單片機常用的九大軟件架構盤點

可能很多工程師，工作了很多年，都不會有軟件架構的概念。 因為我在做研發工程師的第6年，才開始意識到這個東西，在此之前，都是做一些比較簡單的項目，一個main函數干到底，架構復雜了反而是累贅。 后面有幸，接觸了稍微復雜點的項目，感覺以前水平Hold不住，然后借著項目需求，學習了很多優秀的代碼架構，比如以前同事的，一些模組廠的SDK，還有市面上成熟的系統。 說出來可能有點夸張，一個好項目帶來的成長，頂你做幾年小項目。 在一個工程師從入門到成為高級工程師，都會經歷哪些軟件架構？

下面給大家盤點一下，每個都提供了簡易的架構模型代碼，難度循環漸進。

1.線性架構

這是最簡單的一種程序設計方法，也就是我們在入門時寫的，下面是一個使用C語言編寫的線性架構示例：

#include   // 包含51系列單片機的寄存器定義


// 延時函數，用于產生一定的延遲
void delay(unsigned int count) {
    unsigned int i;
    while(count--) {
        for(i = 0; i < 120; i++) {}  // 空循環，用于產生延遲
    }
}


void main() {
    // 初始設置P1端口為輸出模式，用于控制LED
    P1 = 0xFF;  // 將P1端口設置為高電平，關閉所有LED


    while(1) {  // 無限循環
        P1 = 0x00;  // 將P1端口設置為低電平，點亮所有LED
        delay(500000);  // 調用延時函數，延遲一段時間


        P1 = 0xFF;  // 將P1端口設置為高電平，關閉所有LED
        delay(500000);  // 再次調用延時函數，延遲相同的時間
    }
}

? 2.模塊化架構 模塊化架構是一種將程序分解為獨立模塊的設計方法，每個模塊執行特定的任務。 這種架構有助于代碼的重用、維護和測試。 下面是一個使用C語言編寫的模塊化架構示例，該程序模擬了一個簡單的交通信號燈控制系統。

#include   // 包含51系列單片機的寄存器定義


// 定義信號燈的狀態
typedef enum {
    RED_LIGHT,
    YELLOW_LIGHT,
    GREEN_LIGHT
} TrafficLightState;


// 函數聲明
void initializeTrafficLight(void);
void setTrafficLight(TrafficLightState state);
void delay(unsigned int milliseconds);


// 信號燈控制主函數
void main(void) {
    initializeTrafficLight();  // 初始化交通信號燈


    while(1) {
        setTrafficLight(RED_LIGHT);
        delay(5000);  // 紅燈亮5秒


        setTrafficLight(YELLOW_LIGHT);
        delay(2000);  // 黃燈亮2秒


        setTrafficLight(GREEN_LIGHT);
        delay(5000);  // 綠燈亮5秒
    }
}


// 初始化交通信號燈的函數
void initializeTrafficLight(void) {
    // 這里可以添加初始化代碼，比如設置端口方向、默認狀態等
    // 假設P1端口連接了信號燈，初始狀態為熄滅（高電平）
    P1 = 0xFF;
}


// 設置交通信號燈狀態的函數
void setTrafficLight(TrafficLightState state) {
    switch(state) {
        case RED_LIGHT:
            // 設置紅燈亮，其他燈滅
            P1 = 0b11100000;  // 假設低電平有效，這里設置P1.0為低電平，其余為高電平
            break;
        case YELLOW_LIGHT:
            // 設置黃燈亮，其他燈滅
            P1 = 0b11011000;  // 設置P1.1為低電平，其余為高電平
            break;
        case GREEN_LIGHT:
            // 設置綠燈亮，其他燈滅
            P1 = 0b11000111;  // 設置P1.2為低電平，其余為高電平
            break;
        default:
            // 默認為熄滅所有燈
            P1 = 0xFF;
            break;
    }
}


// 延時函數，參數是毫秒數
void delay(unsigned int milliseconds) {
    unsigned int delayCount = 0;
    while(milliseconds--) {
        for(delayCount = 0; delayCount < 120; delayCount++) {
            // 空循環，用于產生延時
        }
    }
}

3.層次化架構 層次化架構是一種將系統分解為多個層次的設計方法，每個層次負責不同的功能。

著以下是一個使用C語言編寫的層次化架構示例，模擬了一個具有不同權限級別的嵌入式系統。

#include   // 包含51系列單片機的寄存器定義


// 定義不同的操作級別
typedef enum {
    LEVEL_USER,
    LEVEL_ADMIN,
    LEVEL_SUPERUSER
} OperationLevel;


// 函數聲明
void systemInit(void);
void performOperation(OperationLevel level);
void displayMessage(char* message);


// 系統初始化后的主循環
void main(void) {
    systemInit();  // 系統初始化


    // 模擬用戶操作
    performOperation(LEVEL_USER);
    // 模擬管理員操作
    performOperation(LEVEL_ADMIN);
    // 模擬超級用戶操作
    performOperation(LEVEL_SUPERUSER);


    while(1) {
        // 主循環可以是空閑循環或者處理其他低優先級任務
    }
}


// 系統初始化函數
void systemInit(void) {
    // 初始化系統資源，如設置端口、中斷等
    // 這里省略具體的初始化代碼
}


// 執行不同級別操作的函數
void performOperation(OperationLevel level) {
    switch(level) {
        case LEVEL_USER:
          //用戶操作具體代碼
            break;
        case LEVEL_ADMIN:
          //管理員操作具體代碼
            break;
        case LEVEL_SUPERUSER:
           //超級用戶操作具體代碼
            break;
    }
}


// 顯示消息的函數
void displayMessage(char* message) {
    // 這里省略了實際的顯示代碼，因為單片機通常沒有直接的屏幕輸出
    // 消息可以通過LED閃爍、串口輸出或其他方式展示
    // 假設通過P1端口的LED展示，每個字符對應一個LED閃爍模式
    // 實際應用中，需要根據硬件設計來實現消息的顯示
}

4.事件驅動架構

事件驅動架構是一種編程范式，其中程序的執行流程由事件（如用戶輸入、傳感器變化、定時器到期等）觸發。 在單片機開發中，事件驅動架構通常用于響應外部硬件中斷或軟件中斷。 以下是一個使用C語言編寫的事件驅動架構示例，模擬了一個基于按鍵輸入的LED控制。

#include   // 包含51系列單片機的寄存器定義


// 定義按鍵和LED的狀態
#define KEY_PORT P3  // 假設按鍵連接在P3端口
#define LED_PORT P2  // 假設LED連接在P2端口


// 函數聲明
void delay(unsigned int milliseconds);
bit checkKeyPress(void);  // 返回按鍵是否被按下的狀態（1表示按下，0表示未按下）


// 定時器初始化函數
void timer0Init(void) 
{
    TMOD = 0x01;  // 設置定時器模式寄存器，使用模式1（16位定時器）
    TH0 = 0xFC;   // 設置定時器初值，用于產生定時中斷
    TL0 = 0x18;
    ET0 = 1;      // 開啟定時器0中斷
    EA = 1;       // 開啟總中斷
    TR0 = 1;      // 啟動定時器
}


// 定時器中斷服務程序
void timer0_ISR() interrupt 1 
{
    // 定時器溢出后自動重新加載初值，無需手動重置
    // 這里可以放置定時器溢出后需要執行的代碼
}


// 按鍵中斷服務程序
bit keyPress_ISR(void) interrupt 2 using 1 
{
    if(KEY_PORT != 0xFF) // 檢測是否有按鍵按下
        {  
        LED_PORT = ~LED_PORT;  // 如果有按鍵按下，切換LED狀態
        delay(20);  // 去抖動延時
        while(KEY_PORT != 0xFF);  // 等待按鍵釋放
        return 1;  // 返回按鍵已按下
    }
    return 0;  // 如果沒有按鍵按下，返回0
}


// 延時函數，參數是毫秒數
void delay(unsigned int milliseconds) {
    unsigned int i, j;
    for(i = 0; i < milliseconds; i++)
        for(j = 0; j < 1200; j++);  // 空循環，用于產生延時
}


// 主函數
void main(void) 
{
    timer0Init();  // 初始化定時器
    LED_PORT = 0xFF;  // 初始LED熄滅（假設低電平點亮LED）


    while(1) 
    {
        if(checkKeyPress())
        {  // 檢查是否有按鍵按下事件
            // 如果有按鍵按下，這里可以添加額外的處理代碼
        }
    }
}


// 檢查按鍵是否被按下的函數
bit checkKeyPress(void) 
{
    bit keyState = 0;
    // 模擬按鍵中斷觸發，實際應用中需要連接硬件中斷
    if(1) // 假設按鍵中斷觸發
    {  
      keyState = keyPress_ISR();  // 調用按鍵中斷服務程序
    }
    return keyState;  // 返回按鍵狀態
}

事實上，真正的事件型驅動架構，是非常復雜的，我職業生涯的巔峰之作，就是用的事件型驅動架構。

5.狀態機架構 在單片機開發中，狀態機常用于處理復雜的邏輯和事件序列，如用戶界面管理、協議解析等。 以下是一個使用C語言編寫的有限狀態機（FSM）的示例，模擬了一個簡單的自動售貨機的狀態轉換。

#include   // 包含51系列單片機的寄存器定義


// 定義自動售貨機的狀態
typedef enum {
    IDLE,
    COIN_INSERTED,
    PRODUCT_SELECTED,
    DISPENSE,
    CHANGE_RETURNED
} VendingMachineState;


// 定義事件
typedef enum {
    COIN_EVENT,
    PRODUCT_EVENT,
    DISPENSE_EVENT,
    REFUND_EVENT
} VendingMachineEvent;


// 函數聲明
void processEvent(VendingMachineEvent event);
void dispenseProduct(void);
void returnChange(void);


// 當前狀態
VendingMachineState currentState = IDLE;


// 主函數
void main(void)
{
    // 初始化代碼（如果有）
    // ...


    while(1)
    {
        // 假設事件由外部觸發，這里使用一個模擬事件
        VendingMachineEvent currentEvent = COIN_EVENT; // 模擬投入硬幣事件


        processEvent(currentEvent);  // 處理當前事件
    }
}


// 處理事件的函數
void processEvent(VendingMachineEvent event)
{
    switch(currentState)
    {
        case IDLE:
            if(event == COIN_EVENT)
            {
                // 如果在空閑狀態且檢測到硬幣投入事件，則轉換到硬幣投入狀態
                currentState = COIN_INSERTED;
            }
            break;
        case COIN_INSERTED:
            if(event == PRODUCT_EVENT)
            {
                // 如果在硬幣投入狀態且用戶選擇商品，則請求出貨
                currentState = PRODUCT_SELECTED;
            }
            break;
        case PRODUCT_SELECTED:
            if(event == DISPENSE_EVENT)
            {
                dispenseProduct();  // 出貨商品
                currentState = DISPENSE;
            }
            break;
        case DISPENSE:
            if(event == REFUND_EVENT)
            {
                returnChange();  // 返回找零
                currentState = CHANGE_RETURNED;
            }
            break;
        case CHANGE_RETURNED:
            // 等待下一個循環，返回到IDLE狀態
            currentState = IDLE;
            break;
        default:
            // 如果狀態非法，重置為IDLE狀態
            currentState = IDLE;
            break;
    }
}


// 出貨商品的函數
void dispenseProduct(void)
{
    // 這里添加出貨邏輯，例如激活電機推出商品
    // 假設P1端口連接了出貨電機
    P1 = 0x00;  // 激活電機
    // ... 出貨邏輯
    P1 = 0xFF;  // 關閉電機
}


// 返回找零的函數
void returnChange(void)
{
    // 這里添加找零邏輯，例如激活機械臂放置零錢
    // 假設P2端口連接了找零機械臂
    P2 = 0x00;  // 激活機械臂
    // ... 找零邏輯
    P2 = 0xFF;  // 關閉機械臂
}

6.面向對象架構 STM32的庫，就是一種面向對象的架構。 不過在單片機由于資源限制，OOP并不像在高級語言中那樣常見，但是一些基本概念如封裝和抽象仍然可以被應用。

雖然C語言本身并不直接支持面向對象編程，但可以通過結構體和函數指針模擬一些面向對象的特性。 下面是一個簡化的示例，展示如何在C語言中模擬面向對象的編程風格，以51單片機為背景，創建一個簡單的LED類。

#include 


// 定義一個LED類
typedef struct {
    unsigned char state;  // LED的狀態
    unsigned char pin;    // LED連接的引腳
    void (*turnOn)(struct LED*);  // 點亮LED的方法
    void (*turnOff)(struct LED*); // 熄滅LED的方法
} LED;


// LED類的構造函數
void LED_Init(LED* led, unsigned char pin) {
    led->state = 0;  // 默認狀態為熄滅
    led->pin = pin;   // 設置LED連接的引腳
}


// 點亮LED的方法
void LED_TurnOn(LED* led) {
    // 根據引腳狀態點亮LED
    if(led->pin < 8) {
        P0 |= (1 << led->pin);  // 假設P0.0到P0.7連接了8個LED
    } else {
        P1 &= ~(1 << (led->pin - 8));  // 假設P1.0到P1.7連接了另外8個LED
    }
    led->state = 1;  // 更新狀態為點亮
}


// 熄滅LED的方法
void LED_TurnOff(LED* led) {
    // 根據引腳狀態熄滅LED
    if(led->pin < 8) {
        P0 &= ~(1 << led->pin);  // 熄滅P0上的LED
    } else {
        P1 |= (1 << (led->pin - 8));  // 熄滅P1上的LED
    }
    led->state = 0;  // 更新狀態為熄滅
}


// 主函數
void main(void) {
    LED myLed;  // 創建一個LED對象
    LED_Init(&myLed, 3);  // 初始化LED對象，連接在P0.3


    // 給LED對象綁定方法
    myLed.turnOn = LED_TurnOn;
    myLed.turnOff = LED_TurnOff;


    // 使用面向對象的風格控制LED
    while(1) {
        myLed.turnOn(&myLed);  // 點亮LED
        // 延時
        myLed.turnOff(&myLed); // 熄滅LED
        // 延時
    }
}

這段代碼定義了一個結構體LED，模擬面向對象中的“類。 這個示例僅用于展示如何在C語言中模擬面向對象的風格，并沒有使用真正的面向對象編程語言的特性，如繼承和多態，不過對于單片機的應用，足以。 7.基于任務的架構 這種我最喜歡用，結構，邏輯清晰，每個任務都能靈活調度。

基于任務的架構是將程序分解為獨立的任務，每個任務執行特定的工作。

在單片機開發中，如果沒有使用實時操作系統，我們可以通過編寫一個簡單的輪詢調度器來模擬基于任務的架構。

以下是一個使用C語言編寫的基于任務的架構的示例，該程序在51單片機上實現。

為了簡化，我們將使用一個簡單的輪詢調度器來在兩個任務之間切換：一個是按鍵掃描任務，另一個是LED閃爍任務。

#include 


// 假設P1.0是LED輸出
sbit LED = P1^0;


// 全局變量，用于記錄系統Tick
unsigned int systemTick = 0;


// 任務函數聲明
void taskLEDBlink(void);
void taskKeyScan(void);


// 定時器0中斷服務程序，用于產生Tick
void timer0_ISR() interrupt 1 using 1 
{
    // 定時器溢出后自動重新加載初值，無需手動重置
    systemTick++;  // 更新系統Tick計數器
}


// 任務調度器，主函數中調用，負責任務輪詢
void taskScheduler(void) 
{
    // 檢查系統Tick，決定是否執行任務
    // 例如，如果我們需要每1000個Tick執行一次LED閃爍任務
    if (systemTick % 1000 == 0) 
    {
       taskLEDBlink();
    }
    // 如果有按鍵任務，可以類似地檢查Tick并執行
    if (systemTick % 10 == 0) 
    {
       taskKeyScan();
    }
}


// LED閃爍任務
void taskLEDBlink(void) 
{
    static bit ledState = 0;  // 用于記錄LED的當前狀態
    ledState = !ledState;  // 切換LED狀態
    LED = ledState;         // 更新LED硬件狀態
}


// 按鍵掃描任務（示例中省略具體實現）
void taskKeyScan(void) 
{
    // 按鍵掃描邏輯
}


// 主函數
void main(void) 
{
    // 初始化LED狀態
    LED = 0;


    // 定時器0初始化設置
    TMOD &= 0xF0;  // 設置定時器模式寄存器，使用模式1（16位定時器/計數器）
    TH0 = 0x4C;     // 設置定時器初值，產生定時中斷（定時周期取決于系統時鐘頻率）
    TL0 = 0x00;
    ET0 = 1;        // 允許定時器0中斷
    EA = 1;         // 允許中斷
    TR0 = 1;        // 啟動定時器0


    while(1) 
    {
        taskScheduler();  // 調用任務調度器
    }
}

這里只是舉個簡單的例子，這個代碼示例，比較適合51和stm8這種資源非常少的單片機。

8.代理架構 這個大家或許比較少聽到過，但在稍微復雜的項目中，是非常常用的。

在代理架構中，每個代理（Agent）都是一個獨立的實體，它封裝了特定的決策邏輯和數據，并與其他代理進行交互。

在實際項目中，需要創建多個獨立的任務或模塊，每個模塊負責特定的功能，并通過某種機制（如消息隊列、事件觸發等）進行通信。

這種方式可以大大提高程序可擴展性和可移植性。

以下是一個LED和按鍵代理的簡化模型。

#include   // 包含51系列單片機的寄存器定義


// 假設P3.5是按鍵輸入，P1.0是LED輸出
sbit KEY = P3^5;
sbit LED = P1^0;


typedef struct 
{
    unsigned char pin;    // 代理關聯的引腳
    void (*action)(void); // 代理的行為函數
} Agent;


// 按鍵代理的行為函數聲明
void keyAction(void);
// LED代理的行為函數聲明
void ledAction(void);


// 代理數組，存儲所有代理的行為和關聯的引腳
Agent agents[] = 
{
    {5, keyAction},  // 按鍵代理，關聯P3.5
    {0, ledAction}   // LED代理，關聯P1.0
};


// 按鍵代理的行為函數
void keyAction(void) 
{
    if(KEY == 0) // 檢測按鍵是否被按下
        {  
        LED = !LED;   // 如果按鍵被按下，切換LED狀態
        while(KEY == 0);  // 等待按鍵釋放
    }
}


// LED代理的行為函數
void ledAction(void) 
{
    static unsigned int toggleCounter = 0;
    toggleCounter++;
    if(toggleCounter == 500)  // 假設每500個時鐘周期切換一次LED
        { 
        LED = !LED;               // 切換LED狀態
        toggleCounter = 0;        // 重置計數器
    }
}


// 主函數
void main(void) 
{
    unsigned char agentIndex;
    // 主循環
    while(1) 
    {
        for(agentIndex = 0; agentIndex < sizeof(agents) / sizeof(agents[0]); agentIndex++) 
        {
            // 調用每個代理的行為函數
            (*agents[agentIndex].action)(); // 注意函數指針的調用方式
        }
    }
}

9.組件化架構 組件化架構是一種將軟件系統分解為獨立、可重用組件的方法。

將程序分割成負責特定任務的模塊，如LED控制、按鍵處理、傳感器讀數等。

每個組件可以獨立開發和測試，然后被組合在一起形成完整的系統。

以下是一個簡化的組件化架構示例，模擬了一個單片機系統中的LED控制和按鍵輸入處理兩個組件。

為了簡化，組件間的通信將通過直接函數調用來模擬。

#include   // 包含51系列單片機的寄存器定義


// 定義組件結構體
typedef struct 
{
    void (*init)(void);      // 組件初始化函數
    void (*task)(void);       // 組件任務函數
} Component;


// 假設P3.5是按鍵輸入，P1.0是LED輸出
sbit KEY = P3^5;
sbit LED = P1^0;


// LED組件
void LED_Init(void) 
{
    LED = 0;  // 初始化LED狀態為關閉
}


void LED_Task(void) 
{
    static unsigned int toggleCounter = 0;
    toggleCounter++;
    if (toggleCounter >= 1000) // 假設每1000個時鐘周期切換一次LED
    {  
        LED = !LED;                // 切換LED狀態
        toggleCounter = 0;         // 重置計數器
    }
}


// 按鍵組件
void KEY_Init(void) 
{
    // 按鍵初始化代碼
}


void KEY_Task(void) 
{
    if (KEY == 0) // 檢測按鍵是否被按下
    {  
       LED = !LED;  // 如果按鍵被按下，切換LED狀態
       while(KEY == 0);  // 等待按鍵釋放
    }
}


// 組件數組，存儲系統中所有組件的初始化和任務函數
Component components[] = 
{
    {LED_Init, LED_Task},
    {KEY_Init, KEY_Task}
};


// 系統初始化函數，調用所有組件的初始化函數
void System_Init(void) 
{
    unsigned char componentIndex;
    for (componentIndex = 0; componentIndex < sizeof(components) / sizeof(components[0]); componentIndex++) 
    {
        components[componentIndex].init();
    }
}


// 主循環，調用所有組件的任務函數
void main(void) 
{
    System_Init();  // 系統初始化
    while(1) 
    {
        unsigned char componentIndex;
        for (componentIndex = 0; componentIndex < sizeof(components) / sizeof(components[0]); componentIndex++)
        {
            components[componentIndex].task();  // 調用組件任務
        }
    }
}

審核編輯：黃飛