【RTOS训练营】程序框架、预习、课后作业和晚课提问

我们使用HAL库来开发项目&＃xff0c;如果框架设计的好的话&＃xff0c;在rtos上面代码不需要改动太多。

程序框架可以参考这本书&＃xff0c;我在中兴的时候基本上人手一本。

我们来看看这个产品&＃xff0c;可以通过手机发送网络数据到开发板上&＃xff0c;
开发板根据这些指示来点灯、转风扇。

功能比较简单&＃xff0c;但是我们的框架可以做的有很多层次。

很多同学都是过程化的编程&＃xff0c;今天我们要介绍的是模块化的编程。

要引入面向对象的思想&＃xff0c;我们先来讲一下理论知识。

一个程序&＃xff0c;怎么设计&＃xff1f;

今天的内容需要大家互动&＃xff0c;需要大家把工作中的经验分享出来。

在《代码大全》第5章中&＃xff0c;把程序设计分为这几个层次&＃xff1a;

* 第1层&＃xff1a;软件系统&＃xff0c;就是整个系统、整个程序
* 第2层&＃xff1a;分解为子系统或包。比如我们可以拆分为&＃xff1a;输入子系统、显示子系统、业务系统
* 第3层&＃xff1a;分解为类。在C语言里没有类&＃xff0c;可以使用结构体来描述子系统
* 第4层&＃xff1a;分解成子程序&＃xff1a;实现那些结构体(结构体中有函数指针)

这几句话我用一个图来表示&＃xff1a;

最外面这一层就整个系统&＃xff0c;在里面我们又画了两个大圆圈&＃xff0c;就是两个子系统。

子系统里面又出现出了类或者结构体。

我们在C语言里面用结构体&＃xff0c;在C&＃43;&＃43;里面用类。

在单片机的开发中&＃xff0c;我们只能够用C&＃xff0c;用不了C&＃43;&＃43;&＃xff0c;所以我们来讲结构体。

第3层是结构体&＃xff0c;以前我们讲结构体的时候&＃xff0c;说结构里里面可以放函数指针

一个结构体里面可以有&＃xff1a;各种变量成员、有函数指针。
我们可以使用一个结构体来表示一个设备、一个处理、一个操作。

第4层就是结构体里面的函数了。

这都是一些比较虚的概念&＃xff0c;我们来举例说明。

只讨论开发板上的程序&＃xff0c;这个产品我们可以拆分成几个子系统&＃xff1f;

并没有标准答案&＃xff0c;我来讲一下我的分法。

我把这个系统分成了6个子系统&＃xff1a;

我是怎么得出这6个子系统的呢&＃xff1f;我们可以一步一步来。

按照数据的流向&＃xff0c;分为输入和输出&＃xff1a;

至少有两个系统&＃xff0c;对于输入部分我们又可以细分&＃xff1a;

对于输入&＃xff1a;用户可以点击按键&＃xff0c;点击触摸屏。

那传感器呢&＃xff1f;传感器检测到火灾的时候&＃xff0c;发出报警信号&＃xff0c;这也是输入。

甚至说我们还有远程控制&＃xff0c;就像我们举的例子&＃xff0c;你可以使用手机来控制开发板。

所以对于输入部分&＃xff0c;我们还可以细分成各类子系统。

对于输出&＃xff0c;我们也可以继续细分&＃xff1a;

输出&＃xff0c;并不仅仅是我们在屏幕上看到的内容。

比如说去点灯、控制这些设备&＃xff0c;它也是一种输出。

再比如说数据的保存&＃xff0c;也算是一种输出。

所以输出也可以拆分成很多子系统。

谁把这些输入和输出组合起来&＃xff1f;

我们又可以抽象出另外一个子系统&＃xff1a;业务子系统

有同学称之为&＃xff1a;输入&＃xff0c;输出&＃xff0c;控制逻辑三部分&＃xff0c;基本上就是这三大类。

还有同学从应用和驱动程序的角度来&＃xff1a;应用层、中间层&＃xff0c;驱动层&＃xff0c;这比较适合用来实现某一个硬件模块。

我们以LCD为例&＃xff1a;

对于显示这么一个功能&＃xff0c;他可以拆分成三层。

在Linux系统中&＃xff0c;在驱动开发&＃xff0c;有一个原则&＃xff1a;驱动只提供功能&＃xff0c;不提供策略。

这句话是什么意思呢&＃xff1f;以点灯为例&＃xff0c;
驱动程序&＃xff0c;它可以提供开灯关灯的功能。
什么时候开灯什么时候关灯&＃xff0c;这叫策略&＃xff0c;这不应该由驱动程序来决定。

回到我们上面的这个图&＃xff0c;为什么这个显示的功能&＃xff0c;要拆分成三层&＃xff1f;

看看最底下&＃xff0c;最底下是驱动程序&＃xff0c;他应该提供硬件的功能&＃xff1a;像素操作。

就是在xy某个坐标上&＃xff0c;设置像素的颜色&＃xff0c;但是怎么显示字符、显示多大、在哪显示&＃xff0c;这不关驱动的事。

各司其职&＃xff0c;不要越界。驱动就只做驱动的事。

中间是文字、图片的显示&＃xff0c;通过库函数或者某些功能函数来实现&＃xff0c;提供显示字符、显示图片的功能。

但是显示什么字符、在哪显示&＃xff0c;这不关中间层的事。

显示一个字符的时候&＃xff0c;就显示一个字符的点阵。
怎么得到点阵&＃xff0c;功能函数来实现&＃xff1b;
怎么显示像素&＃xff0c;驱动程序来实现。

但是&＃xff0c;显示什么字符&＃xff0c;在哪里显示&＃xff1f;
显示什么图片&＃xff1f;在哪里显示

跟驱动程序没有关系&＃xff0c;跟功能函数也没有关系。

由最上面的那一层来决定&＃xff1a;APP。

我们去设计一个子系统的时候&＃xff0c;也要明白&＃xff1a;想让子系统比较通用&＃xff0c;比较独立的话&＃xff0c;就不要去做无关的事情。

下面我们就来讲讲怎么写代码实现各类子系统。

对这个输入子系统&＃xff0c;在上图里我只把它拆分成两层。

但是后面随着编程的进行&＃xff0c;我最终把它分成了5层。

所以这些程序的划分&＃xff0c;一开始我们可能想的不够全面&＃xff0c;但是只要记住一个原则&＃xff1a;可移植性、减少依赖、独立

分层的事情我们等会再说&＃xff0c;现在假设这输入子系统&＃xff0c;就分为两层。

怎么写出来呢&＃xff1f;

首先我们要使用面向对象的思想&＃xff0c;抽象出一些结构体。

就比如说我们要问你一个问题&＃xff1a;我从输入子系统里面可以得到什么&＃xff1f;

得到&＃xff1a;按键、触摸屏的点击&＃xff0c;甚至说网络数据。

那么能不能用一个结构体来抽象出这些数据&＃xff1f;

举个例子&＃xff0c;这里抽象出了一个InputEvent&＃xff1a;

这个名字、还有里面的大部分内容&＃xff0c;来自于Linux&＃xff0c;后面这个字符串是我扩充的。

首先它有个类型&＃xff0c;可以分辨是按键、还是触摸屏&＃xff0c;还是网络数据。

对于按键的话&＃xff0c;有意义的成员&＃xff1a;iKey, iPressure。

就比如说是按键a、还是按键b&＃xff0c;是按下还是松开。

里面还有一个时间&＃xff0c;可以记录这个按键按下或者松开的时间&＃xff0c;就可以用来识别长按还是短按。

对于触摸屏&＃xff0c;点击哪个触点&＃xff1f;使用xy坐标来表示。

是点击还是松开&＃xff0c;用iPressure来表示。

后面这个str数组是我扩充的&＃xff0c;我们通过手机给开板发送数据时&＃xff0c;
输入事件就是网络数据&＃xff1a;网络数据就可以保存在这个str数组里。

我们抽象出了输入事件这么一个核心的结构。

你问我怎么知道这个结构体&＃xff1f;我是学习的linux后&＃xff0c;再来教大家的。

所以对于初学者&＃xff0c;一开始的时候先模仿。

来看这框图&＃xff0c;底层的这个按键、网络、串口&＃xff0c;都会向上面传递InputEvent。

那么对一些不同的硬件&＃xff0c;比如说按键、网络输入设备、串口&＃xff0c;

以面向对象的编程思想&＃xff0c;也应该抽象出一个结构体。

这个结构体长什么样&＃xff1f;需要想想怎么去操作这些硬件。

首先得有初始化&＃xff1a;比如说设置gpio为中断功能&＃xff1b;比如说设置串口的波特率。

所以这个结构体里面肯定会有一个初始化函数。

上层的代码&＃xff0c;可以通过这个input device来获得数据&＃xff0c;

可能每种设备去获得数据的方法都不一样&＃xff0c;所以这个input device里面应该提供一个&＃xff1a;获得数据的函数。

所以这个结构体我就抽象为&＃xff1a;

里面有名字&＃xff0c;名字在我们的程序里面不重要。

重要的是那三个函数指针&＃xff0c;最后还有一个链表项。

为什么要加上一个链表&＃xff1f;因为我想把多个输入设备统一管理。

就比如说&＃xff0c;我想去初始化的时候&＃xff0c;我就可以从链表里面把他们一个一个的取出来&＃xff0c;调用它的DeviceInit函数。

我们已经抽象出两个结构体了&＃xff0c;足够了吗&＃xff1f;

我们下面的输入设备&＃xff0c;会不断的产生数据。

就比如说我连续不断的按下按键&＃xff0c;就会产生很多数据。

为了不让这些数据丢失&＃xff0c;我们还需要一个缓冲区&＃xff0c;

于是&＃xff0c;我又抽象出另外一个结构体&＃xff1a;环形缓冲区。

这里面有读和写的位置&＃xff0c;就一个input even数组。

我们已经把整个系统&＃xff0c;拆分成了几个子系统。

对于子系统&＃xff0c;也抽象出了结构体。

最后&＃xff0c;就是去实现结构体里面的函数。

简单的说&＃xff0c;就是去写.h文件和 .c文件。

布置一下预习的视频和文档&＃xff1a;

10-5 输入子系统_实现按键输入
10-5 输入子系统_实现按键输入
10-7 输入子系统_单元测试

三&＃xff1a;课后作业

- 作业1

10_6_input_unittest 中实现了按键功能&＃xff1a;
在按键中断函数中&＃xff0c;构造InputEvent&＃xff0c;放入Buffer
请参考它实现&＃xff1a;串口输入功能。
思路&＃xff1a;
找到串口的接收中断函数
当串口接收到回车换行时&＃xff0c;表示得到了一个完整的数据
将数据构造为InputEvent&＃xff0c;放入Buffer

- 作业2

请思考&＃xff0c;怎么设计"设备子系统"&＃xff0c;比如LED、风扇、OLED&＃xff0c;它们的操作并不相同。
怎么抽象出一个结构体&＃xff0c;可以支持它们&＃xff1f;
写出这个结构体。

写好的作业&＃xff0c;想老师批改的&＃xff0c;请放在QQ群里。

1. 问&＃xff1a; 怎么理解何为硬件模块&＃xff1f;

答&＃xff1a; 比如说LCD、 Flash、各类传感器&＃xff0c;这些都是单功能的硬件模块。

2. 问&＃xff1a; 设备子系统是属于输出吗&＃xff1f;网络子系统和字体子系统是属于输出还是输入&＃xff1f;

答&＃xff1a; 对于设备&＃xff0c;有些设备只能够输出&＃xff0c;有些设备只能够输入&＃xff0c;有些设备既能输出也能输入。所以一个设备子系统&＃xff0c;有时候并不能够简单的把它划入输入、或者输出。比如U盘&＃xff0c;你可以写入数据&＃xff0c;可以读出数据。这个时候单纯把它划为输入或者输出都不恰当。

3. 问&＃xff1a; 按照什么去分层&＃xff1f;

答&＃xff1a; 先划出子系统&＃xff0c;在实现子系统的时候再考虑分层。比如我把系统分为输入和输出&＃xff0c;分成两个子系统&＃xff0c;在实现输入子系统的时候&＃xff0c;再考虑分层。所以我们首先要练的是&＃xff0c;怎么把整个系统拆分成多个子系统。怎么拆分成多个子系统&＃xff0c;刚才我们已经介绍了方法&＃xff1a;

先把它拆分成&＃xff1a;输入、输出、控制逻辑(业务)三个子系统。

再去细分这三个子系统&＃xff0c;得到更多、功能更加独立的子系统。

我再举一个例子&＃xff1a;

我一开始设计这个系统的时候&＃xff0c;并没有这个字体子系统。

后来一想&＃xff0c;我怎么得到字符的点阵&＃xff1f;

我可以从点阵字库里面得到&＃xff0c;也可以从Free type字库里面得到。

去显示文字的时候&＃xff0c;字库的来源应该独立出来。

所以我就把它分成了显示子系统&＃xff0c;字体子系统&＃xff1a;
字体子系统&＃xff0c;提供字模&＃xff1b;
显示子系统&＃xff0c;根据字模来显示文字。

甚至有时候在编程的时候发现&＃xff0c;这个子系统功能不大纯粹&＃xff0c;又去拆分它。

4. 问&＃xff1a; 比如flash保存参数&＃xff0c;这也算输出系统&＃xff0c;怎么抽象&＃xff0c;编程&＃xff1f;老师项目上能加上这一个模块吗&＃xff1f;

答&＃xff1a; 后面的esp32芯片上会有。

5. 问&＃xff1a; 这是属于项目一开始就做全局规划了&＃xff0c;实际工作中感觉还是蛮难的&＃xff1f;

答&＃xff1a; 先从小项目开始练。

6. 问&＃xff1a; 数据成员都不会同一时刻使用&＃xff0c;可以用共用体吗&＃xff1f;union&＃xff1f;

答&＃xff1a; 可以用union&＃xff0c;也推荐使用它。

7. 问&＃xff1a; 分层的第一步是用结构体去勾画对象吗&＃xff1f;

答&＃xff1a; 分成的第一步&＃xff0c;你要去理清楚功能。
就比如说输入子系统&＃xff1a;我之所以把它拆分成两层&＃xff0c;主要是&＃xff1a;

1. 最下面是数据源
2. 上层是汇总

汇总、管理&＃xff0c;所以我就简单的把输入子系统划分为上下两层。

划分出上下两层之后&＃xff0c;再去考虑结构体。

8. 问&＃xff1a; 三个不同的输入内容都揉在一起嘛&＃xff0c;需要再分类清晰点吗&＃xff0c;比如结构体里再包括三个结构体&＃xff1f;

答&＃xff1a; 不管你怎么做&＃xff0c;你得有一个分类type。你当然可以在里面再放三个结构体&＃xff0c;就是比较浪费空间。

9. 问&＃xff1a; 我如果有几个端口输入数据&＃xff0c;例如uart&＃xff0c;spi和网络&＃xff0c;那应该创建几个不同的buf吧&＃xff1f;

答&＃xff1a; 每个输入设备&＃xff0c;都可以产生自己的InputEvent&＃xff0c;里面有自己的buff。定义类型的时候并不需要有出多个buff。每一个设备它都可以定义自己的InputEvent。

10. 问&＃xff1a; 老师&＃xff0c;头文件的开头将 用到的变量、函数指针封装成一个结构体有什么好处呢&＃xff1f;还有#pragma pack(1) 解释下&＃xff1f;

答&＃xff1a; 分装成结构体&＃xff0c;就使用面向对象的编程思想&＃xff0c;用一个结构体来实现一个功能。

以后我去升级或者更换其他硬件&＃xff0c;去修改这个结构体就可以了。

我来举一个例子&＃xff0c;这个例子我以前曾经举过&＃xff1a;

假设你们公司的产品会用到两个LCD&＃xff0c;一开始的时候你这样写代码&＃xff1a;

你使用一个宏&＃xff0c;来决定使用lcd A还是lcd B。

在这个程序里面&＃xff0c;他要么支持lcda&＃xff0c;要么支持lcdb&＃xff0c;不能够既支持a也支持b。

那如果你们公司的产品它既可以支持lcda&＃xff0c;也可以支持lcdb的话&＃xff0c;怎么办&＃xff1f;

首先程序必须可以分辨LCD的类型&＃xff0c;比如说可以去读取gpio&＃xff0c;知道LCD的类型&＃xff0c;代码就像上面一样。

这个代码它只有两款LCD&＃xff0c;如果你们公司的产品支持100款LCD&＃xff0c;怎么办&＃xff1f;

这个时候&＃xff0c;就可以使用结构体了&＃xff0c;在结构体里面放函数指针。

对于第二个问题&＃xff0c;我们可以试一下&＃xff0c;不加这个pack的话&＃xff0c;这个结构体是多大&＃xff1a;

其实这个结构体&＃xff0c;它加不加那个pack都没有影响。

去解析某些文件的头部的时候&＃xff0c;这个pack才有用&＃xff0c;比如BMP头部。

我给大家找一下这个BMP头部&＃xff1a;

BMP文件的头部&＃xff0c;它就是这么一个结构。

如果不加pack的话&＃xff0c;或者说不加上那些attibute的话&＃xff0c;bfType占据4字节(浪费2字节)。

使用这个结构体去构造头部&＃xff0c;并且写入文件的时候&＃xff0c;就会出错。

结构体的大小&＃xff0c;比bmp文件的头部&＃xff0c;增大了。

11. 问&＃xff1a; 结构体的声明放在.h还是.c里好&＃xff0c;如果在.h里&＃xff0c;开放接口函数的时候&＃xff0c;别人是不是也可以引用这个结构体了&＃xff1f;

答&＃xff1a; 你想让别人看见的东西&＃xff0c;就放在头文件里。

12. 问&＃xff1a; 只构造一个环形缓冲区怎么同时接收多个设备的数据呢&＃xff1f;

答&＃xff1a; 多个设备往里面放数据&＃xff0c;多个设备调用&＃xff1a;PutInputEvent。

13. 问&＃xff1a; 如果只有按键输入的话&＃xff0c;那创建的事件结构体岂不是有点浪费空间了?

答&＃xff1a; 是的&＃xff0c;浪费空间&＃xff0c;所以使用union会比较好。

14. 问&＃xff1a; 我用同一套板卡&＃xff0c;但是不同的课题会用到不同的外设&＃xff0c;不同的IO 这样底层硬件就理解为不同吗&＃xff1f;不同的课题的话任务也不同。 这样该怎么考虑框架设计&＃xff1f;

答&＃xff1a; 我说一下我的想法。

同一套板卡&＃xff0c;但是不同的课题会用到不同的外设&＃xff0c;不同的IO&＃xff1a;
这句话就可以细分&＃xff0c;细分成两种情况&＃xff1a;

第1种情况&＃xff1a;他们都是使用这个引脚的gpio功能&＃xff0c;项目一里面是用来输出&＃xff0c;项目二里面是用来输入

这个时候&＃xff0c;我们的程序就可以这样拆分:

看上面这个驱动&＃xff0c;他可以兼容你的两个项目。

这个时候&＃xff0c;这两个程序只有业务上的差别。

我们再来举第2个例子&＃xff1a;

第2个项目&＃xff0c;这个引脚可以用来控制灯&＃xff0c;也可以用来作为adc&＃xff0c;就是读取模拟信号

这个时候&＃xff0c;框架就这样的&＃xff1a;

我觉得没有必要把他们强制融合在一起

再来讲讲第3种情况&＃xff0c;你们的程序既有业务1&＃xff0c;也有业务2&＃xff0c;
业务1把引脚当做gpio&＃xff0c;
业务2把引脚当做adc

我们可以考虑这样一种框架&＃xff1a;这是我临时想的&＃xff0c;有可能考虑不周。

首先你得有一个输入&＃xff0c;这个输入是用来触发一个切换的动作&＃xff1a;

这时候就得把这个引脚&＃xff0c;设置为普通的gpio&＃xff0c;或者设置为adc。

业务1会使用到gpio子系统&＃xff0c;

业务2使用到adc子系统&＃xff0c;

如果非要在一个程序里面&＃xff0c;即实现业务1&＃xff0c;也实现业务2&＃xff0c;那么里面必定有一个“切换的子系统”。

15. 问&＃xff1a; 我感觉两个业务不一定要放一起&＃xff0c;但是希望框架移植方便&＃xff0c;不同的任务可以很方便移植&＃xff0c;不伤筋动骨&＃xff1f;

答&＃xff1a; 实际上我也建议这个两个业务分开&＃xff0c;我们同事前阵子还讨论过这个框架。

我们在做一个lvgl的桌面&＃xff0c;

一种方法是&＃xff1a;点击桌面上每一个图标&＃xff0c;就启动一个独立的APP

另外一种方法是&＃xff1a;点击桌面上的每一个图标&＃xff0c;就加载一个动态库&＃xff0c;

后来我们决定使用第1种方法&＃xff0c;让这些APP尽可能独立。

16. 问&＃xff1a; 老师&＃xff0c;我的项目里面有can 422 flash&＃xff0c;按照你的方法&＃xff0c;是不是可以划分为输入&＃xff0c;输出子系统&＃xff0c;两个子系统中都有can 422 flash&＃xff0c;但是这看起来很多余&＃xff0c;有更好的方法吗&＃xff1f;

答&＃xff1a; 我们说的输入&＃xff0c;是指那些可以直接影响到控制逻辑的&＃xff0c;
一般的传感器我们只是去读取它的数据&＃xff0c;显示它的数据&＃xff0c;这些传感器不应该归到输入子系统。

不同功能的设备&＃xff0c;我们干嘛要把它强制的放入同一个系统。

你就直接有4个系统&＃xff1a;业务、存储、422、CAN不就可以了&＃xff1f;

在我举的例子里面&＃xff0c;开发板就在等待用户的按键、或者手机发来的数据。

等待这些数据&＃xff0c;然后作出反应&＃xff0c;所以我把按键、网络输入&＃xff0c;还有串口输入&＃xff0c;放到输入子系统。

422、CAN&＃xff0c;没有必要强迫他们融合在一起。

17. 问&＃xff1a; 这个环形缓冲器前面看视频觉得是收到的数据缓冲&＃xff0c;现在怎么感觉是事件集呢&＃xff1f;

答&＃xff1a; 如果你使用rtos之后&＃xff0c;事件集不能传递数据&＃xff0c;用queue比较合适。

18. 问&＃xff1a; 现在讲的架构 主要是针对外设的&＃xff0c;那在做项目的时候&＃xff0c;我们应该有个基本架构&＃xff0c;根据项目不同进行裁剪&＃xff0c;这个基本架构怎么做呢&＃xff1f;

答&＃xff1a; 这些基本的架构&＃xff0c;我曾经做过。
我实现了很多比较独立的子系统&＃xff1a;文件读写、图像文件解析、字模提取等。

这些子系统&＃xff0c;你做得比较独立的话&＃xff0c;在你的项目中基本上就是把他们组装起来就可以了&＃xff0c;再加上你的业务逻辑。

19. 问&＃xff1a; int (*DeviceInit)(void);中&＃xff0c;函数指针如果函数名这个位置不加框号&＃xff0c;默认是什么情况&＃xff1f;

答&＃xff1a; 不加括号的话它就是个函数声明&＃xff0c;写在结构体里面是一个错误的用法。

20. 问&＃xff1a; InputDevice可以放在设备子系统里吗&＃xff1f;

答&＃xff1a; InputDevice在rtos里面&＃xff0c;我将会为每一个设备创建一个任务&＃xff0c;所以把它放到设备子系统去&＃xff0c;不合适。

InputDevice&＃xff0c;会调用设备子系统的函数&＃xff0c;去获得硬件数据。

在裸机程序里&＃xff0c; InputDevice解析数据&＃xff0c;设备子系统提供原始的数据&＃xff0c;也不应该把他们放在一起。

比如说&＃xff0c;设备子系统&＃xff0c;他可以提供说哪一个gpio被按下、被松开。

但是&＃xff0c;这个gpio&＃xff0c;对应哪一个按键&＃xff0c;什么时候发生&＃xff0c;不应该由它来做。

应该有更上一层的InputDevice&＃xff0c;根据gpio电平、根据时间&＃xff0c;构造出InputEvent。

这就回到我们刚才说的原则&＃xff1a;各司其职&＃xff0c;不要越界。

21. 问&＃xff1a; 老师&＃xff0c;能总结一下今天的课程吗&＃xff1f;程序设计的时候是 列出功能模块>划分为子系统>子系统分层&＃xff1f;>定义每一个子系统的数据结构和接口>开始写.c&＃xff1f;

答&＃xff1a;

列出功能模块>划分为子系统>子系统分层>定义每一个子系统的数据结构和接口>开始写.c
列出功能模块>划分为子系统>定义每一个子系统的数据结构和接口>子系统分层>开始写.c。

我用的是后面这种流程。