多層模型在嵌入式軟件開發(fā)中的應(yīng)用研究

張智慧

摘 要： 分層架構(gòu)已經(jīng)在軟件開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了軟件開發(fā)的工程化管理，提高了軟件的質(zhì)量和效率。文將多層軟件框架模型引入到嵌入式應(yīng)用開發(fā)，按照系統(tǒng)功能進(jìn)行分層隔離封裝，降低功能模塊間的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)出包含應(yīng)用管理層、算法協(xié)議層、功能拓展層和硬件驅(qū)動(dòng)層等四層架構(gòu)模型，明確各層間的接口和調(diào)用關(guān)系，較好地解決了軟件開發(fā)的復(fù)用性和可靠性問題。文章給出了應(yīng)用案例。

關(guān)鍵詞： 多層模型； 嵌入式系統(tǒng)； 軟件開發(fā)； 可靠性

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2017）04-17-04

Abstract： The layered architecture has been widely used in software development， to facilitate the engineering management of software development， and improve the quality and efficiency of the software. In this paper， the multilayer software framework model is used in the development of embedded application software， and the functions of the system are separated and encapsulated to reduce the coupling between the modules. The four-layer architecture model is designed， which includes application management layer， algorithm protocol layer， function extension layer and hardware driver layer， the interface and calling method between different layers are defined， and the problems of reusability and reliability of embedded application software development are solved quite good， which are shown with a case study.

Key words： multilayer model； embedded system； software development； reliability

0 引言

隨著嵌入式應(yīng)用的快速發(fā)展，嵌入式軟件系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜度日益增長(zhǎng)，對(duì)軟件開發(fā)的質(zhì)量和效率提出更高要求。從軟件工程角度來看，嵌入式軟件開發(fā)主要面臨兩類問題，一是如何盡可能地提高軟件的可復(fù)用性，二是如何適應(yīng)用戶需求、硬件環(huán)境變化快速調(diào)整。分層架構(gòu)已經(jīng)在軟件開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，能夠有效降低功能模塊間的耦合關(guān)系，提高軟件開發(fā)效率，如基于物理架構(gòu)劃分的C/S和B/S模式，基于邏輯架構(gòu)劃分的MVC、MVP、MVVM模式等。隨著處理器性能的提升、對(duì)外接口的豐富，傳統(tǒng)軟件開發(fā)方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)要求。本文研究探討了多層模型在嵌入式軟件開發(fā)中體系架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并給出了應(yīng)用案例。

1 多層軟件開發(fā)模型

在軟件開發(fā)中，合理確定軟件體系架構(gòu)的重要性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了特定算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇。軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)包含了從軟件框架、功能設(shè)計(jì)、程序開發(fā)到應(yīng)用軟件部署的完整解決方案。通過分層技術(shù)，很多復(fù)雜的問題得以分割、簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)化成具體的程序?qū)崿F(xiàn)。分析嵌入式軟件開發(fā)特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)軟件體系架構(gòu)、劃分功能層次，有助于提高軟件開發(fā)質(zhì)量。

1.1 軟件開發(fā)中的分層技術(shù)

分層技術(shù)就是通過對(duì)用戶需求問題進(jìn)行梳理，抽象出軟件結(jié)構(gòu)中不同功能領(lǐng)域，合理界定內(nèi)部各層次之間的依賴關(guān)系，簡(jiǎn)化功能模塊的開發(fā)實(shí)現(xiàn)，最終將系統(tǒng)問題轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖O(shè)計(jì)，支持軟件系統(tǒng)需要完成的所有功能。在軟件開發(fā)過程中，面向的應(yīng)用場(chǎng)景越復(fù)雜，解決問題需要的層次劃分就越多，層次間的依賴關(guān)系、接口關(guān)系設(shè)計(jì)難度就越大。分層方法有多種，但并沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)，在保證軟件功能實(shí)現(xiàn)前提下，一是各層解決不同的問題，簡(jiǎn)化軟件實(shí)現(xiàn)，能夠?yàn)樯蠈討?yīng)用提供支撐；二是某一層的軟件設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題，只會(huì)影響到該層次的上下結(jié)構(gòu)，不會(huì)影響軟件系統(tǒng)的整體；三是每層內(nèi)部再進(jìn)行縱向或橫向上的功能劃分，盡量實(shí)現(xiàn)軟件功能的高內(nèi)聚、低耦合。

1.2 嵌入式系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)

通常將嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)從技術(shù)結(jié)構(gòu)上分為四個(gè)層次，包括硬件平臺(tái)、BSP及設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、調(diào)度系統(tǒng)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

⑴ 硬件平臺(tái)層。核心微處理器包括嵌入式微處理器（如ARM系列），以及基于DSP或CPLD/FPGA的開發(fā)，微處理器一般具有豐富的對(duì)外接口，如UART、I2C等。外圍功能電路包括鍵盤、數(shù)碼管、液晶屏、控制電路、高頻電子、開關(guān)電源等。

⑵ 設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。實(shí)現(xiàn)處理器片內(nèi)硬件外設(shè)和片外硬件外設(shè)驅(qū)動(dòng)的API，同時(shí)提供底層算法API，包括GPIO、定時(shí)器、ADC/DAC、SPI、I2C、CAN等片內(nèi)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)及API實(shí)現(xiàn)，片外外設(shè)（水平儀、溫度傳感器、UART）的驅(qū)動(dòng)及API實(shí)現(xiàn)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層相對(duì)比較獨(dú)立，一般是基于操控底層硬件的低級(jí)語(yǔ)言建立硬件的抽象層，為上層應(yīng)用提供接口。

⑶ 調(diào)度系統(tǒng)層。采用嵌入式操作系統(tǒng)（如Linux、android等）或直接編寫調(diào)度器。一般包括嵌入式操作系統(tǒng)和部分基礎(chǔ)應(yīng)用裁剪，或在現(xiàn)有調(diào)度器（如Protothread）基礎(chǔ)上編寫內(nèi)存管理、電源管理等專用系統(tǒng)。

⑷ 應(yīng)用層。包括人機(jī)接口與GUI開發(fā)、核心算法及業(yè)務(wù)應(yīng)用，很多應(yīng)用還包括數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信、RFID、藍(lán)牙通信等應(yīng)用開發(fā)。

1.3 嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)的分層模型

嵌入式應(yīng)用軟件對(duì)功能、可靠性有著嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的軟件開發(fā)方式，主要是針對(duì)外設(shè)硬件電路功能，完成相應(yīng)的軟件功能模塊開發(fā)，當(dāng)硬件或應(yīng)用需求發(fā)生變化時(shí)，很多模塊都需要重新開發(fā)，代碼重用性低，開發(fā)調(diào)試難度大，軟件的適應(yīng)性和維護(hù)性也不好。隨著嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)越來越復(fù)雜，這一矛盾變得日益突出。采用分層技術(shù)，對(duì)嵌入式應(yīng)用軟件系統(tǒng)進(jìn)行邏輯上的合理設(shè)計(jì)，成為提高軟件開發(fā)效率、執(zhí)行效率和維護(hù)效率的關(guān)鍵。

按照“高內(nèi)聚，低耦合”的原則，對(duì)嵌入式應(yīng)用軟件系統(tǒng)輸入/輸出、應(yīng)用調(diào)度、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、算法模型、接口訪問、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫(kù)等功能進(jìn)行重新劃分，降低應(yīng)用邏輯和業(yè)務(wù)模型、軟件功能和硬件電路的耦合性和依賴關(guān)系，可以區(qū)分為應(yīng)用管理層、算法協(xié)議層、功能拓展層、硬件驅(qū)動(dòng)層等四個(gè)層次。四層結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

從圖2可以看出，經(jīng)過重新分層后，使得整個(gè)應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)變得更加清晰和靈活，一個(gè)成熟的模型算法能夠支持多個(gè)應(yīng)用邏輯，一個(gè)成熟的軟件功能模塊能夠適應(yīng)不同的硬件環(huán)境，最大限度地提高了軟件的可復(fù)用性。對(duì)于一個(gè)項(xiàng)目，采用上述分層模型后，其后期維護(hù)擴(kuò)展只需對(duì)應(yīng)用管理層進(jìn)行修改并根據(jù)需要完善功能拓展層；新上項(xiàng)目可以復(fù)用算法協(xié)議層和功能拓展層的相關(guān)功能模塊，大大簡(jiǎn)化項(xiàng)目開發(fā)，而且隨著模塊的不斷積累，成熟的功能模塊會(huì)越來越完善，軟件開發(fā)質(zhì)量和效率能夠得到很大提升。由于在硬件驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)了硬件無關(guān)，故只需完善硬件驅(qū)動(dòng)層就可以實(shí)現(xiàn)不同硬件之間的移植。

2 基于C語(yǔ)言的軟件框架設(shè)計(jì)

由于C語(yǔ)言具備良好的跨平臺(tái)特性，并提供了許多低級(jí)處理的功能，在嵌入式應(yīng)用開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。但C語(yǔ)言作為一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，主要是依據(jù)功能進(jìn)行模塊劃分，在實(shí)現(xiàn)分層模型的過程中，需要制定相應(yīng)的開發(fā)策略。

2.1 框架設(shè)計(jì)

按照分層模型，在軟件開發(fā)文件規(guī)劃時(shí)，要避免不同層次的功能模塊放在同一個(gè)實(shí)現(xiàn)文件中，影響代碼重用，同時(shí)由于C語(yǔ)言沒有面向?qū)ο蟮姆庋b特性，數(shù)據(jù)和功能函數(shù)相對(duì)分離，應(yīng)盡量將操作數(shù)據(jù)相同的函數(shù)放在一起。

⑴ 應(yīng)用管理層。主要包括用戶主程序main以及實(shí)現(xiàn)輸入交互、任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理等功能模塊，通過調(diào)度相應(yīng)的功能模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)際任務(wù)的運(yùn)行。一般包括以下幾部分：

初始化各類硬件；

初始化各類軟件參數(shù)；

While（1） {

調(diào)用功能函數(shù)（算法協(xié)議層相關(guān)功能模塊）；

響應(yīng)中斷；

按照業(yè)務(wù)邏輯修改狀態(tài)數(shù)據(jù)；

等待； }

應(yīng)用管理層的各功能模塊可以放在一個(gè)main.c文件中，也可以放在不同的實(shí)現(xiàn)文件，在main.c中進(jìn)行引用。

⑵ 算法協(xié)議層。主要包括模型算法、協(xié)議解析、文件管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用所有功能。該層功能模塊從應(yīng)用管理層接收狀態(tài)參數(shù)，按照業(yè)務(wù)處理邏輯進(jìn)行處理，并調(diào)用功能拓展層的功能模塊，完成系統(tǒng)運(yùn)行功能，并返回狀態(tài)和結(jié)果數(shù)據(jù)。

核心算法和業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)基本上都在該層完成，也包括已有的協(xié)議棧、軟件包、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)等功能模塊。

⑶ 功能拓展層。主要實(shí)現(xiàn)器件的無關(guān)性，提供各種拓展功能和器件的通用性處理、接口訪問等功能模塊。該層功能模塊主要實(shí)現(xiàn)特定器件相關(guān)的通用功能，如LCD的線、圓、矩形等處理，一般不同的器件采用不同的實(shí)現(xiàn)文件，通過文件名進(jìn)行區(qū)分。

⑷ 硬件驅(qū)動(dòng)層。主要實(shí)現(xiàn)硬件的無關(guān)性，提供硬件的基本功能操作。如LCD的初始化、定位、寫點(diǎn)、寫字節(jié)等。為了保證代碼的通用性，針對(duì)不同硬件的相同功能的外部函數(shù)都盡量一致，一種特定硬件對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)現(xiàn)文件，并通過文件名進(jìn)行區(qū)分。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言并不提供軟件框架管理，需要用戶自己來管理工程文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類功能模塊的分層管理。

⑴ 工程文件結(jié)構(gòu)。將系統(tǒng)功能模塊按照文件夾在工程項(xiàng)目?jī)?nèi)進(jìn)行組織，一般應(yīng)用管理層的功能模塊放在根目錄，其他三個(gè)層的功能模塊分別存放在ModelFuc、ComFuc、Hardrv文件夾，文件的命名遵循統(tǒng)一的規(guī)范。開發(fā)過程中，可以充分利用分層模型的優(yōu)勢(shì)，各層功能的開發(fā)人員在不同的文件夾內(nèi)進(jìn)行并行工作，實(shí)現(xiàn)工程化管理。每層功能模塊的開發(fā)調(diào)用下一層的功能模塊，盡量避免交叉調(diào)用或越級(jí)調(diào)用。

⑵ 模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的高內(nèi)聚性，應(yīng)少用或不用全局變量，盡量通過函數(shù)參數(shù)來傳遞數(shù)據(jù)。在編程過程中，要采用一定的技術(shù)措施，提高代碼的可重用性，比如在頭文件中增加防止重復(fù)包含處理，在函數(shù)內(nèi)部增加錯(cuò)誤處理機(jī)制等。

3 應(yīng)用案例

本案例是利用角速度傳感器制作一個(gè)電子羅盤，在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示手持設(shè)備的方位。由于已經(jīng)開發(fā)過類似的應(yīng)用，硬件也沿用了原來的硬件設(shè)計(jì)，算法協(xié)議層、功能拓展層、硬件驅(qū)動(dòng)層的功能模塊直接復(fù)用原來的代碼，通過在應(yīng)用管理層實(shí)現(xiàn)羅盤顯示位置、大小和延時(shí)設(shè)定，增加顯示X、Y、Z軸數(shù)值，就完成了項(xiàng)目開發(fā)，而且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

整個(gè)工程文件結(jié)構(gòu)如圖3所示。Hardrv文件夾存放LCD、角速度傳感器，以及電源設(shè)備的硬件驅(qū)動(dòng)模塊。ComFuc文件夾存放LCD畫圖、字體顯示、羅盤數(shù)值轉(zhuǎn)換等功能模塊。ModelFuc存放羅盤顯示功能模塊，在進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到復(fù)用，可以通過參數(shù)設(shè)定羅盤顯示大小比例、指針顯示位置。在compass.c模塊中，讀取傳感器的X、Y、Z軸數(shù)值，調(diào)用羅盤顯示功能模塊，并調(diào)用字體顯示功能進(jìn)行各個(gè)方向軸的數(shù)值顯示，實(shí)現(xiàn)電子羅盤應(yīng)用功能。LCD顯示功能在各層分部的示例代碼如下：

應(yīng)用管理層→uint Show_Compass（ uint x， uint y， uint

z，uint pcolor）； //顯示當(dāng)前x、y、z軸數(shù)值對(duì)應(yīng)的羅盤，顯示區(qū)域大小設(shè)為全局變量，完成顯示邏輯轉(zhuǎn)換后調(diào)用畫羅盤指針函數(shù)。

算法模型層→uint Draw_Compass（uint cx， uint cy， uint

len， uint angle， uint pcolor）； //畫羅盤指針，cx、cy為中心位置，轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)后調(diào)用畫線函數(shù)。

功能拓展層→uint Lcd_Line（uint x1， uint y1， uint x2，

uint y2， uint pcolor）；//畫線，調(diào)用畫點(diǎn)函數(shù)。

硬件驅(qū)動(dòng)層→uint Lcd_Pixel（uint x， uint y， uint pcolor）；

//驅(qū)動(dòng)LCD進(jìn)行畫點(diǎn)。

從該案例可以看出，硬件驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件功能的封裝，功能拓展層實(shí)現(xiàn)軟件功能的通用化，對(duì)硬件功能和數(shù)據(jù)的進(jìn)一步封裝，提供簡(jiǎn)單有效的訪問手段，能夠供不同的業(yè)務(wù)處理使用。算法協(xié)議層對(duì)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行封裝，能夠成為可直接解決應(yīng)用問題的功能模塊。應(yīng)用管理層負(fù)責(zé)整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)度、控制和管理。層與層之間耦合性大大降低，提高了軟件功能模塊的開發(fā)效率和可復(fù)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

多層模型提供了嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)良好的架構(gòu)，功能模塊劃分更加合理、規(guī)范，軟件可復(fù)用性大大提高。本文給出的軟件框架設(shè)計(jì)，能夠有效解決使用C語(yǔ)言進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)編程時(shí)框架結(jié)構(gòu)分散問題，使得開發(fā)人員的思路更加清晰，便于工程化管理。在嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)過程中采取多層模型，具有較高的可擴(kuò)展性，能夠不斷積累成熟軟件功能模塊，降低軟件后期維護(hù)難度，提高項(xiàng)目開發(fā)的質(zhì)量和效率。

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