嵌入式軟件開發(fā)是一門應用廣泛且不斷發(fā)展的技術領域，為了滿足不同應用場景的需求，開發(fā)人員可以采用多種架構方法。

0、前言

在嵌入式軟件開發(fā)，包括單片機開發(fā)中，軟件架構對于開發(fā)人員是一個必須認真考慮的問題。軟件架構對于系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性是非常重要的，一個合適的軟件架構不僅結構清晰，并且便于開發(fā)。

我相信在嵌入式或單片機軟件開發(fā)的初期大多數開發(fā)者采用的都是簡單的前后臺順序執(zhí)行架構(我就是這樣的)。

在嵌入式軟件開發(fā)中，程序架構主要分為三種，本篇文章將對這三種程序架構做出詳解。

1、軟件架構存在的意義

可以說一個好的程序架構，是一個有經驗的工程師和一個初學者的分水嶺。軟件架構對于開發(fā)人員是友好的，你希望先執(zhí)行什么任務后執(zhí)行什么任務，或者這一個時間點執(zhí)行什么任務下一個執(zhí)行什么任務，又或者什么事件會同步到某個任務等等，在不同的軟件架構下，解決上述問題的具體方法都是有所區(qū)別的。軟件架構對開發(fā)者最大的幫助是：幫助開發(fā)者掌控整個工程的框架，當你熟練使用其中某一個程序架構后，對于系統(tǒng)中出現的bug你一定能夠快速的定位并解決。當然，我建議要根據需要選擇合適的軟件架構進行開發(fā)，具體原因在文章后面會進行介紹。

2、深入介紹三種不同的程序架構

三種常用的軟件架構有：順序執(zhí)行的前后臺系統(tǒng)、時間片輪詢系統(tǒng)和多任務操作系統(tǒng)。為了讓大家有一個更為清晰的認識，我分別用三種軟件架構對一個實例進行介紹說明。這個實例如下：它有4個任務，這4個任務為按鍵掃描、聲光報警、顯示屏刷新和超聲波測距。這個實例的具體功能是通過按鍵設置測量距離的閾值，當測距距離低于設置的閾值時，觸發(fā)聲光報警并且將測量距離實時顯示在顯示屏上(這個應用是汽車倒車雷達的具體體現)。

2.1順序執(zhí)行的前后臺系統(tǒng)

在順序執(zhí)行的前后臺系統(tǒng)中，我會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距使用中斷，在中斷服務函數中獲取測量距離后進行顯示，在主函數的循環(huán)中進行按鍵的檢測，聲光處理也放在主循環(huán)中。這樣整個程序就以變量標志的同步方式在主循環(huán)和后臺中斷中執(zhí)行，對應的程序代碼如圖所示：

順序執(zhí)行前后臺系統(tǒng)的主函數

順序執(zhí)行前后臺系統(tǒng)的中斷服務函數

在本文中，我們將探討嵌入式軟件開發(fā)中常用的三種架構：前后臺順序執(zhí)行法、時間片法和操作系統(tǒng)。

01.

前后臺順序執(zhí)行法

前后臺順序執(zhí)行法也稱為單任務執(zhí)行法，是最簡單、最常見的嵌入式軟件架構之一。

在這種架構中，系統(tǒng)按照程序代碼的順序依次執(zhí)行任務。所有任務都在一個循環(huán)中執(zhí)行，每次只執(zhí)行其中一個任務，其余任務被掛起。這種架構適用于簡單的應用，如傳感器數據采集、控制器等。

然而，前后臺順序執(zhí)行法有一定的局限性。

首先，它無法充分利用處理器資源，因為每次只執(zhí)行一個任務，其他任務處于掛起狀態(tài)。其次，任務之間無法靈活共享資源，容易造成資源浪費和效率低下。在一些對實時性要求較高的場景中，這種架構無法滿足要求。

02.

時間片法

時間片法是一種多任務執(zhí)行法，它通過為每個任務分配一定的執(zhí)行時間片，使得所有任務都能夠按照一定的時間間隔交替執(zhí)行。

任務執(zhí)行的時間片是固定的，當一個任務的時間片用完后，系統(tǒng)切換到下一個任務執(zhí)行。這種方式使得多個任務能夠并行執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的資源利用率和效率。

時間片法適用于中等復雜度的嵌入式系統(tǒng)，可以滿足對實時性要求較高的場景。它需要合理設置任務的優(yōu)先級和時間片大小，以確保重要任務優(yōu)先執(zhí)行，并且每個任務都能在適當的時間內完成。

03.

操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是一種更為復雜和強大的嵌入式軟件架構。它能夠管理和協(xié)調多個任務的執(zhí)行，并提供一系列的系統(tǒng)服務，如任務調度、內存管理、設備驅動、通信機制等。操作系統(tǒng)為開發(fā)人員提供了更高層次的抽象，使得軟件開發(fā)更加靈活、高效。

在操作系統(tǒng)架構下，每個任務都有自己的優(yōu)先級和狀態(tài)，操作系統(tǒng)通過任務調度算法決定哪個任務優(yōu)先執(zhí)行。任務之間可以共享資源，通過互斥機制來實現對共享資源的訪問控制，確保系統(tǒng)穩(wěn)定和安全。

操作系統(tǒng)適用于復雜度較高、實時性要求嚴格的嵌入式應用，如智能手機、工業(yè)自動化控制系統(tǒng)等。它提供了更大的靈活性和可擴展性，使得開發(fā)人員能夠更容易地實現復雜的功能和算法。

綜上所述，嵌入式軟件開發(fā)中常用的三種架構分別是前后臺順序執(zhí)行法、時間片法和操作系統(tǒng)。

選擇適合的架構取決于應用的復雜性、實時性要求和資源限制等因素。開發(fā)人員需要根據具體情況，靈活選擇合適的架構，并結合系統(tǒng)要求進行合理的設計和優(yōu)化，以確保嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和高效性。

嵌入式軟件，受限于硬件資源，時常會出現驅動與應用緊密耦合的情況。然而，對于大型項目而言，充足的資源使得我們能夠采用更為復雜的架構模式來應對業(yè)務邏輯的復雜性以及后續(xù)的擴展維護需求。這些架構模式，如分層架構、多層架構、管道-過濾器架構等，都是為了解決特定問題而設計的。

在眾多架構模式中，分層架構是最為常見的一種。它主要由展現層、業(yè)務層、持久層和數據庫層四個部分組成，通過這種方式，軟件能夠更加清晰地分離不同的功能模塊，從而提高代碼的可讀性和可維護性。

1)背景

隨著系統(tǒng)復雜性的增加，各個部分的需求和衍化往往獨立發(fā)展。為了更好地管理和維護這樣的系統(tǒng)，開發(fā)者需要明確地分離關注點，使各個模塊能夠獨立進行開發(fā)和演進。

2)挑戰(zhàn)

軟件架構需要設計成一種方式，使得各個模塊能夠單獨開發(fā)和變化，同時減少模塊間的交互，從而確保系統(tǒng)的可移植性、可修改性和復用性。

3)解決方案

分層架構模式應運而生，它將軟件劃分為不同的邏輯單元，即“層”。每一層都包含一組高度內聚的模塊，提供特定的服務，并且其使用是單向的。通過分層，軟件被劃分為多個獨立的分區(qū)，每個分區(qū)都暴露一個公開的接口。

在分層架構中，每一層都扮演著特定的角色和職責。例如，展現層專門負責處理用戶界面相關的事務。這種明確的角色和職責劃分，使得構建高效的系統(tǒng)變得簡單明了。

此外，分層架構還是一種技術性的分區(qū)方式，而非領域性的。它由組件而非領域來組成，這意味著不同層之間的交互更加清晰和簡潔。

最后，分層架構中的每一層都被明確標記為封閉或開放。封閉層意味著請求必須經過它下面的層次才能傳遞到下一層，從而保證了請求不會跳過任何層次。這種設計使得系統(tǒng)更加穩(wěn)健和可預測。

4)潛在問題

采用分層架構雖然有助于提高系統(tǒng)的模塊化和可維護性，但也可能面臨性能方面的挑戰(zhàn)。在高性能應用程序中，由于業(yè)務請求需要經過架構中的多層處理，這可能會降低響應效率。此外，分層架構的實施還可能增加系統(tǒng)的初期成本和整體復雜性。

5)適用范圍

盡管存在上述潛在問題，分層架構仍然是一種非常有用的設計模式。對于小型或簡單的應用程序而言，這種模式能夠有效地幫助開發(fā)者明確模塊間的職責和邊界，從而簡化開發(fā)和維護過程。因此，在適當的情況下，我們應該考慮采用分層架構來構建高效、可維護的軟件系統(tǒng)。

許多系統(tǒng)的執(zhí)行結構都采用了邏輯組件的分組方式，這些分組被稱作“層”。在分布式部署的環(huán)境中，經常需要將系統(tǒng)的基礎設施拆分成不同的子集。這就引出了一個問題：如何合理地將系統(tǒng)分割成多個計算上獨立、又通過通信媒介相連的軟件和硬件組件?然而，這種分割方式也面臨一些挑戰(zhàn)，包括前期投入的大量成本和系統(tǒng)整體復雜性的增加。盡管如此，管道-過濾器(pipe-filter)架構在軟件架構中仍是一種常見的模式，它為這類問題提供了有效的解決方案。

1)背景

在許多系統(tǒng)中，離散數據流從輸入到輸出的轉換是一個核心需求。由于這類轉換在實踐中經常重復出現，因此將其模塊化并創(chuàng)建成可復用的組件，是提高效率和靈活性的理想選擇。

2)挑戰(zhàn)

為了實現這種模塊化，系統(tǒng)需要被分割成松耦合的組件，這些組件之間通過簡單通用的交互機制進行連接。這樣的設計使得組件能夠靈活地組合與復用，同時支持并行的執(zhí)行方式。

3)架構解析

管道-過濾器架構為此類需求提供了一種解決方案。在這種架構中，管道充當了過濾器之間的通信通道。每個管道都是非定向和點對點的，它們接受來自一個源的輸入，并直接將輸出傳遞給另一個源，從而確保了數據流的高效傳輸。

此外，該架構還定義了四種關鍵角色：producer(或source)作為過程的起點，transformer(或map)負責對數據進行轉換，tester(或reduce)用于測試條件，而consumer(或sink)則作為終點處理數據。

4)局限性

盡管管道-過濾器架構具有諸多優(yōu)點，但它也有其適用范圍。對于需要高度交互性的系統(tǒng)來說，這種架構可能不太適合。此外，過多的解析和反解析操作也可能導致性能損失，并增加編寫過濾器的復雜性。

5)應用場景

管道-過濾器架構在各種應用程序中都有廣泛的應用，特別是那些需要簡化單項處理任務的系統(tǒng)。通過合理運用這種架構，可以有效地提高系統(tǒng)的可維護性、靈活性和性能。