【閱讀這篇文章，你能了解到什么】

1. 從事嵌入式開發(fā)12年的我，對架構設計的理解；

2. 對嵌入式系統(tǒng)中的架構設計要刻意訓練；

3. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中的一些小技巧；

4. 一個用于智能家居項目的Demo，可以直接編譯、執(zhí)行；

【我對架構設計的理解】

1.架構設計概念的認識

相信看這篇文章的同學，大部分都是從事嵌入式開發(fā)的，大家也肯定有這么一個印象：在招聘網(wǎng)站上的一些架構設計的崗位，都是針對 Web 方向的，卻很少看到招聘嵌入式崗位的系統(tǒng)架構師的崗位。

我的理解是大概有下面2個原因：

(1) Web開發(fā)：百家爭鳴，沒有統(tǒng)一的標準和老大

這些年得益于移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，前、后端開發(fā)崗位的需求量大增，而且各種框架層出不窮。

如何利用這些框架來為用戶提供高性能的服務并沒有一個統(tǒng)一的標準，于是百家爭鳴，相應的設計師崗位也就層出不窮。

(2) 嵌入式開發(fā)：Linux 舍我其誰

在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，在操作系統(tǒng)的選擇上幾乎沒有太大的余地，大部分是 ARM+Linux 組合。

在 Linux 操作系統(tǒng)層面：那些大神們已經(jīng)把內(nèi)核和驅(qū)動層設計的很完美了，很少需要開發(fā)人員做大量的修改。

在應用程序?qū)用妫洪_發(fā)人員如果沒有什么追求，只為了實現(xiàn)規(guī)格書中定義的功能即可。

而老板呢，也只是重視產(chǎn)品功能是否能正常實現(xiàn)，至于什么可移植、可擴展、執(zhí)行效率等等，不會想到這個層面。

即使產(chǎn)品需要更新?lián)Q代，讓開發(fā)人員重新實現(xiàn)即可，反正只需要功能OK就行。

2.嵌入式系統(tǒng)的架構設計重要性

說一個小故事。

有一位同事為客戶寫一個單片機產(chǎn)品的程序，后來同事離職后把代碼移交給我。

這個產(chǎn)品有一個小功能需要修改一下，恰巧那會我正在處理另外一個項目，于是在征得老板許可的情況下把源代碼發(fā)給客戶，請他們自己修改。

因為拿到了源代碼，客戶肯定很開心啊，因為只要吃透了代碼，其他類似的設備都可以自己開發(fā)了。

過了一段時間，我問客戶：上次那個產(chǎn)品的功能修改怎么樣了？

他說：還沒搞定呢，上次你給的代碼我丟了，會把人看死的，現(xiàn)在正從頭重新寫代碼呢。

故事是真實的。

代碼都是字符組成的，有些代碼看起來賞心悅目，有些代碼看起來懷疑人生。

沒有架構設計進行指導的代碼，有這些缺點：

(1) 代碼不能復用，移植很麻煩。

(2) 當需求發(fā)生改動時，不能快速調(diào)整代碼。

(3) 對于已有的代碼：不敢改、不想改，牽一發(fā)而動全身。

(4) 調(diào)試bug很頭疼。

相反的，如果架構設計的好，對各方面都有好處：

對于項目來說：

(1)項目周期可控

(2)代碼可讀性好

(3)功能可擴展

(4)修改單一模塊不會影響其他功能

(5)并行開發(fā)

(6)單元測試方便

對于開發(fā)人員來說

(1)節(jié)省開發(fā)時間

(2) 全局視角，提高開發(fā)大型項目的能力

(3)debug輕松、快速

【如何進行架構設計】

1.設計文檔

只要進入編程領域，大家都知道要高內(nèi)聚、低耦合，分模塊、分層設計。

但是具體需要怎么做？

如何在規(guī)定好的項目周期內(nèi)把事情做好，而且讓自己沒那么累？

如何為自己后期的維護做好鋪墊？

。。。

這些問題可能在項目初期的時候，都規(guī)劃的比較好。

但是在執(zhí)行過程中，就會越來越偷懶，越來越偏離預定義的方向。

我的建議是：

無論項目的大小，無論項目周期的長短，一定要有設計文檔，設計文檔的詳細程度就需要根據(jù)項目的實際情況進行靈活把握了。

在設計文檔中，就要把架構方面的設計體現(xiàn)出來。在實現(xiàn)的過程中，嚴格按照文檔中的要求來做。

取乎其上，得乎其中；取乎其中，得乎其下。

2. 程序文件的物理模型

(1) 分層設計

業(yè)務層

功能模塊層

驅(qū)動層

(2) 分模塊設計

根據(jù)功能來劃分模塊

模塊之間通過API接口函數(shù)進行數(shù)據(jù)交互

設計靈活的API接口函數(shù)

3.進程與線程的選擇

在嵌入式系統(tǒng)中，實現(xiàn)產(chǎn)品的功能，可以通過多個進程相互配合來完成，也可以用多線程來實現(xiàn)，這個選擇沒有固定的標準，視項目的具體情況而定。

我一般的做法是：

如果產(chǎn)品功能不復雜，盡量用多線程來實現(xiàn)；

如果產(chǎn)品設計到的功能比較多，那么就把強相關的模塊放到獨立的進程中。

(1) 使用進程

各模塊獨立編譯，不會相互影響。

出現(xiàn)類似 SegmentFault 問題，很容易定位到肇事者。

方便分布式部署。

代碼安全：除了整合人員，其他人只需要 clone 自己負責的模塊代碼，沒有權限、也不需要訪問別人的代碼。

但是：需要考慮到進程之間的通信問題，比如：IPC調(diào)用、socket通信、總線。（我一般都會采用在本地系統(tǒng)內(nèi)使用一條MQTT總線來掛接所有的通訊模塊）

(2) 使用線程

創(chuàng)建線程成本低。

線程之間共享全局變量（換個角度，這也是一種缺點）。

模塊之間調(diào)用方便，因為函數(shù)地址直接可見。

4. API設計

可以把一個模塊看成是黑盒，給定一個輸入，就會返回確定的結果，或者執(zhí)行確定的功能，

模塊之間只需要定義好這個API接口函數(shù)就行。

至于模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，大家各顯其能。

另外，如果你是API設計人員，一定要注意要讓調(diào)用者用起來很舒服。就像你遞一把剪刀給別人，一定是把手給對方。

另外一個經(jīng)驗，在項目設計初期，盡量不要把API的函數(shù)設計的太死板，容易給自己下套。

例如：

(1) 可以設計帶有 char *的變量，使用json格式的字符串，來傳遞任意長度和類型的數(shù)據(jù)。

(2) 可以設計帶有 void *的變量，用來傳遞任意數(shù)據(jù)類型的地址，這個功能在很多項目中被使用的出神入化，比如：很早之前高通手機的BREW平臺，智能家居中的 ZWave平臺。

5. 文件目錄的設計

這部分容易理解，職責不同的文件要存放到相應的目錄中：頭文件、庫文件、可執(zhí)行文件、相關文檔。如果這部分組織的不夠好，當你把項目移交給其他同事時，肯定會被其他人在心中默念一千遍

6.編譯腳本的設計(構建工具)

當我們接到一個嵌入式項目時，在確定方案之后，程序運行的平臺都是確定的，大部分情況就是嵌入式Linux，或者是一些變體。

在開發(fā)階段，我見過有些開發(fā)人員每調(diào)試一個功能點，就把代碼交叉編譯后放，然后通過NFS遠程掛載，或者scp遠程拷貝，在真實設備上執(zhí)行。我看著都比較累。

其實完全可以在編譯腳本中為不同的平臺編譯一個版本。

比如：使用Ubuntu系統(tǒng)來開發(fā)產(chǎn)品時，只要x86平臺可以模擬產(chǎn)品功能，就直接編譯x86版本。

當所有的功能點在x86平臺上測試OK了， 再統(tǒng)一放到真實的嵌入式系統(tǒng)中進行聯(lián)調(diào)，這樣做能節(jié)省很多時間。

【Demo說明】

1.簡介

這個Demo是從一個智能家居項目中抽取出來的，只是體現(xiàn)了各功能模塊的設計，函數(shù)內(nèi)部沒有實現(xiàn)任何功能，僅僅是用來展示設計的過程。

2.代碼獲取

https://pan.baidu.com/s/1B3F9byydXeNWdtgYEEQNLg

密碼：3a9p

在 Ubuntu16.04 系統(tǒng)下，可以直接編譯執(zhí)行。

3.系統(tǒng)架構圖

4.目錄結構

Makefile: 編譯腳本

application: 業(yè)務層

module: 功能模塊層

driver: 硬件驅(qū)動層

5.執(zhí)行序列演示

圖中橙色的箭頭，表示從云端發(fā)來一個控制指令。

業(yè)務層接收到指令后，解析指令，發(fā)送給 Control 模塊。

Control 模塊再次解析具體的指令，發(fā)送給 ZigBee 設備，同時記錄到日志中。

審核編輯 ：李倩