1、嵌入式

嵌入式的標(biāo)簽多為：低配，偏硬件，底層，資源緊張，代碼多以C語言，匯編為主，代碼應(yīng)用邏輯簡單。但隨著AIOT時(shí)代的到來，局面組件改變。芯片的性能資源逐漸提升，業(yè)務(wù)邏輯也逐漸變得復(fù)雜，相對(duì)于代碼的效率而言，代碼的復(fù)用可移植性要求越來越高，以獲得更短的項(xiàng)目周期 和更高的可維護(hù)性。下面是AIOT時(shí)代嵌入式設(shè)備的常見的軟件框架。

設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式的標(biāo)簽：高級(jí)語言 ，高端，架構(gòu)等。在AIOT時(shí)代，設(shè)計(jì)模式與嵌入式能擦出怎樣的火花？設(shè)計(jì)模式可描述為：對(duì)于某類相似的問題，經(jīng)過前人的不斷嘗試，總結(jié)出了處理此類問題的公認(rèn)的有效解決辦法。

嵌入式主要以C語言開發(fā)，且面向過程，而設(shè)計(jì)模式常見于高級(jí)語言（面向?qū)ο螅?，目前市面上描述設(shè)計(jì)模式的書籍多數(shù)使用JAVA 語言，C語言能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式嗎？設(shè)計(jì)模式與語言無關(guān)，它是解決問題的方法，JAVA可以實(shí)現(xiàn)，C語言同樣可以實(shí)現(xiàn)。同樣的，JAVA程序員會(huì)遇到需要用模式來處理的問題，C程序員也可能遇見，因此設(shè)計(jì)模式是很有必要學(xué)習(xí)的。

模式陷阱：設(shè)計(jì)模式是針對(duì)具體的某些類問題的有效解決辦法，不是所有的問題都能匹配到對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)模式。因此，不能一味的追求設(shè)計(jì)模式，有時(shí)候簡單直接的處理反而更有效。有的問題沒有合適的模式，可以盡量滿足一些設(shè)計(jì)原則，如開閉原則（對(duì)擴(kuò)展開放，對(duì)修改關(guān)閉）

2、觀察者模式

在對(duì)象之間定義一個(gè)一對(duì)多的依賴，當(dāng)一個(gè)對(duì)象狀態(tài)改變的時(shí)候，所有依賴的對(duì)象都會(huì)自動(dòng)收到通知。

實(shí)現(xiàn)

主題對(duì)象提供統(tǒng)一的注冊接口，以及注冊函數(shù) 。由觀察者本身實(shí)例化observer_intf 接口，然后使用注冊函數(shù)，添加到對(duì)應(yīng)的主題列表中，主題狀態(tài)發(fā)生改變，依次通知列表中的所有對(duì)象。

structobserver_ops
{
void*(handle)(uint8_tevt);
};
structobserver_intf
{
structobserver_intf*next;
constchar*name;
void*condition;
conststructobserver_ops*ops;
}
intobserver_register(structtopical*top,structobserver_intf*observer);

當(dāng)主題狀態(tài)發(fā)生改變，將通知到所有觀察者，觀察者本身也可以設(shè)置條件，是否選擇接收通知

structobserver_intfobserver_list;

voidXXXX_topical_evt(uint8_tevt)
{
structobserver_intf*cur_observer=observer_list.next;
uint8_t*condition=NULL;
while(cur_observer!=NULL)
{
condition=(uint8_t*）cur_observer->condition;
if(NULL==condition||(condition&&*condition)）
{
if(cur_observer->ops->handle){
cur_observer->ops->handle(evt);
}
}
cur_observer=cur_observer->next;
}
}

實(shí)例：嵌入式裸機(jī)低功耗框架

設(shè)備功耗分布

其中線路損耗，電源電路等軟件無法控制，故不討論。板載外設(shè)，如傳感器可能通過某條命令配置進(jìn)入低功耗模式，又或者硬件上支持控制外設(shè)電源來控制功耗。片內(nèi)外設(shè)，及芯片內(nèi)部的外設(shè)，通過卸載相關(guān)驅(qū)動(dòng)，關(guān)閉時(shí)鐘配置工作模式來控制功耗。

設(shè)備喚醒方式

當(dāng)系統(tǒng)某個(gè)定時(shí)事件到來時(shí)，系統(tǒng)被主動(dòng)喚醒處理事件

系統(tǒng)處于睡眠，被外部事件喚醒，如串口接收到一包數(shù)據(jù)，傳感器檢測到變化，通過引腳通知芯片

被動(dòng)喚醒

主動(dòng)喚醒

系統(tǒng)允許睡眠的條件

外設(shè)無正在收發(fā)的數(shù)據(jù)

緩存無需要處理的數(shù)據(jù)

應(yīng)用層狀態(tài)處于空閑（無需要處理的事件）

基于觀察者模式的PM框架實(shí)現(xiàn)

PM組件提供的接口

structpm
{
structpm*next;
constchar*name;
void(*init)(void);
void(*deinit(void);
void*condition;
};
staticstructpmpm_list;
staticuint8_tpm_num;
staticuint8_tpm_status;

intpm_register(conststructpm*pm,constchar*name)
{
structpm*cur_pm=&pm_list;
while(cur_pm->next)
{
cur_pm=cur_pm->next;
}
cur_pm->next=pm;
pm->next=NULL;
pm->name=name;
pm_num++;
}

voidpm_loop(void)
{
uint32_tpm_condition=0;
structpm*cur_pm=pm_list.next;
staticuint8_tcnt;

/*checkallcondition*/
while(cur_pm)
{
if(cur_pm->condition){
pm_condition|=*((uint32_t*)(cur_pm->condition));
}
cur_pm=cur_pm->next;
}
if(pm_condition==0)
{
cnt++;
if(cnt>=5)
{
pm_status=READY_SLEEP;
}
}
else
{
cnt=0;
}
if(pm_status==READY_SLEEP)
{
cur_pm=pm_list.next;
while(cur_pm)
{
if(cur_pm->deinit){
cur_pm->deinit();
}
cur_pm=cur_pm->next;
}
pm_status=SLEEP;
ENTER_SLEEP_MODE();
}
/*sleep--->wakeup*/
if(pm_status==SLEEP)
{
pm_status=NORMAL;
cur_pm=pm_list.next;
while(cur_pm)
{
if(cur_pm->init){
cur_pm->init();
}
cur_pm=cur_pm->next;
}
}
}

外設(shè)使用PM接口

structuart_dev
{
...
structpmpm;
uint32_tpm_condition;
};
structuart_devuart1;

voidhal_uart1_init(void);
voidhal_uart1_deinit(void);

voiduart_init(void)
{
uart1.pm.init=hal_uart1_init;
uart1.pm.deinit=hal_uart1_deinit;
uart1.pm.condition=&uart1.pm_condition;
pm_register(&uart1.pm,"uart1");
}
/*接下來串口驅(qū)動(dòng)檢查緩存，發(fā)送，接收是否空閑或者忙碌，給uart1.pm_condition賦值*/

結(jié)論

PM 電源管理可以單獨(dú)形成模塊，當(dāng)功耗外設(shè)增加時(shí)，只需實(shí)現(xiàn)接口，注冊即可

通過定義段導(dǎo)出操作，可以更加簡化應(yīng)用層或外設(shè)的注冊邏輯

方便調(diào)試，可以很方便打印出系統(tǒng)當(dāng)前為滿足睡眠條件的模塊

通過條件字段劃分，應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部分睡眠

3、責(zé)任鏈模式

在現(xiàn)實(shí)生活中，一個(gè)事件(任務(wù))需要經(jīng)過多個(gè)對(duì)象處理是很常見的場景。如報(bào)銷流程，公司員工報(bào)銷， 首先員工整理報(bào)銷單，核對(duì)報(bào)銷金額，有誤則繼續(xù)核對(duì)整理，直到無誤，將報(bào)銷單遞交到財(cái)務(wù)，財(cái)務(wù)部門進(jìn)行核對(duì)，核對(duì)無誤后，判斷金額數(shù)量，若小于一定金額，則財(cái)務(wù)部門可直接審批，若金額超過范圍，則報(bào)銷單流傳到總經(jīng)理，得到批準(zhǔn)后，整個(gè)任務(wù)才算結(jié)束。類似的情景還有很多，如配置一個(gè)WIFI模塊，通過AT指令，要想模塊正確連入WIFI ， 需要按一定的順序依次發(fā)送配置指令 ， 如設(shè)置設(shè)置模式 ，設(shè)置 需要連接的WIFI名，密碼，每發(fā)送一條配置指令，模塊都將返回配置結(jié)果，而發(fā)送者需要判斷結(jié)果的正確性，再選擇是否發(fā)送下一條指令或者進(jìn)行重傳。

總結(jié)起來是，一系列任務(wù)需要嚴(yán)格按照時(shí)間線依次處理的順序邏輯，如下圖所示:

在存在系統(tǒng)的情況下，此類邏輯可以很容易的用阻塞延時(shí)來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)如下：

voidprocess_task(void)
{
task1_process();
msleep(1000);

task2_process();
mq_recv(&param,1000);

task3_process();
while(mq_recv(¶m,1000)!=OK)
{
if(retry)
{
task3_process();
--try;
}
}
}

在裸機(jī)的情況下，為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，無法使用阻塞延時(shí)，一般使用定時(shí)事件配合狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)：

voidprocess_task(void)
{
switch(task_state)
{
casetask1:
task1_process();
set_timeout(1000);break;
casetask2:
task1_process();
set_timeout(1000);break;
casetask3:
task1_process();
set_timeout(1000)break;
default:break;
}
}
/*定時(shí)器超時(shí)回調(diào)*/
voidtimeout_cb(void)
{
if(task_state==task1)
{
task_state=task2;
process_task();
}
else//task2andtask3
{
if(retry)
{
retry--;
process_task();
}
}
}
/*任務(wù)的應(yīng)答回調(diào)*/
voidtask_ans_cb(void*param)
{
if(task==task2)
{
task_state=task3;
process_task();
}
}

和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相比，裸機(jī)的實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜，為了避免阻塞，只能通過狀態(tài)和定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)順序延時(shí)的邏輯，可以看到，實(shí)現(xiàn)過程相當(dāng)分散，對(duì)于單個(gè)任務(wù)的處理分散到了3個(gè)函數(shù)中處理，這樣導(dǎo)致的后果是：修改，移植的不便。而實(shí)際的應(yīng)用中，類似的邏輯相當(dāng)多，如果按照上面的方法去實(shí)現(xiàn)，將會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序的強(qiáng)耦合。

實(shí)現(xiàn)

可以發(fā)現(xiàn)，上面的情景有以下特點(diǎn)：

任務(wù)按順序執(zhí)行，只有當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行完了(有結(jié)論，成功或者失敗)才允許執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)

前一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果會(huì)影響到下一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行情況

任務(wù)有一些特性，如超時(shí)時(shí)間，延時(shí)時(shí)間，重試次數(shù)

通過以上信息，我們可以抽象出這樣一個(gè)模型：任務(wù)作為節(jié)點(diǎn)， 每一個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)有其屬性：如超時(shí)，延時(shí)，重試，參數(shù)，處理方法，執(zhí)行結(jié)果。當(dāng)需要按照順序執(zhí)行一系列任務(wù)時(shí)，依次將任務(wù)節(jié)點(diǎn)串成一條鏈，啟動(dòng)鏈運(yùn)行，則從任務(wù)鏈的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)開始運(yùn)行，運(yùn)行的結(jié)果可以是 OK , BUSY ,ERROR 。若是OK, 表示節(jié)點(diǎn)已處理，從任務(wù)鏈中刪除，ERROR 表示運(yùn)行出錯(cuò)，任務(wù)鏈將停止運(yùn)行，進(jìn)行錯(cuò)誤回調(diào)，可以有用戶決定是否繼續(xù)運(yùn)行下去。BUSY表示任務(wù)鏈處于等待應(yīng)答，或者等待延時(shí)的情況。當(dāng)整條任務(wù)鏈上的節(jié)點(diǎn)都執(zhí)行完，進(jìn)行成功回調(diào)。

node數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

/*shadownodeapitypeforreq_chainsrc*/
typedefstructshadow_resp_chain_node
{
uint16_ttimeout;
uint16_tduration;
uint8_tinit_retry;
uint8_tparam_type;
uint16_tretry;
/*usedinmpool*/
structshadow_resp_chain_node*mp_prev;
structshadow_resp_chain_node*mp_next;

/*usedresp_chain*/
structshadow_resp_chain_node*next;

node_resp_handle_fphandle;
void*param;
}shadow_resp_chain_node_t;

node內(nèi)存池

使用內(nèi)存池的必要性：實(shí)際情況下，同一時(shí)間，責(zé)任鏈的條數(shù)，以及單條鏈的節(jié)點(diǎn)數(shù)比較有限，但種類是相當(dāng)多的。比如一個(gè)支持AT指令的模塊，可能支持幾十條AT指令，但執(zhí)行一個(gè)配置操作，可能就只會(huì)使用3-5條指令，若全部靜態(tài)定義節(jié)點(diǎn)，將會(huì)消耗大量內(nèi)存資源。因此動(dòng)態(tài)分配是必要的。

初始化node內(nèi)存池，內(nèi)存池內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都將添加到free_list。當(dāng)申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)取出第一個(gè)空閑節(jié)點(diǎn)，加入到used_list , 并且接入到責(zé)任鏈。當(dāng)責(zé)任鏈某一個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完，將會(huì)被自動(dòng)回收（從責(zé)任鏈中刪除，并從used_list中刪除，然后添加到free_list）

職責(zé)鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

typedefstructresp_chain
{
boolenable;//enble==true責(zé)任鏈啟動(dòng)
boolis_ans;//收到應(yīng)答，與void*param共同組成應(yīng)答信號(hào)

uint8_tstate;
constchar*name;
void*param;
TimerEvent_ttimer;
booltimer_is_running;
shadow_resp_chain_node_tnode;//節(jié)點(diǎn)鏈
void(*resp_done)(void*result);//執(zhí)行結(jié)果回調(diào)
}resp_chain_t;

職責(zé)鏈初始化

voidresp_chain_init(resp_chain_t*chain,constchar*name,
void(*callback)(void*result))
{
RESP_ASSERT(chain);
/*onlyinitonetime*/
resp_chain_mpool_init();

chain->enable=false;
chain->is_ans=false;
chain->resp_done=callback;
chain->name=name;

chain->state=RESP_STATUS_IDLE;
chain->node.next=NULL;
chain->param=NULL;

TimerInit(&chain->timer,NULL);
}

職責(zé)鏈添加節(jié)點(diǎn)

intresp_chain_node_add(resp_chain_t*chain,
node_resp_handle_fphandle,void*param)
{
RESP_ASSERT(chain);
BoardDisableIrq();
shadow_resp_chain_node_t*node=chain_node_malloc();
if(node==NULL)
{
BoardEnableIrq();
RESP_LOG("nodemallocerror,nofreenode");
return-2;
}
/*初始化節(jié)點(diǎn)，并加入責(zé)任鏈*/
shadow_resp_chain_node_t*l=&chain->node;
while(l->next!=NULL)
{
l=l->next;
}
l->next=node;
node->next=NULL;
node->handle=handle;
node->param=param;
node->timeout=RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_TIMEOUT;
node->duration=RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_DURATION;
node->init_retry=RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_RETRY;
node->retry=(node->init_retry==0)?0:(node->init_retry-1);
BoardEnableIrq();
return0;
}

職責(zé)鏈的啟動(dòng)

voidresp_chain_start(resp_chain_t*chain)
{
RESP_ASSERT(chain);
chain->enable=true;
}

職責(zé)鏈的應(yīng)答

voidresp_chain_set_ans(resp_chain_t*chain,void*param)
{
RESP_ASSERT(chain);
if(chain->enable)
{
chain->is_ans=true;
if(param!=NULL)
chain->param=param;
else
{
chain->param="NOPARAM";
}
}
}

職責(zé)鏈的運(yùn)行

intresp_chain_run(resp_chain_t*chain)
{
RESP_ASSERT(chain);
if(chain->enable)
{
shadow_resp_chain_node_t*cur_node=chain->node.next;
/*maybeansoccurinhandle,socannotchangestatedirectwhenanscomming*/
if(chain->is_ans)
{
chain->is_ans=false;
chain->state=RESP_STATUS_ANS;
}

switch(chain->state)
{
caseRESP_STATUS_IDLE:
{
if(cur_node)
{
uint16_tretry=cur_node->init_retry;
if(cur_node->handle)
{
cur_node->param_type=RESP_PARAM_INPUT;
chain->state=cur_node->handle((resp_chain_node_t*)cur_node,cur_node->param);
}
else
{
RESP_LOG("nodehandleisnull,gotonextnode");
chain->state=RESP_STATUS_OK;
}
if(retry!=cur_node->init_retry)
{
cur_node->retry=cur_node->init_retry>0?(cur_node->init_retry-1):0;
}
}
else
{
if(chain->resp_done)
{
chain->resp_done((void*)RESP_RESULT_OK);
}
chain->enable=0;
chain->state=RESP_STATUS_IDLE;
TimerStop(&chain->timer);
chain->timer_is_running=false;
}
break;
}
caseRESP_STATUS_DELAY:
{
if(chain->timer_is_running==false)
{
chain->timer_is_running=true;
TimerSetValueStart(&chain->timer,cur_node->duration);
}
if(TimerGetFlag(&chain->timer)==true)
{
chain->state=RESP_STATUS_OK;
chain->timer_is_running=false;
}
break;
}
caseRESP_STATUS_BUSY:
{
/*waitingforansortimeout*/
if(chain->timer_is_running==false)
{
chain->timer_is_running=true;
TimerSetValueStart(&chain->timer,cur_node->timeout);
}
if(TimerGetFlag(&chain->timer)==true)
{
chain->state=RESP_STATUS_TIMEOUT;
chain->timer_is_running=false;
}
break;
}
caseRESP_STATUS_ANS:
{
/*alreadygottheans,puttheparambacktotherequesthandle*/
TimerStop(&chain->timer);
chain->timer_is_running=false;
if(cur_node->handle)
{
cur_node->param_type=RESP_PARAM_ANS;
chain->state=cur_node->handle((resp_chain_node_t*)cur_node,chain->param);
}
else
{
RESP_LOG("nodehandleisnull,gotonextnode");
chain->state=RESP_STATUS_OK;
}
break;
}
caseRESP_STATUS_TIMEOUT:
{
if(cur_node->retry)
{
cur_node->retry--;
/*retrytorequestuntilcntis0*/
chain->state=RESP_STATUS_IDLE;
}
else
{
chain->state=RESP_STATUS_ERROR;
}
break;
}
caseRESP_STATUS_ERROR:
{
if(chain->resp_done)
{
chain->resp_done((void*)RESP_RESULT_ERROR);
}
chain->enable=0;
chain->state=RESP_STATUS_IDLE;
TimerStop(&chain->timer);
chain->timer_is_running=false;
cur_node->retry=cur_node->init_retry>0?(cur_node->init_retry-1):0;
chain_node_free_all(chain);
break;
}
caseRESP_STATUS_OK:
{
/*getthenextnode*/
cur_node->retry=cur_node->init_retry>0?(cur_node->init_retry-1):0;
chain_node_free(cur_node);
chain->node.next=chain->node.next->next;
chain->state=RESP_STATUS_IDLE;
break;
}
default:
break;
}
}
returnchain->enable;
}

測試用例

定義并初始化責(zé)任鏈

voidchain_test_init(void)
{
resp_chain_init(&test_req_chain,"testrequest",test_req_callback);
}

定義運(yùn)行函數(shù)，在主循環(huán)中調(diào)用

voidchain_test_run(void)
{
resp_chain_run(&test_req_chain);
}

測試節(jié)點(diǎn)添加并啟動(dòng)觸發(fā)函數(shù)

voidchain_test_tigger(void)
{
resp_chain_node_add(&test_req_chain,node1_req,NULL);
resp_chain_node_add(&test_req_chain,node2_req,NULL);
resp_chain_node_add(&test_req_chain,node3_req,NULL);
resp_chain_start(&test_req_chain);
}

分別實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求函數(shù)

/*延時(shí)1s后執(zhí)行下一個(gè)節(jié)點(diǎn)*/
intnode1_req(resp_chain_node_t*cfg,void*param)
{
cfg->duration=1000;
RESP_LOG("node1senddirectrequest:delay:%dms",cfg->duration);
returnRESP_STATUS_DELAY;
}
/*超時(shí)時(shí)間1S，重傳次數(shù)5次*/
intnode2_req(resp_chain_node_t*cfg,void*param)
{
staticuint8_tcnt;
if(param==NULL)
{
cfg->init_retry=5;
cfg->timeout=1000;
RESP_LOG("node2sendrequestmaxretry:%d,waitingforans...");
returnRESP_STATUS_BUSY;
}
RESP_LOG("node2getans:%d",(int)param);
returnRESP_STATUS_OK;
}
/*非異步請(qǐng)求*/
intnode3_req(resp_chain_node_t*cfg,void*param)
{
RESP_LOG("node4senddirectrequest");
returnRESP_STATUS_OK;
}

voidans_callback(void*param)
{
resp_chain_set_ans(&test_req_chain,param);
}

結(jié)論

實(shí)現(xiàn)了裸機(jī)處理 順序延時(shí)任務(wù)

較大程度的簡化了應(yīng)用程的實(shí)現(xiàn)，用戶只需要實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的處理函數(shù) ， 調(diào)用接口添加，即可按時(shí)間要求執(zhí)行

參數(shù)為空，表明為請(qǐng)求 ，否則為應(yīng)答。（在某些場合，請(qǐng)求可能也帶參數(shù)，如接下來所說的LAP協(xié)議，此時(shí)需要通過判斷參數(shù)的類型）

審核編輯：劉清