9种单片机常用的软件架构_业界新闻

发布时间:2024-07-18 11:01

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长文预警，加代码5000多字，写了4个多小时，盘软件架构，这篇文章就够了!

可能很多工程师，工作了很多年，都不会有软件架构的概念。

因为我在做研发工程师的第6年，才开始意识到这个东西，在此之前，都是做一些比较简单的项目，一个main函数干到底，架构复杂了反而是累赘。

后面有幸，接触了稍微复杂点的项目，感觉以前水平Hold不住，然后借着项目需求，学习了很多优秀的代码架构，比如以前同事的，一些模组厂的SDK，还有市面上成熟的系统。

说出来可能有点夸张，一个好项目带来的成长，顶你做几年小项目。

在一个工程师从入门到成为高级工程师，都会经历哪些软件架构？

下面给大家盘点一下，每个都提供了简易的架构模型代码。

1.线性架构

这是最简单的一种程序设计方法，也就是我们在入门时写的，下面是一个使用C语言编写的线性架构示例：

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义  // 延时函数，用于产生一定的延迟 void delay(unsigned int count) {     unsigned int i;     while(count--) {         for(i = 0; i < 120; i++) {}  // 空循环，用于产生延迟     } }  void main() {     // 初始设置P1端口为输出模式，用于控制LED     P1 = 0xFF;  // 将P1端口设置为高电平，关闭所有LED      while(1) {  // 无限循环         P1 = 0x00;  // 将P1端口设置为低电平，点亮所有LED         delay(500000);  // 调用延时函数，延迟一段时间          P1 = 0xFF;  // 将P1端口设置为高电平，关闭所有LED         delay(500000);  // 再次调用延时函数，延迟相同的时间     } }

2.模块化架构

模块化架构是一种将程序分解为独立模块的设计方法，每个模块执行特定的任务。

这种架构有助于代码的重用、维护和测试。

下面是一个使用C语言编写的模块化架构示例，该程序模拟了一个简单的交通信号灯控制系统。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义  // 定义信号灯的状态 typedef enum {     RED_LIGHT,     YELLOW_LIGHT,     GREEN_LIGHT } TrafficLightState;  // 函数声明 void initializeTrafficLight(void); void setTrafficLight(TrafficLightState state); void delay(unsigned int milliseconds);  // 信号灯控制主函数 void main(void) {     initializeTrafficLight();  // 初始化交通信号灯      while(1) {         setTrafficLight(RED_LIGHT);         delay(5000);  // 红灯亮5秒          setTrafficLight(YELLOW_LIGHT);         delay(2000);  // 黄灯亮2秒          setTrafficLight(GREEN_LIGHT);         delay(5000);  // 绿灯亮5秒     } }  // 初始化交通信号灯的函数 void initializeTrafficLight(void) {     // 这里可以添加初始化代码，比如设置端口方向、默认状态等     // 假设P1端口连接了信号灯，初始状态为熄灭（高电平）     P1 = 0xFF; }  // 设置交通信号灯状态的函数 void setTrafficLight(TrafficLightState state) {     switch(state) {         case RED_LIGHT:             // 设置红灯亮，其他灯灭             P1 = 0b11100000;  // 假设低电平有效，这里设置P1.0为低电平，其余为高电平             break;         case YELLOW_LIGHT:             // 设置黄灯亮，其他灯灭             P1 = 0b11011000;  // 设置P1.1为低电平，其余为高电平             break;         case GREEN_LIGHT:             // 设置绿灯亮，其他灯灭             P1 = 0b11000111;  // 设置P1.2为低电平，其余为高电平             break;         default:             // 默认为熄灭所有灯             P1 = 0xFF;             break;     } }  // 延时函数，参数是毫秒数 void delay(unsigned int milliseconds) {     unsigned int delayCount = 0;     while(milliseconds--) {         for(delayCount = 0; delayCount < 120; delayCount++) {             // 空循环，用于产生延时         }     } }

3.层次化架构

层次化架构是一种将系统分解为多个层次的设计方法，每个层次负责不同的功能。

着以下是一个使用C语言编写的层次化架构示例，模拟了一个具有不同权限级别的嵌入式系统。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义  // 定义不同的操作级别 typedef enum {     LEVEL_USER,     LEVEL_ADMIN,     LEVEL_SUPERUSER } OperationLevel;  // 函数声明 void systemInit(void); void performOperation(OperationLevel level); void displayMessage(char* message);  // 系统初始化后的主循环 void main(void) {     systemInit();  // 系统初始化      // 模拟用户操作     performOperation(LEVEL_USER);     // 模拟管理员操作     performOperation(LEVEL_ADMIN);     // 模拟超级用户操作     performOperation(LEVEL_SUPERUSER);      while(1) {         // 主循环可以是空闲循环或者处理其他低优先级任务     } }  // 系统初始化函数 void systemInit(void) {     // 初始化系统资源，如设置端口、中断等     // 这里省略具体的初始化代码 }  // 执行不同级别操作的函数 void performOperation(OperationLevel level) {     switch(level) {         case LEVEL_USER:           //用户操作具体代码             break;         case LEVEL_ADMIN:           //管理员操作具体代码             break;         case LEVEL_SUPERUSER:            //超级用户操作具体代码             break;     } }  // 显示消息的函数 void displayMessage(char* message) {     // 这里省略了实际的显示代码，因为单片机通常没有直接的屏幕输出     // 消息可以通过LED闪烁、串口输出或其他方式展示     // 假设通过P1端口的LED展示，每个字符对应一个LED闪烁模式     // 实际应用中，需要根据硬件设计来实现消息的显示 }

4.事件驱动架构

事件驱动架构是一种编程范式，其中程序的执行流程由事件（如用户输入、传感器变化、定时器到期等）触发。

在单片机开发中，事件驱动架构通常用于响应外部硬件中断或软件中断。

以下是一个使用C语言编写的事件驱动架构示例，模拟了一个基于按键输入的LED控制。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义  // 定义按键和LED的状态 #define KEY_PORT P3  // 假设按键连接在P3端口 #define LED_PORT P2  // 假设LED连接在P2端口  // 函数声明 void delay(unsigned int milliseconds); bit checkKeyPress(void);  // 返回按键是否被按下的状态（1表示按下，0表示未按下）  // 定时器初始化函数 void timer0Init(void)  {     TMOD = 0x01;  // 设置定时器模式寄存器，使用模式1（16位定时器）     TH0 = 0xFC;   // 设置定时器初值，用于产生定时中断     TL0 = 0x18;     ET0 = 1;      // 开启定时器0中断     EA = 1;       // 开启总中断     TR0 = 1;      // 启动定时器 }  // 定时器中断服务程序 void timer0_ISR() interrupt 1  {     // 定时器溢出后自动重新加载初值，无需手动重置     // 这里可以放置定时器溢出后需要执行的代码 }  // 按键中断服务程序 bit keyPress_ISR(void) interrupt 2 using 1  {     if(KEY_PORT != 0xFF) // 检测是否有按键按下         {           LED_PORT = ~LED_PORT;  // 如果有按键按下，切换LED状态         delay(20);  // 去抖动延时         while(KEY_PORT != 0xFF);  // 等待按键释放         return 1;  // 返回按键已按下     }     return 0;  // 如果没有按键按下，返回0 }  // 延时函数，参数是毫秒数 void delay(unsigned int milliseconds) {     unsigned int i, j;     for(i = 0; i < milliseconds; i++)         for(j = 0; j < 1200; j++);  // 空循环，用于产生延时 }  // 主函数 void main(void)  {     timer0Init();  // 初始化定时器     LED_PORT = 0xFF;  // 初始LED熄灭（假设低电平点亮LED）      while(1)      {         if(checkKeyPress())         {  // 检查是否有按键按下事件             // 如果有按键按下，这里可以添加额外的处理代码         }     } }  // 检查按键是否被按下的函数 bit checkKeyPress(void)  {     bit keyState = 0;     // 模拟按键中断触发，实际应用中需要连接硬件中断     if(1) // 假设按键中断触发     {         keyState = keyPress_ISR();  // 调用按键中断服务程序     }     return keyState;  // 返回按键状态 }

事实上，真正的事件型驱动架构，是非常复杂的，我职业生涯的巅峰之作，就是用的事件型驱动架构。

5.状态机架构

在单片机开发中，状态机常用于处理复杂的逻辑和事件序列，如用户界面管理、协议解析等。

以下是一个使用C语言编写的有限状态机（FSM）的示例，模拟了一个简单的自动售货机的状态转换。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义  // 定义自动售货机的状态 typedef enum {     IDLE,     COIN_INSERTED,     PRODUCT_SELECTED,     DISPENSE,     CHANGE_RETURNED } VendingMachineState;  // 定义事件 typedef enum {     COIN_EVENT,     PRODUCT_EVENT,     DISPENSE_EVENT,     REFUND_EVENT } VendingMachineEvent;  // 函数声明 void processEvent(VendingMachineEvent event); void dispenseProduct(void); void returnChange(void);  // 当前状态 VendingMachineState currentState = IDLE;  // 主函数 void main(void) {     // 初始化代码（如果有）     // ...      while(1)     {         // 假设事件由外部触发，这里使用一个模拟事件         VendingMachineEvent currentEvent = COIN_EVENT; // 模拟投入硬币事件          processEvent(currentEvent);  // 处理当前事件     } }  // 处理事件的函数 void processEvent(VendingMachineEvent event) {     switch(currentState)     {         case IDLE:             if(event == COIN_EVENT)             {                 // 如果在空闲状态且检测到硬币投入事件，则转换到硬币投入状态                 currentState = COIN_INSERTED;             }             break;         case COIN_INSERTED:             if(event == PRODUCT_EVENT)             {                 // 如果在硬币投入状态且用户选择商品，则请求出货                 currentState = PRODUCT_SELECTED;             }             break;         case PRODUCT_SELECTED:             if(event == DISPENSE_EVENT)             {                 dispenseProduct();  // 出货商品                 currentState = DISPENSE;             }             break;         case DISPENSE:             if(event == REFUND_EVENT)             {                 returnChange();  // 返回找零                 currentState = CHANGE_RETURNED;             }             break;         case CHANGE_RETURNED:             // 等待下一个循环，返回到IDLE状态             currentState = IDLE;             break;         default:             // 如果状态非法，重置为IDLE状态             currentState = IDLE;             break;     } }  // 出货商品的函数 void dispenseProduct(void) {     // 这里添加出货逻辑，例如激活电机推出商品     // 假设P1端口连接了出货电机     P1 = 0x00;  // 激活电机     // ... 出货逻辑     P1 = 0xFF;  // 关闭电机 }  // 返回找零的函数 void returnChange(void) {     // 这里添加找零逻辑，例如激活机械臂放置零钱     // 假设P2端口连接了找零机械臂     P2 = 0x00;  // 激活机械臂     // ... 找零逻辑     P2 = 0xFF;  // 关闭机械臂 }

6.面向对象架构

STM32的库，就是一种面向对象的架构。

不过在单片机由于资源限制，OOP并不像在高级语言中那样常见，但是一些基本概念如封装和抽象仍然可以被应用。

虽然C语言本身并不直接支持面向对象编程，但可以通过结构体和函数指针模拟一些面向对象的特性。

下面是一个简化的示例，展示如何在C语言中模拟面向对象的编程风格，以51单片机为背景，创建一个简单的LED类。

#include <reg51.h>  // 定义一个LED类 typedef struct {     unsigned char state;  // LED的状态     unsigned char pin;    // LED连接的引脚     void (*turnOn)(struct LED*);  // 点亮LED的方法     void (*turnOff)(struct LED*); // 熄灭LED的方法 } LED;  // LED类的构造函数 void LED_Init(LED* led, unsigned char pin) {     led->state = 0;  // 默认状态为熄灭     led->pin = pin;   // 设置LED连接的引脚 }  // 点亮LED的方法 void LED_TurnOn(LED* led) {     // 根据引脚状态点亮LED     if(led->pin < 8) {         P0 |= (1 << led->pin);  // 假设P0.0到P0.7连接了8个LED     } else {         P1 &= ~(1 << (led->pin - 8));  // 假设P1.0到P1.7连接了另外8个LED     }     led->state = 1;  // 更新状态为点亮 }  // 熄灭LED的方法 void LED_TurnOff(LED* led) {     // 根据引脚状态熄灭LED     if(led->pin < 8) {         P0 &= ~(1 << led->pin);  // 熄灭P0上的LED     } else {         P1 |= (1 << (led->pin - 8));  // 熄灭P1上的LED     }     led->state = 0;  // 更新状态为熄灭 }  // 主函数 void main(void) {     LED myLed;  // 创建一个LED对象     LED_Init(&myLed, 3);  // 初始化LED对象，连接在P0.3      // 给LED对象绑定方法     myLed.turnOn = LED_TurnOn;     myLed.turnOff = LED_TurnOff;      // 使用面向对象的风格控制LED     while(1) {         myLed.turnOn(&myLed);  // 点亮LED         // 延时         myLed.turnOff(&myLed); // 熄灭LED         // 延时     } }

这段代码定义了一个结构体LED，模拟面向对象中的“类。

这个示例仅用于展示如何在C语言中模拟面向对象的风格，并没有使用真正的面向对象编程语言的特性，如继承和多态，不过对于单片机的应用，足以。

7.基于任务的架构

这种我最喜欢用，结构，逻辑清晰，每个任务都能灵活调度。

基于任务的架构是将程序分解为独立的任务，每个任务执行特定的工作。

在单片机开发中，如果没有使用实时操作系统，我们可以通过编写一个简单的轮询调度器来模拟基于任务的架构。

以下是一个使用C语言编写的基于任务的架构的示例，该程序在51单片机上实现。

为了简化，我们将使用一个简单的轮询调度器来在两个任务之间切换：一个是按键扫描任务，另一个是LED闪烁任务。

#include <reg51.h>  // 假设P1.0是LED输出 sbit LED = P1^0;  // 全局变量，用于记录系统Tick unsigned int systemTick = 0;  // 任务函数声明 void taskLEDBlink(void); void taskKeyScan(void);  // 定时器0中断服务程序，用于产生Tick void timer0_ISR() interrupt 1 using 1  {     // 定时器溢出后自动重新加载初值，无需手动重置     systemTick++;  // 更新系统Tick计数器 }  // 任务调度器，主函数中调用，负责任务轮询 void taskScheduler(void)  {     // 检查系统Tick，决定是否执行任务     // 例如，如果我们需要每1000个Tick执行一次LED闪烁任务     if (systemTick % 1000 == 0)      {        taskLEDBlink();     }     // 如果有按键任务，可以类似地检查Tick并执行     if (systemTick % 10 == 0)      {        taskKeyScan();     } }  // LED闪烁任务 void taskLEDBlink(void)  {     static bit ledState = 0;  // 用于记录LED的当前状态     ledState = !ledState;  // 切换LED状态     LED = ledState;         // 更新LED硬件状态 }  // 按键扫描任务（示例中省略具体实现） void taskKeyScan(void)  {     // 按键扫描逻辑 }  // 主函数 void main(void)  {     // 初始化LED状态     LED = 0;      // 定时器0初始化设置     TMOD &= 0xF0;  // 设置定时器模式寄存器，使用模式1（16位定时器/计数器）     TH0 = 0x4C;     // 设置定时器初值，产生定时中断（定时周期取决于系统时钟频率）     TL0 = 0x00;     ET0 = 1;        // 允许定时器0中断     EA = 1;         // 允许中断     TR0 = 1;        // 启动定时器0      while(1)      {         taskScheduler();  // 调用任务调度器     } }

这里只是举个简单的例子，这个代码示例，比较适合51和stm8这种资源非常少的单片机。

8.代理架构

这个大家或许比较少听到过，但在稍微复杂的项目中，是非常常用的。

在代理架构中，每个代理（Agent）都是一个独立的实体，它封装了特定的决策逻辑和数据，并与其他代理进行交互。

在实际项目中，需要创建多个独立的任务或模块，每个模块负责特定的功能，并通过某种机制（如消息队列、事件触发等）进行通信。

这种方式可以大大提高程序可扩展性和可移植性。

以下是一个LED和按键代理的简化模型。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义  // 假设P3.5是按键输入，P1.0是LED输出 sbit KEY = P3^5; sbit LED = P1^0;  typedef struct  {     unsigned char pin;    // 代理关联的引脚     void (*action)(void); // 代理的行为函数 } Agent;  // 按键代理的行为函数声明 void keyAction(void); // LED代理的行为函数声明 void ledAction(void);  // 代理数组，存储所有代理的行为和关联的引脚 Agent agents[] =  {     {5, keyAction},  // 按键代理，关联P3.5     {0, ledAction}   // LED代理，关联P1.0 };  // 按键代理的行为函数 void keyAction(void)  {     if(KEY == 0) // 检测按键是否被按下         {           LED = !LED;   // 如果按键被按下，切换LED状态         while(KEY == 0);  // 等待按键释放     } }  // LED代理的行为函数 void ledAction(void)  {     static unsigned int toggleCounter = 0;     toggleCounter++;     if(toggleCounter == 500)  // 假设每500个时钟周期切换一次LED         {          LED = !LED;               // 切换LED状态         toggleCounter = 0;        // 重置计数器     } }  // 主函数 void main(void)  {     unsigned char agentIndex;     // 主循环     while(1)      {         for(agentIndex = 0; agentIndex < sizeof(agents) / sizeof(agents[0]); agentIndex++)          {             // 调用每个代理的行为函数             (*agents[agentIndex].action)(); // 注意函数指针的调用方式         }     } }

9.组件化架构

组件化架构是一种将软件系统分解为独立、可重用组件的方法。

将程序分割成负责特定任务的模块，如LED控制、按键处理、传感器读数等。

每个组件可以独立开发和测试，然后被组合在一起形成完整的系统。

以下是一个简化的组件化架构示例，模拟了一个单片机系统中的LED控制和按键输入处理两个组件。

为了简化，组件间的通信将通过直接函数调用来模拟。

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义  // 定义组件结构体 typedef struct  {     void (*init)(void);      // 组件初始化函数     void (*task)(void);       // 组件任务函数 } Component;  // 假设P3.5是按键输入，P1.0是LED输出 sbit KEY = P3^5; sbit LED = P1^0;  // LED组件 void LED_Init(void)  {     LED = 0;  // 初始化LED状态为关闭 }  void LED_Task(void)  {     static unsigned int toggleCounter = 0;     toggleCounter++;     if (toggleCounter >= 1000) // 假设每1000个时钟周期切换一次LED     {           LED = !LED;                // 切换LED状态         toggleCounter = 0;         // 重置计数器     } }  // 按键组件 void KEY_Init(void)  {     // 按键初始化代码 }  void KEY_Task(void)  {     if (KEY == 0) // 检测按键是否被按下     {          LED = !LED;  // 如果按键被按下，切换LED状态        while(KEY == 0);  // 等待按键释放     } }  // 组件数组，存储系统中所有组件的初始化和任务函数 Component components[] =  {     {LED_Init, LED_Task},     {KEY_Init, KEY_Task} };  // 系统初始化函数，调用所有组件的初始化函数 void System_Init(void)  {     unsigned char componentIndex;     for (componentIndex = 0; componentIndex < sizeof(components) / sizeof(components[0]); componentIndex++)      {         components[componentIndex].init();     } }  // 主循环，调用所有组件的任务函数 void main(void)  {     System_Init();  // 系统初始化     while(1)      {         unsigned char componentIndex;         for (componentIndex = 0; componentIndex < sizeof(components) / sizeof(components[0]); componentIndex++)         {             components[componentIndex].task();  // 调用组件任务         }     } }

以上几种，我都整理到单片机入门到高级资料+工具包了，大家可自行在朋友圈找我安排。