嵌入式中设计模式的艺术 -嵌入式

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嵌入式中设计模式的艺术

作者：初光

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2021-11-17

编辑推荐:

本文主要介绍嵌入式设备的常见的软件框架，观察者模式以及职责链模式的情景实现以及示例，希望对您的学习有所帮助。
本文来自于糖果Autosar ，由火龙果软件Alice编辑、推荐。

嵌入式的标签多为：低配，偏硬件，底层，资源紧张，代码多以C语言，汇编为主，代码应用逻辑简单。但随着AIOT时代的到来，局面组件改变。芯片的性能资源逐渐提升，业务逻辑也逐渐变得复杂，相对于代码的效率而言，代码的复用可移植性要求越来越高，以获得更短的项目周期和更高的可维护性。下面是AIOT时代嵌入式设备的常见的软件框架。

设计模式

设计模式的标签：高级语言，高端，架构等。在AIOT时代，设计模式与嵌入式能擦出怎样的火花？设计模式可描述为：对于某类相似的问题，经过前人的不断尝试，总结出了处理此类问题的公认的有效解决办法。

嵌入式主要以C语言开发，且面向过程，而设计模式常见于高级语言（面向对象），目前市面上描述设计模式的书籍多数使用JAVA 语言，C语言能实现设计模式吗？设计模式与语言无关，它是解决问题的方法，JAVA可以实现，C语言同样可以实现。同样的，JAVA程序员会遇到需要用模式来处理的问题，C程序员也可能遇见，因此设计模式是很有必要学习的。

模式陷阱：设计模式是针对具体的某些类问题的有效解决办法，不是所有的问题都能匹配到对应的设计模式。因此，不能一味的追求设计模式，有时候简单直接的处理反而更有效。有的问题没有合适的模式，可以尽量满足一些设计原则，如开闭原则（对扩展开放，对修改关闭）

观察者模式

情景

在对象之间定义一个一对多的依赖，当一个对象状态改变的时候，所有依赖的对象都会自动收到通知。

实现

主题对象提供统一的注册接口，以及注册函数。由观察者本身实例化observer_intf 接口，然后使用注册函数，添加到对应的主题列表中，主题状态发生改变，依次通知列表中的所有对象。

当主题状态发生改变，将通知到所有观察者，观察者本身也可以设置条件，是否选择接收通知

实例：嵌入式裸机低功耗框架

设备功耗分布

其中线路损耗，电源电路等软件无法控制，故不讨论。板载外设，如传感器可能通过某条命令配置进入低功耗模式，又或者硬件上支持控制外设电源来控制功耗。片内外设，及芯片内部的外设，通过卸载相关驱动，关闭时钟配置工作模式来控制功耗。

设备唤醒方式

主动唤醒系统某个定时事件到来时，系统被主动唤醒处理事件
被动唤醒系统处于睡眠，被外部事件唤醒，如串口接收到一包数据，传感器检测到变化，通过引脚通知芯片

系统允许睡眠的条件

外设无正在收发的数据
缓存无需要处理的数据
应用层状态处于空闲（无需要处理的事件）

基于观察者模式的PM框架实现

PM组件提供的接口

struct pm
{
struct pm * next;
const char * name;
void (*init)( void );
void (* deinit ( void );
void * condition;
};
static struct pm pm_list;
static uint8_t pm_num;
static uint8_t pm_status;
int pm_register ( const struct pm* pm , const char * name)
{
struct pm* 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++;
}
void pm_loop ( void )
{
uint32_t pm_condition = 0 ;
struct pm* cur_pm = pm_list.next;
static uint8_t cnt;
/*check all condition*/
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;
}
}
}

外设使用PM接口

结论

PM 电源管理可以单独形成模块，当功耗外设增加时，只需实现接口，注册即可
通过定义段导出操作，可以更加简化应用层或外设的注册逻辑
方便调试，可以很方便打印出系统当前为满足睡眠条件的模块
通过条件字段划分，应该可以实现系统部分睡眠

职责链模式

情景

在现实生活中，一个事件(任务)需要经过多个对象处理是很常见的场景。如报销流程，公司员工报销，首先员工整理报销单，核对报销金额，有误则继续核对整理，直到无误，将报销单递交到财务，财务部门进行核对，核对无误后，判断金额数量，若小于一定金额，则财务部门可直接审批，若金额超过范围，则报销单流传到总经理，得到批准后，整个任务才算结束。类似的情景还有很多，如配置一个WIFI模块，通过AT指令，要想模块正确连入WIFI ，需要按一定的顺序依次发送配置指令，如设置设置模式，设置需要连接的WIFI名，密码，每发送一条配置指令，模块都将返回配置结果，而发送者需要判断结果的正确性，再选择是否发送下一条指令或者进行重传。

总结起来是，一系列任务需要严格按照时间线依次处理的顺序逻辑，如下图所示。

在存在系统的情况下，此类逻辑可以很容易的用阻塞延时来实现，实现如下：

在裸机的情况下，为了保证系统的实时性，无法使用阻塞延时，一般使用定时事件配合状态机来实现：

和系统实现相比，裸机的实现更加复杂，为了避免阻塞，只能通过状态和定时器来实现顺序延时的逻辑，可以看到，实现过程相当分散，对于单个任务的处理分散到了3个函数中处理，这样导致的后果是：修改，移植的不便。而实际的应用中，类似的逻辑相当多，如果按照上面的方法去实现，将会导致应用程序的强耦合。

实现

可以发现，上面的情景有以下特点：

任务按顺序执行，只有当前任务执行完了(有结论，成功或者失败)才允许执行下一个任务
前一个任务的执行结果会影响到下一个任务的执行情况
任务有一些特性，如超时时间，延时时间，重试次数

通过以上信息，我们可以抽象出这样一个模型：任务作为节点，每一个任务节点有其属性：如超时，延时，重试，参数，处理方法，执行结果。当需要按照顺序执行一系列任务时，依次将任务节点串成一条链，启动链运行，则从任务链的第一个节点开始运行，运行的结果可以是 OK , BUSY ,ERROR 。若是OK, 表示节点已处理，从任务链中删除，ERROR 表示运行出错，任务链将停止运行，进行错误回调，可以有用户决定是否继续运行下去。BUSY表示任务链处于等待应答，或者等待延时的情况。当整条任务链上的节点都执行完，进行成功回调。

node数据结构定义

node内存池

使用内存池的必要性：实际情况下，同一时间，责任链的条数，以及单条链的节点数比较有限，但种类是相当多的。比如一个支持AT指令的模块，可能支持几十条AT指令，但执行一个配置操作，可能就只会使用3-5条指令，若全部静态定义节点，将会消耗大量内存资源。因此动态分配是必要的。

初始化node内存池，内存池内所有节点都将添加到free_list。当申请节点时，会取出第一个空闲节点，加入到used_list , 并且接入到责任链。当责任链某一个节点执行完，将会被自动回收（从责任链中删除，并从used_list中删除，然后添加到free_list）

职责链数据结构定义

职责链初始化

职责链添加节点

职责链的启动

职责链的应答

职责链的运行

int resp_chain_run ( resp_chain_t * chain)
{
RESP_ASSERT (chain);
if (chain->enable)
{
shadow_resp_chain_node_t * cur_node = chain->node.next;
/*maybe ans occur in handle,so cannot change state direct when ans comming*/
if (chain->is_ans)
{
chain->is_ans = false ;
chain->state = RESP_STATUS_ANS;
}
switch (chain->state)
{
case RESP_STATUS_IDLE:
{
if (cur_node)
{
uint16_t retry = 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 ( "node handle is null ,goto next node" );
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 ;
}
case RESP_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 ;
}
case RESP_STATUS_BUSY:
{
/*waiting for ans or timeout*/
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 ;
}
case RESP_STATUS_ANS:
{
/*already got the ans,put the param back to the request handle*/
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 ( "node handle is null ,goto next node" );
chain->state = RESP_STATUS_OK;
}
break ;
}
case RESP_STATUS_TIMEOUT:
{
if (cur_node->retry)
{
cur_node->retry--;
/*retry to request until cnt is 0*/
chain->state = RESP_STATUS_IDLE;
}
else
{
chain->state = RESP_STATUS_ERROR;
}
break ;
}
case RESP_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 ;
}
case RESP_STATUS_OK:
{
/*get the next node*/
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 ;
}
}
return chain->enable;
}

测试用例

定义并初始化责任链

定义运行函数，在主循环中调用

测试节点添加并启动触发函数

分别实现节点请求函数

结论

实现了裸机处理顺序延时任务
较大程度的简化了应用程的实现，用户只需要实现响应的处理函数，调用接口添加，即可按时间要求执行
参数为空，表明为请求，否则为应答。（在某些场合，请求可能也带参数，如接下来所说的LAP协议，此时需要通过判断参数的类型）

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