C语言嵌入式系统编程软件设计架构研究

(北京信息职业技术学院，北京 100015)

引 言

C语言是嵌入式软件开发使用最多的语言[1]，主要是由于C语言兼具高低级语言的特性，简洁高效、灵活方便，支持对硬件的直接操作，但其灵活性也往往会带来复杂的代码管理和维护问题。不同于一般形式的软件编程，嵌入式系统编程建立在特定的硬件平台上，面向的是一种专用的计算机系统[2]，既有对硬件操作的复杂性，也有应用层次上的通用性。因此，在软件开发过程中，采用良好的软件框架和设计方法，对项目进行工程化管理，能够更好地指导软件开发的层次划分和功能模块设计。既能提高软件系统的开发、执行和维护效率，又有利于提高程序代码的重用性、拓展性和可靠性。本文在当前流行的软件工程思想基础上，将面向对象设计技术、分层技术应用到C语言嵌入式系统编程中，探讨在C语言嵌入式系统开发中的系统设计思路、分层实际、程序架构以及模块重用等问题。

1 系统设计思路

无论是面向过程思想，还是面向对象思想，都是为了更好地将开发需求转变成软件模块划分，进而转变成能够用代码实现的程序功能[3]。在实际系统开发中，不是说一定要用C++或Java等面向对象语言才能进行面向对象程序设计，用C语言也一样可以实现程序模块的封装、继承等特性，关键是如何体现模块划分的“高内聚、低耦合”特点，提高代码的重用性和拓展性。随着嵌入式软件系统的规模和复杂度日益增长，如何更好地进行模块划分，开发出可正确工作的复杂软件，成为系统设计面临的主要问题。

1.1 自顶向下与自底向上

在进行模块化的过程中，通常采用分层技术对应用需求问题进行梳理，抽象出不同层次的模块结构，界定各层次之间的依赖关系，最终将应用需求转变为软件设计。一个方向是自顶向下，从抽象到具体，从最顶层的程序或者逻辑整体描述规范出发向下到具体的操作模块，这是目前嵌入式系统应用层开发常用的方法。比如，液晶屏幕显示控制，可以细化到对点阵的一些操作，如“点亮一个点”、“点灭一个点”等。另一个方向是自底向上，从具体到抽象，从某个应用对象的操作出发分析常用的操作方法，这是在硬件驱动开发中常常采用的方法。比如，设计液晶屏幕的驱动，可以分析设计出一些操作原语,如“置一个点位亮”、“置一个点位灭”等，供上层开发调用。

在嵌入式系统设计过程中，可以将两种方法结合使用，针对硬件的操作采用自底向上，尽可能抽象出所有的元操作，应对不同上层应用的重用要求；在逻辑应用上，则采用自顶向下，对应用逻辑表达进行抽象规范，尽量使得模块划分便于开发实现、重用和维护。

1.2 最优模块化

功能模块是独立实现某一特定功能的最小代码集。软件模块实现的功能应该简单明了，方便理解和应用，而且对外依赖关系越少越好，能够更好地组织程序开发、集成和重用。在操作模块的设计过程中，应该遵循两个原则：一是紧凑性，封装良好的模块决不互相暴露内部信息，也不去调用其他模块的操作实现，而是通过函数接口来相互通信；二是正交性，任何模块的功能点应当是唯一的、无歧义的，在系统中以确定无疑的方式存在。在纯正交的模块设计中，每一个操作行动只限于该项功能，系统的每一属性只有一条途径改变，不影响其他功能，这有助于将复杂的设计紧凑化。比如，显示器功能设计的正交性，在调节明暗时不会影响到饱和度，色彩平衡的控制也彼此独立，否则将会对显示方式的调整带来很大的麻烦。对于有些太复杂的问题域，可能无法实现模块完全的紧凑设计，但要尽可能地保持模块封装的安全可靠。

2 嵌入式系统开发的分层架构

分层技术是应付软件日益复杂、功能不断拓展的重要手段。通过采用分层技术，很多复杂的问题得以分割、简化，转化成具体的应用功能实现，衍生出多层结构以及中间件技术等，在软件开发活动中的作用日益凸显。随着嵌入式系统应用复杂程度不断提高，采用分层技术对嵌入式系统进行合理设计，成为提高软件开发效率、执行效率和维护效率的关键。

2.1 分层原则

分层的目的是更好地对开发需求进行分解，合理区分软件功能层次，将软件划分为不同概念层次、不同功能的软件模块，确定不同模块之间的关系，从而实现复杂的软件系统功能。

在软件逻辑架构的分层设计上，一般遵循以下三个方面的原则：一是层次划分兼顾功能颗粒度和重用可能性，每层解决不同的问题，下层要能够为上层应用提供支撑，比如环境温度监测功能，可以从概念上划分为数据采集层、处理层、显示层等，层层递进实现；二是层与层之间的相关性尽量小，确保某一层的软件设计出现问题，只会影响到该层次的上下结构，不会影响到软件系统的整体(比如，显示层不应对温度数据进行处理或修改，避免影响整个处理层的逻辑实现)；三是每层内部按照任务分解、功能优化、重用程度进行模块划分，尽量实现软件功能的高内聚、低耦合。理论上，功能分解得越简单，实现起来越容易，重复使用频次就会越高，但目标过度细化会使设计管理、功能调度的复杂度迅速上升，所以一般划分到概念上能够独立完成一项功能、与其他功能相关性合适的程度[5]。

2.2 分层设计方法

按照自顶向下、自底向上和最优模块化的系统设计思路，针对嵌入式应用与硬件结合紧密、属于专用系统、软硬层次比较明显等特点，对系统逻辑架构进行详细设计，梳理明确软件功能模块划分。

首先，采取自顶向下的方法对嵌入式系统应用需求进行梳理，抽象出不同的逻辑功能要求，明确概念层次，再转化成软件层次。这是一个逐步理解需求、转化成开发需求的过程。比如，开发电子罗盘，需要采集传感器的x、y、z轴数据，转换成方位数据，在液晶屏上显示输出，就分别涉及到界面显示、数据处理、硬件访问、硬件驱动等逻辑层次。

其次是采取自底向上的方法对涉及到的硬件功能进行抽象，应尽可能细化出应用开发需要的硬件操作原语。对于嵌入式系统而言，大量的开发工作是通过软件驱动底层硬件实现相应的专用功能，对硬件功能的封装既有利于降低当前系统开发的复杂度，又便于实现硬件的无关性，提高程序代码的复用性。比如传感器数据的采集，可以区分为硬件驱动层和功能拓展层，分别用来实现硬件的无关性和器件的无关性。

再次，采用自顶向下和自底向上相结合的方法，逐层检验相邻层次间的信息交互和调用关系，确保每一个上层的调用都能得到满足。

最后，对每一层的功能进行合并整合，优化功能模块设计，努力实现最优模块化。在实际系统开发中，最优模块化的过程也是对现有程序代码重用的优化选择过程。

2.3 分层技术的应用

通过对嵌入式系统进行分层设计，有利于理清层次结构、优化功能模块组织，使得系统设计过程敏捷灵活、产品功能可扩展性强。常见的功能模块划分是围绕中心处理器/控制器来设计系统逻辑架构，采用面向过程的设计思路，区分为输入/输出、应用调度、设备驱动、网络通信等功能模块。这样的划分方式能够充分利用系统的处理能力，进行精细化的存储空间管理，但也带来应用逻辑交叉重复、与硬件依赖关系强等缺点，很难进行功能拓展，代码重用性也较差。采用本文描述的设计思路和分层设计方法，对嵌入式系统进行面向对象、去中心化设计，可以将系统逻辑架构区分为以下4个层次[4]：

① 应用管理层。主要实现界面交互、业务逻辑调度等功能。

② 算法协议层。主要实现模型算法、协议解析、文件管理、数据库管理等功能，如位置转换计算、罗盘指针方位计算等。

③ 功能拓展层。主要实现器件的无关性，提供各种器件的通用性处理、接口访问等功能，如LCD的线、圆、矩形处理，传感器数据转换等功能。

④ 硬件驱动层。主要实现硬件的无关性，提供硬件的操作原语功能，如LCD的定位、写点、写字节、传感器数据采集等功能。

上述分层设计方案，将同类或相似技术实现的功能进行聚合，减少业务应用、模型算法和硬件操作之间的耦合性，避免功能在分析设计中的交叉混淆，整个应用程序的结构变得更加清晰和灵活，使得一个成熟的模型算法能够支持多个应用逻辑，一个成熟的软件功能模块能够适应不同的硬件环境，提高了软件功能模块的开发效率和可重用性。

3 基于C语言的系统软件设计

软件编程实现与采用的编程语言紧密相关，基于C语言的嵌入式系统开发必须遵循C语言的编程原则。灵活运用C语言的编程模式，能够提高项目开发效率和代码编写质量，也便于对代码进行维护。

3.1 代码管理

C语言的灵活性往往会导致文件组织混乱、代码可阅读性下降等问题。虽然标准的C语言开发工具并不提供软件框架管理，但根据本文提供的系统逻辑架构设计，可以建立自己的工程文件管理原则，提高代码文件的组织管理和协同开发能力。

一是文件目录管理。按照分层原则组织文件目录，主程序文件、全局变量头文件放在根目录，其他文件按照应用管理层、算法协议层、功能拓展层、硬件驱动层分别存放在AppFunc、ModelFunc、HardExt、HardOpt文件夹，所有文件命名遵循统一的规范。如果有第三方的通用函数库，可以建立ComFunc文件夹来存放。这样在开发过程中，可以充分利用分层模型的优势，各层功能的开发人员可以在不同的文件夹内进行并行工作，实现工程化管理。

二是功能模块管理。为了实现模块化设计的高内聚性，应少用或不用全局变量，尽量通过函数参数来传递数据。同一类的业务应用功能、同一硬件的操作功能尽量放在同一文件内实现。上层功能模块的开发可以调用下层功能模块，下层功能模块尽量避免交叉调用或越级调用。

3.2 面向对象设计

在实际编程过程中，可以通过灵活运用C语言的结构类型和函数指针，实现类似面向对象的继承、封装、多态等重要特性，从而提高编程的效率和代码复用。

(1)继承

通过结构嵌套可以实现对象属性的继承。下面为罗盘对象参数继承的简化示例：

typedef struct_compassbase{ //罗盘基类

int radius; //罗盘半径

int centerx,centery; //罗盘中心

}CompassBase;

typedef struct_compass{

struct_compassbase;

int handle; //指针位置

}Compass;

(2)封装

利用函数指针将数据和函数进行绑定，可以实现对象属性和对象实现的封装。下面为罗盘基类封装的简化示例：

struct _compassbase;

typedef void (*drawcompass)(struct_compassbase*pComBase);

typedef struct_compassbase{ //罗盘基类

int radius; //罗盘半径

int centerx,centery; //罗盘中心

drawcompass pDrawcompass;

}CompassBase;

(3)多态

上述的示例中已经隐含了多态，在调用showgrade的实现时并不用考虑该函数的具体数据处理方式，可以有多种实现方法。

3.3 模块重用设计

C语言代码重用一般通过函数模块来实现，包括头文件和函数实现文件，也就是.h和对应的.c文件。函数定义可以通过两种方式实现：一是宏定义，如#define maxi(a,b) (a>;b?a:b)，而且宏是与类型无关的，不会带来额外的开销，但有些任务是无法通过宏来实现的；二是函数，函数是一段可以重复使用的代码，用来独立地完成某个功能，可以接收用户传递的数据，也可以将计算结果通过函数值返回或通过地址参数返回。下面是分层设计逻辑框架下的函数调用示例，也可采用相同的调用实现不同项目代码的复用，对于罗盘中心位置、显示区域等变量则采用了面向对象设计方法进行封装，在此仅简单描述函数的调用关系。

本应用案例是利用角速度传感器制作一个电子罗盘，在LCD显示屏上实时显示当前方位，可以复用已有算法协议层、功能拓展层、硬件驱动层的功能模块。其中LCD显示功能在各层的示例代码如下：

① 应用管理层：uint Draw_Compass(uint angle,uint pcolor);显示当前angle角度的电子罗盘，pcolor为当前显示颜色，对angle的计算通过调用算法模型层中罗盘角度函数获取，画指针函数则调用功能拓展层的画线函数。

② 算法模型层：uint Cac_Compass(uint x,uint y,uint z);计算罗盘指针方位，x、y、z为传感器获取的数值，转换成指针的角度。

③ 功能拓展层：uint Lcd_Line(uint x1,uint y1,uint x2,uint y2,uint pcolor);这是画线、调用画点函数。

④ 硬件驱动层：uint Lcd_Pixel(uint x,uint y,uint pcolor);驱动LCD进行画点。

结 语

[1] Barr M.Real men program in C[J].Embedded Systems Design,2009(7).

[2] 田泽.嵌入式系统开发与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[3] 林越,王翠珍.浅谈面向对象开发思想与软件设计架构分析[J].信息通信,2016(3):152-154.

[4] 张智慧.多层模型在嵌入式软件开发中的应用研究[J].计算机时代,2017(4):17-20.

[5] 郭潇濛,王崑声.面向对象系统工程方法改进探索[J].科学决策,2016(6):73-94.