【嵌入式】软件架构——嵌入式软件抽象层

谷谷小师妹

【嵌入式】软件架构——嵌入式软件抽象层

来源：狗哥嵌入式 https://zhuanlan.zhihu.com/p/600061712

软件架构这东西，众说纷纭，各有观点。什么是软件架构，我们能在网上找到无数种定义。比如，我们可以这样定义：软件架构是软件系统的基本结构，体现在其组件、组件之间的关系、组件设计与演进的规则，以及体现这些规则的基础设施。怎么定义一般来说，基本上不重要，我们不是在写学术书籍，工程人员嘛，只关心软件架构能解决什么问题。软件架构不是制定出来的，而是产品和业务需求所决定的，架构师所做的，只是忠于需求，并合理的表达了需求。软件架构也从来都不是一成不变的。在产品或者产品线的整个生命周期中，随着业务和需求的变化，软件架构不断发展和变化，以适应新的需要。软件架构，也不是一个简单的项目问题，而是产品或产品线的技术战略问题。一个良好设计并推广的软件架构，能带来如下好处。
• 最大限度地减少不必要的返工
• 使嵌入式软件在宏观层面建立规划
• 增强复用性，降低开发成本
• 便于团队内部的技术培训
• 使技术积累更加容易

我经常看到的一个常见问题是，新手工程师，由于经历与知识不足，往往看不到项目全貌，很难深刻理解软件架构，他们往往要经过多年的专业训练，才能逐渐建立架构意识。但软件架构真的只是资深工程师和架构师的专利吗？这个也不见得。古人作文，讲究立意为先。今天工程师做项目和产品，也应该先立意。这个意，就是指要有高度。工程师入门能从软件架构的高度出发，看待软件问题，相信对软件的理解，会更加深刻一些。因此，我总结了软件架构的六个步骤，供嵌入式工程师参考。
1. 隔离硬件相关代码，建立抽象层
2. 建立统一的软件基础设施
3. 妥善识别和处理产品数据
4. 功能分层与分解
5. 组件及其接口设计
6. 测试、调试与跨平台开发的支持

需要注意的是，看完这六篇文章，并不足以保证嵌入式工程师学会软件架构。嵌入式软件架构师，是不可培养的。但至少，嵌入式工程师们，可以了解到什么是正确的努力方向，很多时候，选择比努力更加重要。因此，在未来的几篇文章中，我们会一起探讨一下设计嵌入式软件架构，可以采取的六个步骤。

嵌入式软件架构之一 抽象层与硬件隔离

许多新手乃至老手嵌入式工程师，在未了解软件架构之前，把应用层功能和硬件相关的代码，不由自主的搅和在一起写。这种做法非常普遍。比如下面的代码：void modbus_rtu_write_reply(uint8_t add, uint8_t func_code, uint16_t reg, uint16_t data)
{
    rs485.buff_tx[0] = add;
    rs485.buff_tx[1] = func_code;
    rs485.buff_tx[2] = (uint8_t)(reg >> 8);
    rs485.buff_tx[3] = (uint8_t)(reg);
    rs485.buff_tx[4] = (uint8_t)(data >> 8);
    rs485.buff_tx[5] = (uint8_t)(data);

    uint16_t crc16 = mb_crc16(rs485.buff_tx, 6);

    rs485.buff_tx[6] = (uint8_t)(crc16);
    rs485.buff_tx[7] = (uint8_t)(crc16 >> 8);

    rs485.tx_total = 8;
    rs485.tx_num = 0;

    /* Send data from the uart port. The hardware related program. */
    LL_USART_ClearFlag_TC(USART1);
    LL_USART_EnableIT_TC(USART1);
    USART1->DR = rs485.buff_tx[rs485.tx_num ++];
}
上面的这一段代码，不是一个好例子。从函数LL_USART_ClearFlag_TC开始的一句，也就意味着，这个Modbus的代码，和MCU提供出的固件库耦合在一起写了。著名的SOLID原则中，有个依赖倒置原则，高层模块不应该依赖于底层模块，它们应该共同依赖于抽象。此处的代码，显然违反了这一原则。Modbus作为高层模块，此处对MCU固件库的API进行了依赖。对于这种将硬件相关的代码与功能耦合在一起的软件架构，在本文中，我们姑且称之为“耦合架构”；而我们要追求的，是将隔离硬件相关的软件架构，我们称之为“隔离架构”。接下来，我们将详细对比，耦合架构和隔离架构各自的特征。

耦合架构的问题

虽然从原则上来说，耦合架构是不对的，但我个人对这种软件写法，还是能理解的。为什么？万事皆有因，存在即合理。一般而言，大部分嵌入式软件工程师，都出自硬件相关的专业（比如电子、自动化等），来自于软件工程和计算机专业的嵌入式工程师不多（他们都去互联网行业了），因此从他们的知识结构和习惯思维出发，一般从硬件视角看待嵌入式系统，而不是站在软件抽象的视角。我个人也是电子工程专业毕业的，对此有感受。但理解归理解，道理归道理，既然已经从事嵌入式软件，哪怕是硬件专业出身的，我也建议他一定抛弃既有思维，学会抽象这一强大的软件思维工具，否则他的职业天花板将非常低。耦合架构带来的问题，也是显而易见的，那就是，实实在在的难以移植。因为一旦硬件发生变化，比如MCU停产，芯片短缺等等（在当前形势下太过常见），嵌入式软件就要大把修改。如果软件规模较大，尝试移植耦合架构的代码到在新MCU上，是一项艰巨的工作，没人愿意干这事。因此产品开发完成，更新架构并推倒重来，几乎是不可能。别说工程师不愿意，你问问老板答应吗？于是工程师们只能检查所有代码，把与硬件交互的每一行代码改掉，遇到硬件交互方式大不相同的，就更糟心，还要大篇幅的改，边改边骂娘。比如上面的代码，如果换一片芯片，可能要改为以下代码。
void modbus_rtu_write_reply(uint8_t add, uint8_t func_code, uint16_t reg, uint16_t data)
{
    rs485.buff_tx[0] = add;
    rs485.buff_tx[1] = func_code;
    rs485.buff_tx[2] = (uint8_t)(reg >> 8);
    rs485.buff_tx[3] = (uint8_t)(reg);
    rs485.buff_tx[4] = (uint8_t)(data >> 8);
    rs485.buff_tx[5] = (uint8_t)(data);

    uint16_t crc16 = mb_crc16(rs485.buff_tx, 6);

    rs485.buff_tx[6] = (uint8_t)(crc16);
    rs485.buff_tx[7] = (uint8_t)(crc16 >> 8);

    rs485.tx_total = 8;
    rs485.tx_num = 0;

    /* Send data from the uart port. The hardware related program. */
    MCU_NEW_USART_ClearFlag_TC(NEW_USART1);
    MCU_NEW_USART_EnableIT_TC(NEW_USART1);
    NEW_USART1->DR = rs485.buff_tx[rs485.tx_num ++];
}

其次，耦合架构会导致，在开发环境中（如Windows或者Linux，非目标硬件），很难对应用程序进行单元测试。脱离目标硬件，跨平台开发嵌入式程序，是提升开发效率的重要措施。这一点，我会《嵌入式软件架构六部曲之六 测试、调试与跨平台开发的支持》一文，会有所涉及；在后续的《嵌入式程序的单元测试》系列教程中（暂定）进行详细阐述。这样的开发方式，在很中小型团队的嵌入式开发中，还不多见，但掌握了就真的提升很大效率。对耦合架构来说，应用程序代码直接调用硬件，如果要进行完整的测试工作，就要花费大量工作，因为测试程序也要去操作硬件，才能验证正确与错误。或者，需要工程师在硬件上完成手动测试（实际上现在大家就这么干的，哈哈）。手动测试很繁琐，往往让人烦躁，工程师的主观感受，会影响测试质量。很多时候，为了赶进度，或者规避繁琐的测试工作，软件并没有经过很好的测试，整体系统质量受到影响。另外，手动测试，交付软件可能需要更长的时间。而自动测试，往往只需要一瞬间，清楚明了。这个我们会在后续文章《嵌入式软件的测试驱动开发》中进行阐述。第三，耦合架构将存在不易扩展的问题。耦合架构，往往是共享数据的，也就是所谓的全局变量满天飞。随着软件系统的扩大，每个新功能的添加，变得更加困难，而且是越来越困难，出现BUG的机会急剧增加。屎山就是这么炼成的。但需要说明的是，数据问题，不是说隔离了硬件，就能完全解决掉。数据问题，是嵌入式软件乃至任何软件的核心问题，它需要在架构六部曲之二和之三中，通过软件基础设施的合理构建，和数据机制的合理制定，共同得到解决。

隔离架构如何解决问题？

到这里，我们架构的第一步，呼之欲出，那就是：将软件架构分离为硬件相关和硬件无关两个部分。这就要引入抽象层这个概念。何为抽象层？抽象层有很多种，比如硬件抽象层（HAL）、设备抽象层（DAL），操作系统抽象层（OSAL），网络抽象层，文件系统抽象层，Flash抽象层（RT-Thread里就有这个）等等。对谁进行抽象，就会建立这个东西的抽象层，无一定之规。本文中的抽象层，特指硬件抽象层，或者设备抽象层，或者二者兼备。具体是谁，取决于产品特性，可参考后续文章《嵌入式软件中的抽象层》。在硬件相关代码和硬件独立代码之间创建抽象层，这是软件移植的要求，实际上也是依赖倒置原则需求。在这里，我们有必要对依赖倒置原则进行强调：高层模块不应该依赖于底层模块，它们应该共同依赖于抽象。也就是说，应用层代码（硬件无关），不应该依赖于硬件相关的代码（驱动代码），他们应该依赖于抽象层代码。抽象层的创建，将允许将应用代码从一个微控制器移动到下一个微控制器，或者一套硬件迁移到另一套硬件，应用层代码不必更换。抽象层打破了硬件依赖关系；换句话说，应用程序根本不必知道，也不必关心，当前运行的是什么硬件，应用程序只需要关心抽象层的API是什么样的。新的硬件驱动程序要做的，仅仅是满足接口的要求而已。这意味着如果我们更改硬件，则只会更改硬件相关的模块，而不是整个代码库。
void modbus_rtu_write_reply(uint8_t add, uint8_t func_code, uint16_t reg, uint16_t data)
{
    rs485.buff_tx[0] = add;
    rs485.buff_tx[1] = func_code;
    rs485.buff_tx[2] = (uint8_t)(reg >> 8);
    rs485.buff_tx[3] = (uint8_t)(reg);
    rs485.buff_tx[4] = (uint8_t)(data >> 8);
    rs485.buff_tx[5] = (uint8_t)(data);

    uint16_t crc16 = mb_crc16(rs485.buff_tx, 6);

    rs485.buff_tx[6] = (uint8_t)(crc16);
    rs485.buff_tx[7] = (uint8_t)(crc16 >> 8);

    rs485.tx_total = 8;
    rs485.tx_num = 0;

    /* Send data from the uart port. The hardware related program. */
    hal_uart_send(HAL_UART_ID_1, rs485.buff_tx, rs485.tx_total);
}

void hal_uart_send硬件相关的代码，应该改为如下的样子。这尚且算不上真正的抽象层，只是抽象层最简陋的替代实现方法，实际工程应用中，抽象层还有很多细节需要阐述。限于篇幅，在本文中，我们不进行探讨，请关注后续的《抽象层》系列文章。
void hal_uart_send(uint8_t uart_id, void *buffer, uint32_t size)
{
    /* Start the uart sending process, the remaning data will be send in UART ISR
       function. */
    MCU_NEW_USART_ClearFlag_TC(NEW_USART1);
    MCU_NEW_USART_EnableIT_TC(NEW_USART1);
    NEW_USART1->DR = rs485.buff_tx[rs485.tx_num ++];
}

抽象层还可以解决单元测试的许多问题。有了抽象层，我们可以在Windows或者Linux上创建硬件的替身程序（mock），也可以称为假硬件。我们可以在假硬件上给出输入数据，并通过检查假硬件给出的输出数据会否符合预期，来对软件进行单元测试。在没有硬件的情况，也可以对应用层程序进行开发。很多嵌入式程序员觉得不可能，但这时很多大公司开发软件的方式。但是，过去一个月，我在公司的电脑上开发一个软件模块，我所有的开发都是使用主机上的单元测试完成的。最终在目标硬件进行实测的时间，仅仅用了两个小时而已。我们公司是做高端医疗设备的，每台设备价值一两千万，整个公司上上下下，只有八个机器供我们几百人的团队进行测试，非常紧张，需要预约。如果所有人都在目标设备上调试，才能完成编程，那成本是不能承受的。抽象层的建立，还有一个好处。软件不必等着硬件就绪才开始开发，而在硬件可用之前，就开始专注于开发和交付应用程序。这样做的好处是，可以在项目早期就对客户提供试用服务，并根据客户反馈进行功能调整。如今，太多的团队专注于首先准备好硬件，而核心应用程序是事后才想到的。这样并不利于对嵌入式软件进行良好的设计和实现。那么如何建立抽象层呢？抽象层的建立，涉及到几个关键的因素：抽象的程度、抽象的手段以及抽象的对象。这些问题，非常复杂，非三言两语就能说清，我们会在后续文章《抽象层》系列文章和视频中，结合实际例程中进行详细阐述。

结论

嵌入式软件与其他软件领域都不一样，因为没有一个软件领域，和嵌入式软件一样，会和硬件进行直接交互（请注意此处直接二字）。为了应对可能出现的硬件变化（无论是MCU，PCBA，还是连接PCBA的设备），嵌入式软件架构师应该将硬件相关的代码独立出去，并压缩在一个最小的范围内。否则，一旦使用耦合架构，不对硬件相关代码进行剥离，屎山式的代码，几乎是注定的结局。一个成功的软件架构，从来不是一蹴而就，通常是通过迭代和演进创建的。这需要技术负责人，或者架构师，主动去推动软件架构的迭代，不断推动软件的优化重构。这就有点像明星的好身材，从来不是天生，都是后天自律的结果。但在嵌入式领域，无论搞什么产品，搞什么复杂的软件架构，剥离硬件相关，是第一步，也是最为关键的一步。连硬件相关代码都剥不干净，软件架构就犹如浮沙筑高台，无从谈起。合抱之木，生于毫末，有志于提升技术水平的工程师们，先从隔离硬件开始吧。我在此先预祝成功！