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开发板带你入门，我们带你飞
文 | 无际（微信:2777492857）
全文约4480字，阅读大约需要 15 分钟
做开发1-3年的时候，一些简单的项目，功能基本都能实现，项目复杂度一上来，我的代码就变得乱七八糟了，改一行就崩一片，修个小bug像是拆弹，剪错一根线，整个程序原地爆炸。
后来接触了不少项目，我发现一个规律：那些代码写得牛的人，都有个共同点，很多功能明明很简单，代码却写得弯弯绕绕的，这不是一个全局变量就能搞定吗？为啥搞这么麻烦？
后面独立开发比较复杂项目时，才搞懂他们的精髓所在，像搭积木一样，整齐有序，扩展性和移植性又好，这背后靠的是软件架构。
我开始钻研这个东西，慢慢从"救命，代码炸了"的小白，变成了能淡定应对复杂项目的"老司机。
这些都是架构的功劳，没有架构，代码就是一盘散沙；有了架构，开发效率也能蹭蹭往上走，换一个项目大多数代码Ctrl C+V，然后稍微改改就搞定了。
好了，废话少说，进入正题。
我要介绍的三种嵌入式软件架构，分别是：分层架构、状态机架构、事件驱动架构。
每一种我都会掰开揉碎讲清楚，从原理、优点、到适用场景，还会带点例子，保你一看就懂，拿回去就能在项目里试试水。
一、分层架构
分层架构就像给代码分了"楼层"：底层管硬件，中层管逻辑，上层管应用。
每层只跟旁边的层打交道，互不越界。
1.分层架构的优点
1.1 清晰到飞起：每层干啥一目了然，改代码不用满世界找。
1.2 扩展性强：加个新功能？直接在上层插一块就行，下层不动。
1.3 复用性高：底层写好了，别的项目也能拿来用。
2.适用场景
适合那种功能多、跟硬件耦合深的复杂项目，比如我们无际单片机项目6这种物联网网关、工业控制器等等。
3.实战举例
还是拿我们项目6(WiFi+4G+Lora防盗报警主机)为例：
我们一共把程序分为3层：硬件层、中间层、应用层。
硬件层（HAL）：单片机驱动外围器件的程序，比如控制LED、Flash、液晶屏、温湿度、电池电量检测、语言输出、触摸等等。
中间层：主要是把采集到的信号转换成具体的值，比如把ADC转换成电量，还有就是一些协议数据的解析，比如lora、4G、WiFi。
应用层：具体的产品业务逻辑，比如菜单、探测器配对、防盗报警逻辑等等。
这样分层的好处是啥？假如换了传感器，你只要改HAL层，其他层照用不误，省时省力。
二、状态机架构
状态机就是把系统分成几个状态，比如待机、运行、停止，然后定义好每个状态下能干啥、收到啥信号会跳到哪。就像玩游戏的流程图，走哪步都清清楚楚。
这个架构问的人最多，我来重点讲解下。
1.状态机架构优点
1.1 逻辑不乱：再复杂的流程也能理顺，画张图就明白。
1.2 调试省心：状态一目了然，问题出在哪秒定位。
1.3 稳定如山：不会因为漏了个条件就崩。
2.适用场景
适合有状态切换的系统，比如洗衣机控制、协议解析、按键处理。
3.实战举例
还是拿无际单片机的项目报警主机举例，展示如何使用状态机实现四种防盗报警模式：离家布防、在家布防、撤防和报警中的示例。
我将使用C语言实现一个简单的状态机，说明这四种模式如何定义、切换，并通过代码展示其工作原理。
1.1 防盗报警模式的状态机设计
状态机由状态、事件和状态转移规则组成，以下是设计的具体步骤：
(1) 定义四种状态
我们首先定义系统的四种状态：
撤防（Disarmed）：系统未激活，不检测入侵。
离家布防（Arm Away）：家中无人，所有区域的入侵都会触发报警。
在家布防（Arm Home）：家中有人，仅特定区域的入侵触发报警。
报警中（Alarming）：检测到入侵，系统发出警报。
用C语言的枚举类型定义如下：
typedef enum { STATE_DISARMED, // 撤防 STATE_ARM_AWAY, // 离家布防 STATE_ARM_HOME, // 在家布防 STATE_ALARMING // 报警中} SecurityState;
(2) 定义触发事件
状态的切换由事件驱动。以下是常见的事件：
启动离家布防（EVENT_ARM_AWAY）
启动在家布防（EVENT_ARM_HOME）
撤防（EVENT_DISARM）
检测到入侵（EVENT_INTRUSION）
报警超时（EVENT_TIMEOUT）
用C语言定义如下：
typedef enum {EVENT_ARM_AWAY, // 启动离家布防EVENT_ARM_HOME, // 启动在家布防EVENT_DISARM, // 撤防EVENT_INTRUSION, // 检测到入侵EVENT_TIMEOUT // 报警超时} SecurityEvent;
(3) 定义系统结构
为了记录当前状态和相关信息（如报警计时器），我们定义一个结构体：
typedef struct { SecurityState currentState; // 当前状态 int alarmTimer; // 报警计时器（秒）} SecuritySystem;
2.2 状态处理逻辑
每个状态有对应的处理函数，根据接收到的事件决定是否切换状态或执行特定操作。
(1) 撤防状态
行为：系统未激活，不响应入侵。
可切换到：离家布防、在家布防。
void stateDisarmed(SecuritySystem* system, SecurityEvent event) { switch (event) { case EVENT_ARM_AWAY: system->currentState = STATE_ARM_AWAY; printf("切换到离家布防\n"); break; case EVENT_ARM_HOME: system->currentState = STATE_ARM_HOME; printf("切换到在家布防\n"); break; default: printf("系统处于撤防状态\n"); break; }}
(2) 离家布防状态
行为：检测所有区域的入侵，若触发则进入报警状态。
可切换到：撤防、报警中。
void stateArmAway(SecuritySystem* system, SecurityEvent event) { switch (event) { case EVENT_DISARM: system->currentState = STATE_DISARMED; printf("切换到撤防\n"); break; case EVENT_INTRUSION: system->currentState = STATE_ALARMING; system->alarmTimer = 30; // 报警持续30秒 printf("检测到入侵！切换到报警中\n"); break; default: printf("系统处于离家布防状态\n"); break; }}
(3) 在家布防状态
行为：仅特定区域（如门窗）触发入侵报警，其他区域（如客厅）忽略。
可切换到：撤防。
void stateArmHome(SecuritySystem* system, SecurityEvent event) { switch (event) { case EVENT_DISARM: system->currentState = STATE_DISARMED; printf("切换到撤防\n"); break; case EVENT_INTRUSION: printf("在家布防模式下检测到入侵，仅特定区域触发报警\n"); // 可根据需求决定是否切换到报警中 break; default: printf("系统处于在家布防状态\n"); break; }}
(4) 报警中状态
行为：发出警报，等待超时或手动撤防。
可切换到：撤防。
void stateAlarming(SecuritySystem* system, SecurityEvent event) { if (event == EVENT_TIMEOUT) { system->currentState = STATE_DISARMED; printf("报警超时，切换到撤防\n"); } else if (event == EVENT_DISARM) { system->currentState = STATE_DISARMED; printf("报警中手动撤防\n"); } else { printf("系统处于报警中\n"); }}
3.状态机运行函数
以下函数根据当前状态调用对应的状态处理函数：
void runSecurityStateMachine(SecuritySystem* system, SecurityEvent event) { switch (system->currentState) { case STATE_DISARMED: stateDisarmed(system, event); break; case STATE_ARM_AWAY: stateArmAway(system, event); break; case STATE_ARM_HOME: stateArmHome(system, event); break; case STATE_ALARMING: stateAlarming(system, event); break; }}
4.示例代码与运行
以下是完整的C语言代码，模拟状态切换：
int main() { SecuritySystem system = {STATE_DISARMED, 0}; // 初始为撤防状态 // 模拟事件序列 SecurityEvent events[] = { EVENT_ARM_AWAY, // 启动离家布防 EVENT_INTRUSION, // 检测到入侵 EVENT_TIMEOUT, // 报警超时 EVENT_ARM_HOME, // 启动在家布防 EVENT_DISARM // 撤防 }; for (int i = 0; i < sizeof(events)/sizeof(events[0]); ++i) { printf("事件: %d\n", events[i]); runSecurityStateMachine(&system, events[i]); } return 0;}
输出示例：
C |
5.总结
这个防盗报警系统的状态机包含四种模式：
离家布防：全面监控，入侵即报警。
在家布防：部分监控，灵活应对。
撤防：关闭监控，无报警。
报警中：触发警报，自动或手动结束。
通过状态机设计，系统逻辑清晰、易于扩展，非常适合管理防盗报警模式的复杂状态切换。
三、事件驱动架构
事件驱动就是有事做事，没事睡觉。系统等着事件（按键、传感器、定时器等）触发，一旦有动静，立马跑去处理，像个反应超快的客服。
在嵌入式系统中，这种架构通常通过事件循环、回调函数或消息队列实现。在单片机开发中，中断机制是最常见的事件驱动实现方式。
1.事件驱动架构的优点
快如闪电：实时性强，绝不拖泥带水。
省电省资源：没事时可以睡大觉，功耗低到感人，如果研究过TI蓝牙协议栈就知道，他们用的就是事件驱动架构。
模块化强：每个事件独立，互不干扰。
2.适用场景
适合实时性要求高、事件多的系统，比如RTOS应用、智能家居、GUI界面。
3.实战举例
按键按下：中断触发，灯开关。
定时器到点：检查光线传感器，自动调亮度。
串口收到命令：执行远程控制。
下面以代码示例模型，来直观感受下以事件驱动架构的实现。
设计思路
事件循环：主程序通过一个无限循环持续检查并处理事件队列中的事件。
回调函数：为每种事件类型定义一个处理函数，当事件发生时调用对应的函数。
// 定义事件类型typedef enum { EVENT_KEY_PRESS, // 按键按下 EVENT_TIMER_TIMEOUT, // 定时器到点 EVENT_SERIAL_COMMAND, // 串口命令 EVENT_MAX // 事件类型总数} EventType;// 事件结构体，包含类型和回调函数指针typedef struct { EventType type; void (*callback)(void); // 指向回调函数} Event;// 事件队列（环形缓冲区）Event eventQueue[EVENT_QUEUE_SIZE];uint8_t eventQueueHead = 0; // 队列头uint8_t eventQueueTail = 0; // 队列尾// 全局回调函数表static Event callbacks[EVENT_MAX];// 注册回调函数void registerCallback(EventType type, void (*callback)(void)) { callbacks[type].type = type; callbacks[type].callback = callback;}// 事件入队void enqueueEvent(EventType type) { // 检查队列是否已满 if ((eventQueueHead + 1) % EVENT_QUEUE_SIZE == eventQueueTail) { printf("Event queue full\n"); return; } eventQueue[eventQueueHead].type = type; eventQueue[eventQueueHead].callback = callbacks[type].callback; eventQueueHead = (eventQueueHead + 1) % EVENT_QUEUE_SIZE;}// 处理事件队列void processEvents(void) { while (eventQueueTail != eventQueueHead) { Event event = eventQueue[eventQueueTail]; if (event.callback != NULL) { event.callback(); // 调用回调函数 } eventQueueTail = (eventQueueTail + 1) % EVENT_QUEUE_SIZE; }}// 示例回调函数void keyPressHandler(void) { printf("Key pressed: toggle light\n");}void timerTimeoutHandler(void) { printf("Timer timeout: adjust brightness\n");}void serialCommandHandler(void) { printf("Serial command received: remote control\n");}// 中断服务函数（模拟硬件触发）void EXTI0_IRQHandler(void) { // 按键中断 enqueueEvent(EVENT_KEY_PRESS);}void TIM2_IRQHandler(void) { // 定时器中断 enqueueEvent(EVENT_TIMER_TIMEOUT);}void USART1_IRQHandler(void) { // 串口中断 enqueueEvent(EVENT_SERIAL_COMMAND);}// 主函数int main(void) { // 注册回调函数 registerCallback(EVENT_KEY_PRESS, keyPressHandler); registerCallback(EVENT_TIMER_TIMEOUT, timerTimeoutHandler); registerCallback(EVENT_SERIAL_COMMAND, serialCommandHandler); // 模拟事件触发 EXTI0_IRQHandler(); // 模拟按键按下 TIM2_IRQHandler(); // 模拟定时器到点 USART1_IRQHandler(); // 模拟串口命令 // 事件循环 while (1) { processEvents(); // 处理事件队列 // 可在此添加其他任务 } return 0;}
事件类型和结构体：使用枚举EventType定义事件类型，结构体Event包含事件类型和回调函数指针。
事件队列：使用环形缓冲区实现队列，eventQueue存储待处理事件，enqueueEvent将事件加入队列，processEvents从队列中取出并处理事件。
回调函数：通过registerCallback为每种事件类型绑定一个处理函数（如keyPressHandler），事件发生时，调用对应的回调函数执行具体逻辑。
事件循环：main函数中的while (1)循环不断调用processEvents，确保事件得到及时处理。
中断服务：中断函数（如EXTI0_IRQHandler）模拟硬件触发，将事件加入队列。
代码运行输出：
C |
四、架构怎么选？
简单项目：事件驱动就够了，轻快省事。
复杂系统：分层架构稳如泰山。
状态多变：状态机一招搞定。
实时性强：事件驱动冲冲冲。
其实细心又有经验的朋友应该发现了，这几个架构并不是独立的，组合使用才是无敌的存在。
比如我们无际单片机的项目6，就是分层架构+状态机+事件驱动架构的混合。
3个架构组合去做一个复杂的项目，几乎能满足稳定性，扩展性，移植性，和低功耗的要求，符合成年人全要的原则。
总结一下：软件架构是嵌入式开发的灵魂，这篇文章从我的经历出发，聊了三种嵌入式软件架构的痛点和价值，希望你看完能有所启发，在单片机开发的路上越走越顺，越写越牛！
end
