如何在嵌入式中使用設計模式的思想？

來源：CSDN

作者 | 取經(jīng)的孫猴兒

整理 | 嵌入式應用研究院

嵌入式

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

設計模式

設計模式的標簽：高級語言 ，高端，架構(gòu)等。在AIOT時代，設計模式與嵌入式能擦出怎樣的火花？設計模式可描述為：對于某類相似的問題，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，而設計模式常見于高級語言（面向?qū)ο螅?，目前市面上描述設計模式的書籍多數(shù)使用JAVA 語言，C語言能實現(xiàn)設計模式嗎？設計模式與語言無關(guān)，它是解決問題的方法，JAVA可以實現(xiàn)，C語言同樣可以實現(xiàn)。同樣的，JAVA程序員會遇到需要用模式來處理的問題，C程序員也可能遇見，因此設計模式是很有必要學習的。

模式陷阱：設計模式是針對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應的設計模式。因此，不能一味的追求設計模式，有時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計原則，如開閉原則（對擴展開放，對修改關(guān)閉）

觀察者模式

情景

在對象之間定義一個一對多的依賴，當一個對象狀態(tài)改變的時候，所有依賴的對象都會自動收到通知。

實現(xiàn)

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

?struct?observer_ops
?{
?????void*(handle)(uint8_t?evt);??
?};
?struct?observer_intf
?{
?????struct?observer_intf*?next;
?????const?char*?name;
?????void*?condition;
?????const?struct?observer_ops?*ops;
?}
?int?observer_register(struct?topical*?top?,?struct?observer_intf*?observer);

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

?struct?observer_intf?observer_list;
?????
?void?XXXX_topical_evt(uint8_t?evt)
?{
??????struct?observer_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;
??????}
?}

實例：嵌入式裸機低功耗框架

• 設備功耗分布

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，如傳感器可能通過某條命令配置進入低功耗模式，又或者硬件上支持控制外設電源來控制功耗。片內(nèi)外設，及芯片內(nèi)部的外設，通過卸載相關(guān)驅(qū)動，關(guān)閉時鐘配置工作模式來控制功耗。

• 設備喚醒方式

  當系統(tǒng)某個定時事件到來時，系統(tǒng)被主動喚醒處理事件

  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

• 被動喚醒
• 主動喚醒

• 系統(tǒng)允許睡眠的條件

• 外設無正在收發(fā)的數(shù)據(jù)

• 緩存無需要處理的數(shù)據(jù)

• 應用層狀態(tài)處于空閑（無需要處理的事件）

• 基于觀察者模式的PM框架實現(xiàn)

PM組件提供的接口

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;
?????????}
????}
}

外設使用PM接口

struct?uart_dev
{
?...
?struct?pm?pm;
????uint32_t?pm_condition;?
};
struct?uart_dev?uart1;
?
void?hal_uart1_init(void);
void?hal_uart1_deinit(void);
????
void?uart_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 電源管理可以單獨形成模塊，當功耗外設增加時，只需實現(xiàn)接口，注冊即可
• 通過定義段導出操作，可以更加簡化應用層或外設的注冊邏輯
• 方便調(diào)試，可以很方便打印出系統(tǒng)當前為滿足睡眠條件的模塊
• 通過條件字段劃分，應該可以實現(xiàn)系統(tǒng)部分睡眠

職責鏈模式

情景

在現(xiàn)實生活中，一個事件(任務)需要經(jīng)過多個對象處理是很常見的場景。如報銷流程，公司員工報銷， 首先員工整理報銷單，核對報銷金額，有誤則繼續(xù)核對整理，直到無誤，將報銷單遞交到財務，財務部門進行核對，核對無誤后，判斷金額數(shù)量，若小于一定金額，則財務部門可直接審批，若金額超過范圍，則報銷單流傳到總經(jīng)理，得到批準后，整個任務才算結(jié)束。類似的情景還有很多，如配置一個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 ， 如設置設置模式 ，設置 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行重傳。

總結(jié)起來是，一系列任務需要嚴格按照時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來實現(xiàn)，實現(xiàn)如下：

void?process_task(void)
{
????task1_process();
????msleep(1000);
????
????task2_process();
????mq_recv(¶m?,?1000);
????
????task3_process();
????while(mq_recv(¶m?,?1000)?!=?OK)
????{
????????if(retry)
????????{
?????????????task3_process();
?????????????--try;
????????}
????}
}

在裸機的情況下，為了保證系統(tǒng)的實時性，無法使用阻塞延時，一般使用定時事件配合狀態(tài)機來實現(xiàn)：

void?process_task(void)
{
?????switch(task_state)
?????{
?????????case?task1:
?????????????task1_process();
?????????????set_timeout(1000);break;
?????????case?task2:
?????????????task1_process();
?????????????set_timeout(1000);break;
?????????case?task3:
?????????????task1_process();
?????????????set_timeout(1000)break;
?????????default:break;
?????}
}
/*定時器超時回調(diào)*/
void?timeout_cb(void)
{
????if(task_state?==?task1)
????{
????????task_state?=?task2;
????????process_task();
????}
????else??//task2?and?task3
????{
????????if(retry)
????????{
????????????retry--;
?????????????process_task();
????????}
????}
}
/*任務的應答回調(diào)*/
void?task_ans_cb(void*?param)
{
????if(task==task2)
????{
????????task_state?=?task3;
????????process_task();
????}
}

和系統(tǒng)實現(xiàn)相比，裸機的實現(xiàn)更加復雜，為了避免阻塞，只能通過狀態(tài)和定時器來實現(xiàn)順序延時的邏輯，可以看到，實現(xiàn)過程相當分散，對于單個任務的處理分散到了3個函數(shù)中處理，這樣導致的后果是：修改，移植的不便。而實際的應用中，類似的邏輯相當多，如果按照上面的方法去實現(xiàn)，將會導致應用程序的強耦合。

實現(xiàn)

可以發(fā)現(xiàn)，上面的情景有以下特點：

• 任務按順序執(zhí)行，只有當前任務執(zhí)行完了(有結(jié)論，成功或者失敗)才允許執(zhí)行下一個任務
• 前一個任務的執(zhí)行結(jié)果會影響到下一個任務的執(zhí)行情況
• 任務有一些特性，如超時時間，延時時間，重試次數(shù)

通過以上信息，我們可以抽象出這樣一個模型：任務作為節(jié)點， 每一個任務節(jié)點有其屬性：如超時，延時，重試，參數(shù)，處理方法，執(zhí)行結(jié)果。當需要按照順序執(zhí)行一系列任務時，依次將任務節(jié)點串成一條鏈，啟動鏈運行，則從任務鏈的第一個節(jié)點開始運行，運行的結(jié)果可以是 OK , BUSY ,ERROR 。若是OK, 表示節(jié)點已處理，從任務鏈中刪除，ERROR 表示運行出錯，任務鏈將停止運行，進行錯誤回調(diào)，可以有用戶決定是否繼續(xù)運行下去。BUSY表示任務鏈處于等待應答，或者等待延時的情況。當整條任務鏈上的節(jié)點都執(zhí)行完，進行成功回調(diào)。

node數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

/*shadow?node?api?type?for?req_chain?src*/
typedef?struct?shadow_resp_chain_node
{
?uint16_t?timeout;
?uint16_t?duration;
?uint8_t?init_retry;
?uint8_t?param_type;
?uint16_t?retry;
?/*used?in?mpool*/
???struct?shadow_resp_chain_node*?mp_prev;
?struct?shadow_resp_chain_node*?mp_next;
?
????/*used?resp_chain*/
?struct?shadow_resp_chain_node*?next;
?
?node_resp_handle_fp?handle;
?void*?param;
}shadow_resp_chain_node_t;

node內(nèi)存池

使用內(nèi)存池的必要性：實際情況下，同一時間，責任鏈的條數(shù)，以及單條鏈的節(jié)點數(shù)比較有限，但種類是相當多的。比如一個支持AT指令的模塊，可能支持幾十條AT指令，但執(zhí)行一個配置操作，可能就只會使用3-5條指令，若全部靜態(tài)定義節(jié)點，將會消耗大量內(nèi)存資源。因此動態(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)點都將添加到free_list。當申請節(jié)點時，會取出第一個空閑節(jié)點，加入到used_list , 并且接入到責任鏈。當責任鏈某一個節(jié)點執(zhí)行完，將會被自動回收（從責任鏈中刪除，并從used_list中刪除，然后添加到free_list）

職責鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

typedef?struct?resp_chain
{
???bool?enable;???????????????//enble?==?true?責任鏈啟動?
?bool??is_ans;??????????????//收到應答，與void*?param?共同組成應答信號
?
?uint8_t?state;????????????
?const?char*?name;
?void*?param;
?TimerEvent_t?timer;
?bool?timer_is_running;
?shadow_resp_chain_node_t?node;????????//節(jié)點鏈
?void(*resp_done)(void*?result);???????//執(zhí)行結(jié)果回調(diào)
}resp_chain_t;

職責鏈初始化

void?resp_chain_init(resp_chain_t*?chain?,??const?char*?name?,?
????????????????????????????????????????????void(*callback)(void*?result))???????????????????
{
???RESP_ASSERT(chain);
?/*only?init?one?time*/
?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);
}

職責鏈添加節(jié)點

int?resp_chain_node_add(resp_chain_t*?chain?,?
????????????????????????node_resp_handle_fp?handle?,?void*?param)
{
???RESP_ASSERT(chain);
?BoardDisableIrq();??
?shadow_resp_chain_node_t*?node?=?chain_node_malloc();
?if(node?==?NULL)
?{
????BoardEnableIrq();
????RESP_LOG("node?malloc?error?,no?free?node");
??return?-2;
?}
?/*初始化節(jié)點，并加入責任鏈*/
?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();
?return?0;
}

職責鏈的啟動

void?resp_chain_start(resp_chain_t*?chain)
{
???RESP_ASSERT(chain);
?chain->enable?=?true;
}

職責鏈的應答

void?resp_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?=?"NO?PARAM";
??}
?}
}

職責鏈的運行

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;
}

測試用例

• 定義并初始化責任鏈

void?chain_test_init(void)
{
????resp_chain_init(&test_req_chain?,?"test?request"?,?test_req_callback);
}

• 定義運行函數(shù)，在主循環(huán)中調(diào)用

void?chain_test_run(void)
{
????resp_chain_run(&test_req_chain);
}

• 測試節(jié)點添加并啟動觸發(fā)函數(shù)

void?chain_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);
}

• 分別實現(xiàn)節(jié)點請求函數(shù)

?/*延時1s?后執(zhí)行下一個節(jié)點*/
?int?node1_req(resp_chain_node_t*?cfg,?void*?param)
?{
?????cfg->duration?=?1000;
?????RESP_LOG("node1?send?direct?request:?delay?:%d?ms"?,?cfg->duration);
?????return?RESP_STATUS_DELAY;
?}
?/*超時時間1S?，?重傳次數(shù)5次*/?
?int?node2_req(resp_chain_node_t*?cfg?,?void*?param)
?{
?????static?uint8_t?cnt;
?????if(param?==?NULL)
?????{
?????????cfg->init_retry?=?5;
?????????cfg->timeout??=?1000;
?????????RESP_LOG("node2?send?request?max?retry:%d?,?waiting?for?ans...");
?????????return?RESP_STATUS_BUSY;
?????}
?????RESP_LOG("node2?get?ans:?%d",(int)param);
?????return?RESP_STATUS_OK;
?}
?/*非異步請求*/??
?int?node3_req(resp_chain_node_t*?cfg?,?void*?param)
?{
?????RESP_LOG("node4?send?direct?request");
?????return?RESP_STATUS_OK;
?}
?
?void?ans_callback(void*?param)
?{
?????resp_chain_set_ans(&test_req_chain?,?param);
?}

結(jié)論

• 實現(xiàn)了裸機處理 順序延時任務
• 較大程度的簡化了應用程的實現(xiàn)，用戶只需要實現(xiàn)響應的處理函數(shù) ， 調(diào)用接口添加，即可按時間要求執(zhí)行
• 參數(shù)為空，表明為請求 ，否則為應答。（在某些場合，請求可能也帶參數(shù)，如接下來所說的LAP協(xié)議，此時需要通過判斷參數(shù)的類型）

設計模式參考

Head First 設計模式(中文版)

人人都懂設計模式：從生活中領悟設計模式：Python實現(xiàn)

設計模式之禪

設計模式的C語言應用.https://bbs.huaweicloud.com/blogs/113179

適配器模式

參考文獻 &?引用

[1]取經(jīng)的孫猴兒. (2021, June?24). 嵌入式設計模式. https://blog.csdn.net/qq_36969440/article/details/118189387