浅析C语言嵌入式系统编程软件设计架构

浅析C语言嵌入式系统编程软件设计架构

田壮

美的洗涤电器制造有限公司528311

摘要：C语言是嵌入式软件开发使用最多的语言，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。基于此，本文就从C语言嵌入式系统编程软件设计展开分析。

关键词：C语言；嵌入式系统；编程软件设计

1、系统设计思路

1.1自顶向下与自底向上

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。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

①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；

②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。

2、嵌入式系统开发的分层架构

2.1分层原则

①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；

②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；

③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。

2.2分层设计方法

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。

其次，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。

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

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。

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

3.1代码管理

①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。

②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。一是宏定义，如#definemaxi（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。

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：uintDraw_Compass（uintangle，uintpcolor）；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：uintCac_Compass（uintx，uinty，uintz）；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：uintlcd_Line（uintx1，uinty1，uintx2，uinty2，uintpcolor）；这是画线、调用画点函数。

④硬件驱动层：uintLcd_Pixel（uintx，uinty，uintpcolor）；驱动LCD进行画点。

结束语

综上所述，嵌入式系统应用不断拓展、更新换代加速，采用良好的软件设计架构，规范软件开发过程，实现产品设计的重用，减少重复设计和分析，能够提高项目开发的质量和效率。

参考文献

[1]林越.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.

[2]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.

[3]郭潇濛.面向对象系统工程方法改进探索[J].科学决策，2016.