要做到嵌入式应用的代码逻辑清晰,且避免重复的造轮子,没有好的应用架构怎么行。

 

如果没有好的架构,移植将会是一件很痛苦的事情。

 

如果没有好的架构,复用是最大的难题,没法更大限度的复用原有的代码。

 

如果没有好的架构,一旦驱动改了,所有的地方都要改,费时费力且很容易出错。

 

如果没有好的架构,应用层中穿插着硬件驱动层的代码,看着会是一片混乱,逻辑不清,代码维护起来会很困难。

 

这里总结下我的嵌入式程序设计思路,分享出来与大家共同探讨,同时也欢迎提出不同意见。

 

现在的小朋友都爱玩搭积木的游戏,一个模块一个模块的拼装起来,快速组成各种不同的模型。

 

现在的产品设计也很少从零开始。大都复用现有成熟的模块,专注于某个擅长领域。

 

我的嵌入式应用架构思路来源与此,即功能模块设计与分层。

 

把 API 分为驱动层和应用层 API,而不是所有程序都调用驱动层 API。(整个应用中都调用驱动层 API 会导致应用中驱动调用随处可见,无法移植和最大限度的复用)

 

先把一个应用进行功能模块划分,并对整体结构进行分层,然后设计出功能独立的各个模块(如算法模块,文件库模块,通信库模块),在模块之上开放公共接口。

 

驱动层提供出公共接口供上层调用。各个功能模块可以独立编译(如算法模块纯 ANSI C,可在任意平台复用),或者调用驱动层接口(文件库模块调用了驱动读写 Flash),总而言之,言而总之,封装出各个功能独立的可复用的功能模块。

 

总体分 硬件驱动层 -->功能模块层 -->应用接口层 -->业务逻辑层 -->应用层

 

总体结构示意框图:

 


应用层,为程序的总体的运行框架,组织调用业务逻辑。可以用某种嵌入式操作系统实现几种任务 。如定时任务,卡处理任务,菜单任务,通信任务。

 

业务逻辑层,如 CPU 卡处理,交通部卡处理,银联卡处理,M1 卡处理,通信记录上传,黑名单下载,票价参数下载等。

 

应用接口层,提供公共的 api 接口供应用接口供上层调用。这些接口也可由下层的功能模块开放出来,应用接口层负责汇总。

 

功能模块层,可以封装不同的功能模块。如算法库,文件库,通信库,银联库,向上提供应用接口层的接口,向下调用驱动接口。

 

硬件驱动层,由各个驱动模块组成,向上提供统一的接口。

 

遵循一些约定,

1. 每个模块提供出的接口要统一,后续只能增,不能改原来的接口。

2. 模块与模块之间相互独立,互不影响,不能相互调用,只能调用它下层的接口。

3. 由模块构成层,层与层之间不能跨级调用。如在应用层中不能看到直接调用驱动层的代码。

4. 模块中又可以继续分层,如接口层,驱动层,硬件层。

 

如果驱动变动了,或者换不同平台,只需更改驱动层,应用层不受影响。

 

如果功能模块变动了,只需升级功能功能模块,其他的模块不受影响,应用层也不受影响。

 

按照这种逻辑设计好之后,主要的工作就是在业务逻辑层。应用层则为程序的总体流程和框架,主要调用业务逻辑层实现不同的功能。

 

我们现在的代码结构,基本是按这个思路来的。

 

硬件驱动层 -->功能模块层 -->应用接口层 -->业务逻辑层 -->应用层。

 

看看以下两种风格的代码,你更喜欢哪个。

 


另一种风格:

 


同样是保存参数,非要拆成 AlgCRC16 ,WritePraFlash( (unsigned char *)&NetPra , NETPRA_ADDR , sizeof(_NetPra) )两步吗?

 

还有 AH_Para_Verify 这个,在应用层中真是多余啊,检测失败又从 Flash 读取。关于参数,一开机就应该检测合法性了。

 


既然都是要保存参数,就应该做个封装,如上图所示,把系统用到的不同参数做个规划。应用层调用 APP_Open_UseFile 或者 APP_Read_UseFile,

 

而不是直接的去读写 Flash。

 

来看看赫赫有名的谷歌的 android 架构,虽然很复杂,但从框图上看,也像是搭积木,各个功能模块独立,层次分明。最低层建立在 linux Kernel 基础上,然后是各个组件库 libraries,再往上是应用框架和应用。

 


以 NC_FileLib,文件库模块为例,如果要用在其他平台,如 EH0918 手持机设备,只需要移植几个硬件层接口即可。

 


NC_FileSys 文件库,跟硬件相关的接口在 Hook 文件夹,

void HW_FRAM_Init( void )

unsigned int HW_FRAM_Read( unsigned int addr,unsigned

int size,unsigned char *buffer)

unsigned int HW_FRAM_Write( unsigned int addr,

unsigned int size,unsigned char *buffer )

// 擦除 FLASH 一页 (FLASH 擦除的最小单元)

unsigned int HW_Flash_PageErase( unsigned int page )

unsigned int HW_Flash_Read( unsigned int addr,

unsigned int size, unsigned char *buffer )

unsigned int HW_Flash_NotEraseWrite( unsigned

int addr, unsigned int size, unsigned char *buffer )

// 擦除 FLASH 一页 (FLASH 擦除的最小单元)

unsigned int HW_Flash_PageErase( unsigned int page )

 

按照以上模块化设计思想,很容易实现一模拟 pos 机。

 

以开发一个智能 pos 应用为例:

一个智能 pos 涉及到的功能模块有:

读写卡功能,保存与读取消费记录,查找保存黑名单,界面显示,菜单显示,通信下载参数上传记录等。

 

以下为移植功能模块到电脑上,自己做的一个模拟 Pos 工具:

在电脑上实现一模拟 pos(只是功能上的实现,完成刷卡消费,记录存储,记录上传,黑名单,票价下载等功能。界面为 Dos 窗口。后续如果用 QT 把界面也做出来,就是一功能齐全的模拟 POS 机,不过得把荒废多年的 C++重新拾起来了。可以继续完善做一个上位机模拟 pos,改变编译器在上位机仿真调试并交叉编译后运行在真实 POS 上)。

 

用到的功能模块有 文件存储模块,卡处理模块,算法模块,银联库模块。我把这些模块移植到电脑上。

 

关于卡处理模块的实现,由于电脑上没读卡头,于是用外接读卡器。把读卡器串口接电脑上。电脑上做一读写卡服务,提供 TCP 接口的读写卡接口。

 

移植文件库,嵌入式程序中是操作的 flash,在电脑上把文件库中用到的接口用读写文件的形式替换。

 

移植算法库,算法库都是 c 写的,直接用 gcc 在 windows 平台重新编译即可。

实现效果:

 

 

第 7 项,模拟 POS 与银联通信:

 


POSP 模拟器为模拟银联后台的一个工具。运行 bus,exe 进行签到,下载 IC 卡参数与公钥并保存至电脑上,

 


第 5 项,银联卡消费:

 


读卡器通过串口接到电脑上,电脑上运行读写卡服务 tcpserver.exe,,提供读写卡 APDU 指令接口。利用之前做的小工具远程读卡器。

 


有时候为了测试卡片消费,不能每次都重新编译进来吧,这时候可以利用 LUA 脚本。选择第 11 项。把需要测试卡片的指令写进 LUA 脚本,然后执行,

 

如图所示:

 


执行结果:

 


封装的功能模块,即各种库如下:

liblua.a 执行 lua 脚本使用

libblkfile.a 黑名单查找与存储

libmaycalc.a 算法库,如 SHA,DES 算法

libmycard.a 卡库,提供操作卡片的 APDU

libmyfile.a 文件库,提供文件存储与读取

libmycom.a 通信库,提供 socket 通信

libmyup.a 银联库,银联卡处理逻辑与银联后台通信业务

 


其中,libmyblkfile 库的 makefile 文件如下:

########################################

#makefile

########################################

BINARY= libmyblkfile

CC= gcc

LD= ld

CFLAGS= -std=c99 -g

LDSCRIPT=

LDFLAGS= -Llib

OBJS= AH_BlackList.o AH_BlkDirFileLib.o APP_Blacklist.o

#CFLAGS=-std=c99

.PHONY: clean

all:images

images: $(BINARY).a

$(OBJS):%.o:%.c

$(CC) -c $(CFLAGS) $< -o $@

%.a: $(OBJS)

ar crv $(*).a $(OBJS)

cp libmyblkfile.a ../

clean:

rm -f *.o

 

主程序的 makefile 文件如下:

########################################

#makefile

########################################

#编译指定子目录

SUBDIRS := .\\lib\\NC_Com\

.\\lib\\NC_FileSys\

.\\lib\\NC_BlkFile\

.\\lib\\NC_Card\\NC_Card_Lib\

.\\lib\\NC_UPCash\\NC_UPCash_Lib

define make_subdir

@ for subdir in $(SUBDIRS) ; do \

( cd $$subdir && make $1) \

done;

endef

#编译主程序

BINARY := ./bin/bus

OBJ_DIR := ./obj/

CC= gcc

LD= ld

CFLAGS= -std=c99 -Wall -g

LDSCRIPT= -lmycom -lws2_32 -liconv -lmyfile -lmycard -lmyup -lmycalc -lmyblkfile -llua

LDFLAGS= -Llib

SRC = $(wildcard *.c)

DIR = $(notdir $(SRC))

OBJS = $(patsubst %.c,$(OBJ_DIR)%.o,$(DIR))

#OBJS= main.o myutils.o inirw.o cmdpboc.o cputest.o bustcp.o ansrec.o m1cmd.o m1api.o m1test.o upcash.o myother.o getsys.o

#CFLAGS=-std=c99

#@echo Building lib...

#$(call make_subdir)

.PHONY: clean lib

all: prebuild $(BINARY).exe

prebuild:

@echo Building app...

$(BINARY).exe : $(OBJS)

@echo Generating ...

$(CC) -o $(BINARY).exe $(OBJS) $(LDFLAGS) $(LDSCRIPT)

@echo OK!

$(OBJ_DIR)%.o : %.c

$(CC) -c $(CFLAGS) $< -o $@

lib:

@echo Building lib...

$(call make_subdir)

clean:

rm -f $(OBJ_DIR)*.o

@echo Removed!

 


各个功能模块,又可以进一步细分为子模块。

 

拿通信库举例:

嵌入式设备都需要支持各种不同的通讯模块。比如硬件设备有 A701、A801、B502 等,通讯模块有 GL868、MG323、MC8630、N710、ZIGBEE 等,这些设备分别支持全部或部分通讯模块。

 

整体架构分为如下:

 


驱动大致分为三层:

1、接口层:为用户提供统一的接口,比如:Connect、TxData、RxData、Disconnect 等。

2、驱动层:向接口层暴露统一的接口,这些接口用于完成实际的连接断开和数据收发等,比如:DevConnect、DevTxData、RxData、Disconnect 等。该层只会和支持的通讯模块相关,不会直接访问任何硬件功能,包括串口通讯、GPIO 控制全部通过底层的设备层实现。

3、设备层:向驱动层提供统一的接口,这些接口通过访问物理硬件来实现和模块的通讯,比如:XXXPowerOn、SerialSend、SerialReceive 等,并定义该设备支持哪些模块。

 

三层之间通过标准的接口进行互相访问。

 

1、接口层对外接口(用户操作通讯模块使用的 API):

uint32_t Com_Dev_Start(void);

// 设备重新上电,并和网络建立连接

uint32_t Com_Dev_Restart(void);

// 设备断网断电

uint32_t Com_Dev_Stop(void);

// 连接远端服务器

uint32_t Com_Dev_Connect(uint8_t *ip, uint16_t port, uint32_t timeout, uint32_t channel);

// 断开连接

uint32_t Com_Dev_Disconnect(uint32_t channel);

// 发送数据

uint32_t Com_Dev_TxData(uint8_t *buf, uint32_t len, uint32_t timeout, uint32_t channel);

// 接收数据

uint32_t Com_Dev_RxData(uint8_t *buf, uint32_t *rxlen, uint32_t len, uint32_t timeout, uint32_t channel);

// 获取信号质量

uint32_t Com_Dev_GetSQ(uint8_t *csq);

 

2、驱动层对接口层的接口(对接口层屏蔽各通讯模块的差异):

struct ComDevFunc{

uint32_t (*start)(ComDevDesc *dev);

uint32_t (*restart)(ComDevDesc *dev);

uint32_t (*stop)(ComDevDesc *dev);

uint32_t (*connect)(ComDevDesc *dev, uint8_t *ip, uint16_t port, uint32_t timeout, uint32_t channel);

uint32_t (*disconnect)(ComDevDesc *dev, uint32_t channel);

uint32_t (*txData)(ComDevDesc *dev, uint8_t *buf, uint32_t len, uint32_t timeout, uint32_t channel);

uint32_t (*rxData)(ComDevDesc *dev, uint8_t *buf, uint32_t *rxlen, uint32_t len, uint32_t timeout, uint32_t channel);

uint32_t (*getVer)(ComDevDesc *dev, uint8_t *buf, uint32_t versize);

uint32_t (*getCSQ)(ComDevDesc *dev, uint8_t *csq);

};

 

3、设备层对驱动层提供的接口(屏蔽串口号、GPIO 引脚等平台相关的内容):

int Com_PortOpen(uint32_t baud);

int Com_PortClose(void);

int Com_PortSend(uint8_t *buf, int len);

int Com_PortRecv(uint8_t *buf, int len, int timeout);

int Com_PortGetLen(void);

int Com_PortFlush(void);

// 具体硬件相关函数,在 Model_XXXXX.h 中实现

// 仅需实现平台支持的模块即可

void COM_GL868Power(int state);

void COM_MC8332Power(int state);

void COM_MG323Power(int state);

void COM_EMV3081Power(int state);

void COM_CC2530Power(int state);

void COM_N710Power(int state);

 

2. 目录结构

│ ComAPI.c ----- 通讯库 API 实现

│ ComAPI.h ----- 通讯库 API 声明(接口层 API)

│ ComDevs.c ----- 供驱动使用的公共定义和工具函数

│ ComDevs.h ----- 供驱动使用的公共定义和工具函数(驱动层 API)

│ Readme.txt

├─Devices ----- 存放各种模块的驱动程序

│ Dev_CDMA_MC8332.c

│ Dev_CDMA_MC8332.h

│ Dev_GPRS_GL868.C

│ Dev_GPRS_GL868.h

│ Dev_WIFI_EMV3081.c

│ Dev_WIFI_EMV3081.h

└─Models ----- 存放适配各种设备型号的目录

Model.h ----- 设备层 API

Model_A701.c

Model_B502.c

 

3. 支持新模块的方法

比如 A701 设备要新增支持 SUPER123 模块

1、在 Devices 目录中增加一个文件 Dev_6G_SUPER123.c 并实现 ComDevFunc 结构中定义的各函数

2、在设备文件 Model_A701.c 中增加电源控制函数 COM_SUPER123Power。

3、在设备文件 Model_A701.c 中添加驱动函数到 gComFuncs 数组中。

4. 适配新设备的方法

 

1、在 Models 目录新增加一个文件 Model_XXXX.c

2、实现串口通讯函数(Com_PortXXXX 系列,参考 Model.h 中的定义)

3、实现支持的通讯模块的上下电函数 COM_XXXXPower(int state);

4、实现 gComFuncs 数组,其中引用所有支持模块的驱动函数。

5. 对部分系统函数的引用

 

对于部分系统相关函数,比如延时、调试信息的打印等,全部提供默认实现,并将默认实现声明为弱函数。这样当用户需要进行自定义的时候可以进行自定义,如果不需要可以直接忽略不会造成编译错误。

 

这样的函数有如下三个:

void Com_Hook_Printf(char* fmt, ...);

void Com_Hook_PrintHex(uint8_t* buf, int len);

// 重定义延时功能,如果使用操作系统的话可以充分利用操作系统的调度特性,避免死等造成的浪费

void Com_Hook_DelayMs(uint32_t ms);

 

6. 驱动中普遍使用的功能

对于部分编写通讯模块驱动常用的功能,模块中提供了一系列的辅助函数,避免重复劳动