如何設(shè)計(jì)一個(gè)好的軟件架構(gòu)，如何提高軟件的擴(kuò)展性，移植性，復(fù)用性和可讀性？
很多做嵌入式開發(fā)的朋友經(jīng)常會(huì)遇到這種情況：一個(gè)項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)完成了，客戶提出了一些新的功能需求。這時(shí)侯如果客戶新需求不多，軟件增加一些新功能即可，但是增加新功能后程序容易出現(xiàn)各種異常問題；這時(shí)侯如果客戶新需求很多，導(dǎo)致軟件全局很多地方需要修改，甚至有可能導(dǎo)致軟件重寫。造成這種結(jié)果的原因是，軟件設(shè)計(jì)沒有遵循軟件設(shè)計(jì)原則，沒有使用正確的設(shè)計(jì)模式和正確的軟件架構(gòu)。
軟件設(shè)計(jì)五大原則：?jiǎn)我辉瓌t ，開閉原則，里氏代換原則，接口隔離原則，依賴倒置原則。
27種設(shè)計(jì)模式：適配器模式，裝飾模式，觀察者模式，迭代器模式，拜訪者模式等等（不一一列舉）。
軟件架構(gòu)：分層架構(gòu)，過濾器架構(gòu)，插件架構(gòu)，MVC架構(gòu)等等。
規(guī)則和方法繁多，往往難以融會(huì)貫通地使用到實(shí)際項(xiàng)目中，接下來我用一個(gè)項(xiàng)目來介紹如何遵循軟件設(shè)計(jì)原則，如何使用良好的設(shè)計(jì)模式和架構(gòu)，這個(gè)項(xiàng)目是一個(gè)用于智能家具系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)項(xiàng)目。
我們先來了解一下智能家居系統(tǒng)，它是由網(wǎng)關(guān)，智能觸控屏，控制模塊，檢測(cè)模塊等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備智能控制。該系統(tǒng)可以控制燈，空調(diào)，窗簾，藍(lán)牙音樂，地暖等家居設(shè)備。用戶可以通過語音指令，智能觸控屏，手機(jī)App，電腦云端等方式監(jiān)控家居設(shè)備狀態(tài)。該系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景如圖：
網(wǎng)關(guān)功能描述
智能家居系統(tǒng)的控制樞紐是網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)觸控模塊，控制模塊，檢測(cè)模塊的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。網(wǎng)關(guān)的功能如下：
1、使用嵌入式以太網(wǎng)控制器硬件實(shí)現(xiàn)TCP訪問局域網(wǎng)內(nèi)的本地服務(wù)器和外網(wǎng)的云端服務(wù)器。本地服務(wù)器可以配置網(wǎng)關(guān)參數(shù)，可以通過網(wǎng)口對(duì)網(wǎng)關(guān)固件進(jìn)行升級(jí)，用戶通過手機(jī)APP使用云端服務(wù)器下發(fā)數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)。
2、使用485總線接收面板的和環(huán)境傳感器的上報(bào)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)并下發(fā)485指令操作開關(guān)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行單元的控制。
3、用戶可以通過擴(kuò)展的輸入輸出IO口，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的開關(guān)輸入和控制。
網(wǎng)關(guān)硬件描述
網(wǎng)關(guān)的硬件使用華大的HC32F460單片機(jī)為核心，外圍設(shè)備有485電路，RTC電路，LCD電路，以太網(wǎng)控制器電路，IO控制電路。網(wǎng)關(guān)的硬件框圖如下:
軟件框架
網(wǎng)關(guān)軟件使用FreeRTOS操作系統(tǒng)，采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，每個(gè)功能獨(dú)立成一個(gè)模塊，每個(gè)單獨(dú)的模塊采用了分層設(shè)計(jì)。軟件框架圖如下：
軟件使用了模塊化設(shè)計(jì)的方法，模塊化設(shè)計(jì)核心思想就是“分而治之”， 就是把一個(gè)復(fù)雜的問題分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單的問題，然后逐個(gè)解決。在嵌入式軟件設(shè)計(jì)中通常以硬件外設(shè)劃分模塊如：485模塊，RTC模塊，LCD模塊，溫濕度模塊，ADC數(shù)據(jù)采集模塊，GPIO控制模塊等。模塊化設(shè)計(jì)提高了軟件系統(tǒng)的擴(kuò)展性，模塊可以根據(jù)需求布署和刪除，模塊化設(shè)計(jì)遵循了單一原則。軟件工程源碼中模塊的劃分如下：
單獨(dú)的功能模塊采用了的分層設(shè)計(jì)，分層設(shè)計(jì)的核心思想也是“分而治之”，分層設(shè)計(jì)將軟件功能水平分割成合理的多個(gè)子系統(tǒng)，軟件中緊密關(guān)聯(lián)的部分被集中放在一個(gè)層內(nèi)。分層設(shè)計(jì)的框圖如下：
分層架構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、每一層都把一個(gè)具體功能抽象化。
2、可以降低代碼的相互依賴程度，更改代碼時(shí)影響的層很少。
3、層可以被復(fù)用。
軟件工程源碼中GPIO任務(wù)的BSP層代碼如下：
每個(gè)層都有一個(gè)xxxx_interface()函數(shù)，上層文件通過這個(gè)函數(shù)使用下層提供的服務(wù)，這種設(shè)計(jì)原則為接口隔離原則。3層模型的調(diào)用關(guān)系圖如下：
每個(gè)功能模塊采用了3層的分層設(shè)計(jì)，第1層處理MCU寄存器相關(guān)操作，第2層處理驅(qū)動(dòng)控制和邏輯控制，第2層用來處理與其他業(yè)務(wù)模塊的數(shù)據(jù)交互.分層設(shè)計(jì)提高了軟件系統(tǒng)的移植性，如果項(xiàng)目更換了MCU那么只用修改第1層，如果更換改了外設(shè)那么只用修改第2層，如果更改了業(yè)務(wù)邏輯那么只用修改第3層。
任務(wù)之間通信
網(wǎng)關(guān)軟件中的普通任務(wù)相互隔離，所有普通任務(wù)只與消息推送任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，消息推送任務(wù)將消息推送給相應(yīng)任務(wù)。各個(gè)任務(wù)之間的信息交互模式如下：
這種設(shè)計(jì)模式為中間者模式。在中間者模式，對(duì)象之間不能直接通信，而是間接地通過中間者進(jìn)行通信。中間者收到信息后，再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)對(duì)象，這樣減少了對(duì)象之間的相互依賴。中間者模式有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、對(duì)象之間是松耦合
2、將多對(duì)多的關(guān)系通過中間者轉(zhuǎn)換成一對(duì)一的關(guān)系
3、修改一個(gè)對(duì)象，不需要考慮其它對(duì)象通信適應(yīng)問題。
消息推送任務(wù)采用訂閱與發(fā)布機(jī)制。普通任務(wù)狀態(tài)改變向消息推送任務(wù)發(fā)布消息，推送任務(wù)獲取發(fā)布任務(wù)的發(fā)布信息名稱，并一層檢查其他任務(wù)的訂閱信息名稱，是否包含發(fā)布信息名稱，然后將信息推送給相關(guān)任務(wù)。這樣減少了任務(wù)之間的耦合，提高了軟件的擴(kuò)展性。消息推送任務(wù)代碼如下：
業(yè)務(wù)控制
網(wǎng)關(guān)軟件使用模塊化設(shè)計(jì)，普通任務(wù)不參入軟件的整體業(yè)務(wù)控制，每個(gè)普通任務(wù)只負(fù)責(zé)完成模塊內(nèi)部的控制邏輯，如RTC任務(wù)時(shí)負(fù)責(zé)設(shè)置時(shí)間和讀取時(shí)間，GPIO只負(fù)責(zé)讀取IO口和控制IO口。軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的邏輯控制任務(wù)，這個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)記錄軟件整體狀態(tài)，并通過發(fā)布消息改變其他的任務(wù)的狀態(tài)。這種也是使用的中間者模式。邏輯框圖如下：
邏輯控制任務(wù)是通過發(fā)布特定的消息來實(shí)現(xiàn)對(duì)子任務(wù)的控制，子任務(wù)狀態(tài)改變后也是通過發(fā)布消息通知邏輯控制任務(wù)。
邏輯控制任務(wù)分析
網(wǎng)關(guān)軟件中邏輯控制任務(wù)控制整個(gè)程序運(yùn)行狀態(tài)，因此邏輯控制任務(wù)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，邏輯控制任務(wù)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)框架如下：
子任務(wù)將信息發(fā)布給邏輯控制任務(wù)，由于不同的子任務(wù)發(fā)布的消息格式不同，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同，因此邏輯控制任務(wù)先用指令歸一化接口，將不同模塊的不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成邏輯任務(wù)中統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式如：指令類型+指令數(shù)據(jù)。代碼如下：
指令歸一化處理后將指令放入隊(duì)列緩存器中，然后指令過濾器讀取隊(duì)列緩存器中的指令進(jìn)行處理，這種設(shè)計(jì)模式為命令模式，這種設(shè)計(jì)模式可以把一個(gè)命令的形成和執(zhí)行在時(shí)間上去耦，命令的生成和執(zhí)行可以在不用時(shí)間完成。
指令過濾器從指令隊(duì)列中讀取指令，并一層一層處理指令得到有效的執(zhí)行指令，這種設(shè)計(jì)構(gòu)架為過濾器構(gòu)架，代碼如下：
經(jīng)過邏輯處理后產(chǎn)生一些控制指令，并將控制指令放入隊(duì)列緩存，指令分發(fā)處理模塊讀取控制指令，根據(jù)控制指令類型發(fā)布消息給相應(yīng)的任務(wù)。
總結(jié)
網(wǎng)關(guān)的軟件框架基本描述完了，希望獲取源碼的朋友們可以在評(píng)論區(qū)里留言，我將提供學(xué)習(xí)源碼（刪減部分與商業(yè)相關(guān)代碼）。
總結(jié)一下關(guān)鍵詞：
模塊化設(shè)計(jì)，分層設(shè)計(jì)，單一原則，接口隔離原則，中間者模式，訂閱發(fā)布，歸一化，命令模式，過濾器架構(gòu)
