件分层设计思想

1. 设计目的

解决业务逻辑与硬件实现的强耦合问题，提高代码的可移植性、扩展性和可维护性，采用分层架构设计。核心思想是将“业务（做什么）”与“硬件操作（怎么做）”分离。

2. 架构总览

系统通常分为三层，自上而下分别为：

  1. 应用层 (Application Layer)
  2. 中间件/业务抽象层 (Middleware / Abstraction Layer)
  3. 驱动层 (BSP / Driver Layer)
  • 数据流向：硬件 -> 驱动层 -> (回调通知) -> 中间件层 -> (事件/数据) -> 应用层。
  • 控制流向：应用层 -> (API调用) -> 中间件层 -> (驱动接口) -> 驱动层 -> 硬件。

3. 各层详解

3.1 应用层 (Application Layer)

  • 定位：系统的“大脑”，负责具体的业务逻辑、状态机流转和用户交互（如：UI界面的响应变化、蜂鸣器鸣叫等）。

  • 职责：

    • 状态管理：维护系统状态（状态机，如：空闲、工作、设置模式）。
    • 业务逻辑：根据输入事件决定系统行为（如：收到“报警”事件 -> 触发蜂鸣器逻辑）。
    • UI 交互：决定屏幕显示内容。

  • 原则：

    • 不直接访问硬件：严禁直接操作寄存器或调用底层驱动函数（如 HAL_GPIO_WritePin，这是HAL库对硬件直接使用，应用层永远不会调用如HAL库函数）。
    • 事件驱动：通过轮询或阻塞方式获取“业务事件”来驱动程序运行。

  • 代码特征：

    // 伪代码示例：二段式状态机
void App_Main_Loop() {
    Event_t evt;
    
    while (1) {
        // -状态管理-：输入处理 (负责状态切换)  
        while (Get_Event(&evt)) {
            switch (current_state) {
                case STATE_IDLE:
                    if (evt.type == EVENT_START) current_state = STATE_WORK;
                    break;
                case STATE_WORK:
                    if (evt.type == EVENT_STOP) current_state = STATE_IDLE;
                    break;
            }
        }

        // 第二阶段：状态执行 (负责持续性任务，包含-业务逻辑- -UI 交互-等)
        switch (current_state) {
            case  STATE_IDLE：
                // IDLE状态业务
                break；
            case STATE_WORK:
                // STATE_WORK状态业务
                break;
        }
    }
}

3.2 中间件/业务抽象层 (Middleware Layer)

  • 定位：负责承上启下。

  • 职责：

    • 向下（适配）：实现驱动层的回调接口，接收原始数据，处理数据将其转化为事件。
    • 向上（抽象）：提供统一的业务接口（如 控制流：Get_Event, 数据流： Get_Sensor_Value）。
    • 数据清洗：将物理信号（如“引脚低电平”）转换为业务含义（如“按键按下”）；将原始字节流（如“串口收到0x01”）转换为业务指令（如“开启设备”）。

  • 关键机制：

    • 事件队列（可选）：缓冲输入事件，解耦中断上下文与主循环上下文。
    • 数据结构抽象：定义与硬件无关的数据结构（如 struct SensorData），屏蔽底层数据格式差异。

  • 代码特征：

    // [中间件层] 接收驱动回调，转换为事件
void Driver_Callback_Impl(void *data) { //回调函数
    Event_t evt;
    evt.type = Parse_Data_To_Event(data); // 数据清洗：将原始数据转为业务事件
    Event_Queue_Push(evt);                // 推入队列
}

// [中间件层] 提供给应用层的接口
bool Get_Event(Event_t *evt) {
    return Event_Queue_Pop(evt);
}
    • 另附：事件队列 (Ring Buffer)
      为了解耦 中断 和 主循环 ，通常使用环形队列。
    #define QUEUE_SIZE 10
typedef struct {
    Event_t buffer[QUEUE_SIZE];
    volatile uint8_t head; // 写入位置
    volatile uint8_t tail; // 读取位置
} EventQueue_t;

static EventQueue_t queue;

// 入队 (通常在中断/回调中调用 - 生产者)
void Event_Queue_Push(Event_t evt) {
    uint8_t next = (queue.head + 1) % QUEUE_SIZE;
    if (next != queue.tail) { // 防止溢出覆盖
        queue.buffer[queue.head] = evt;
        queue.head = next;
    }
    // else: 队列满，丢弃事件或报错
}

// 出队 (在主循环调用 - 消费者)
bool Event_Queue_Pop(Event_t *evt) {
    if (queue.head == queue.tail) return false; // 队列为空
    *evt = queue.buffer[queue.tail];
    queue.tail = (queue.tail + 1) % QUEUE_SIZE;
    return true;
}

    ​

3.3 驱动层 (BSP / Driver Layer)

  • 定位：系统的“手脚”，负责直接操作硬件。
  • 职责：
    • 硬件控制：初始化外设（GPIO, UART, I2C等，在STM32使用CubeMX时，这写通常由CubeMX完成。但硬件模块初始化仍是需要用户完成的），提供基础读写接口。
    • 机制提供者：定义回调函数类型，并在中断或轮询中调用回调，通知上层。
  • 原则：
    • 无业务逻辑：驱动层只管“收发数据”，不管“数据是什么意思”。例如，串口驱动只负责把字节存入缓冲区，不负责解析字符串命令。
    • 独立性：驱动文件应可直接复用到其他项目，不包含任何特定项目的头文件。
  • 代码特征：
    // [驱动层] 只负责产生原始数据/信号，不包含业务逻辑
void Hardware_IRQ_Handler(void) {
    // 1. 读取硬件状态
    uint8_t raw_data = Read_Register();
    
    // 2. 调用回调通知上层 (如果有注册)
    if (g_Callback_Func) {
        g_Callback_Func(raw_data); 
    }
    // 注意：这里不进行 if(raw_data == 0x01) { Open_Door(); } 这样的业务判断
}

4. 核心交互机制

4.1 回调机制 (Callback)

为了让驱动层能通知中间件层，通常使用回调机制。

  • 方式一：函数指针注册（推荐）
    适用于需要灵活配置或多实例的场景。

    • 驱动层：定义函数指针类型，提供注册函数 Driver_Register_Callback。
    • 中间件层：定义具体的处理函数，并在初始化时注册给驱动。
    // [驱动层] 通用定义
typedef void (*EventHandler_t)(void *data);
void Driver_Register_Callback(Device_Handle *dev, EventHandler_t cb);

// [中间件层] 注册
void Middleware_Init() {
    Driver_Register_Callback(&my_device, Middleware_Process_Func);
}

  • 方式二：弱函数 (Weak Function)
    适用于全局唯一的硬件资源，代码实现简单。

    • 驱动层：定义 __weak void HAL_Driver_Callback(void) {}，并在中断中调用。
    • 中间件层：重写该函数 void HAL_Driver_Callback(void) { ... }，编译器会自动链接此版本。

4.2 面向对象的驱动设计

对于同类硬件（如多个按键、多个传感器），建议使用结构体句柄（Handle）来管理对象，实现“类”的概念。

  • 设计思想：

    • 定义一个结构体 Device_Handle，包含该设备的属性（ID、GPIO端口）和操作方法（函数指针）。
    • 驱动函数只针对 Handle 操作，而不是针对具体硬件。
    // ==========================================
// [驱动层] 通用驱动实现 (Driver Layer)
// ==========================================

// 定义通用设备句柄
typedef struct Device_Handle {
    uint8_t id;           // 设备ID
    void *user_data;      // 用户私有数据 (如 GPIO 端口号)
    
    // 虚函数：底层操作接口，由中间件层实现并注入
    // 驱动层只管调用，不知道具体怎么读 IO
    uint8_t (*ReadState)(struct Device_Handle *handle); 
    
    // 回调函数：事件触发时通知中间件层
    void (*EventCallback)(struct Device_Handle *handle, uint8_t event);   
} Device_Handle;

// 驱动核心逻辑 (抽象的 Tick 函数)
// 这里的逻辑是通用的：只要 ReadState 返回有效，就触发回调
void Device_Ticks(Device_Handle *handle) {
    // 纯逻辑判断，不涉及具体硬件读写
    if (handle->ReadState(handle) == 1) { // 假设 1 为激活状态
        if (handle->EventCallback) {
            handle->EventCallback(handle, 0x01); // 触发通用事件
        }
    }
}

// ==========================================
// [中间件层] 具体实现与绑定 (Middleware Layer)
// ==========================================

// 1. 实现底层读写接口 (适配层)
// 这里才真正调用 HAL 库
uint8_t My_Read_GPIO_Impl(Device_Handle *handle) {
    // 从 user_data 中取出 GPIO 端口信息
    GPIO_TypeDef *port = (GPIO_TypeDef*)handle->user_data; 
    return HAL_GPIO_ReadPin(port, GPIO_PIN_0);
}

// 2. 实现事件回调 (业务层)
// 这里将驱动层的通用事件转换为业务事件
void My_Event_Handler_Impl(Device_Handle *handle, uint8_t event) {
    Event_t evt;
    evt.id = handle->id;
    evt.type = EVENT_BUTTON_CLICK; // 转换业务含义
    Event_Queue_Push(evt);         // 推入队列
}

// 3. 初始化与绑定
void Middleware_Init() {
    static Device_Handle my_dev;
    
    my_dev.id = 1;
    my_dev.user_data = GPIOA;          // 传入具体硬件参数
    my_dev.ReadState = My_Read_GPIO_Impl;      // 绑定读写实现
    my_dev.EventCallback = My_Event_Handler_Impl; // 绑定事件回调
    
    // 将句柄注册到驱动层的链表或数组中
    Device_Register(&my_dev); 
}

5. 总结

分层设计的核心在于依赖倒置和接口隔离。

  • 应用层依赖中间件层提供的业务接口。
  • 中间件层依赖驱动层提供的硬件接口，并通过回调响应硬件中断。
  • 驱动层不依赖任何上层逻辑，保持纯净。
    通过这种方式，当更换硬件平台时，只需重写驱动层；当变更业务逻辑时，只需修改应用层。
posted @ 2025-12-06 00:22  _NOF  阅读(2)  评论(0)    收藏  举报