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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4501字，阅读大约需要 15 分钟
我还记得当年刚踏入嵌入式开发领域的时候，对软件架构完全没有概念。写代码想到哪写到哪，最后拼凑成一个能跑的程序。
但随着项目越来越复杂，代码也越来越臃肿，维护起来简直就是一场噩梦。改动一个小功能，都要提心吊胆，生怕把其他地方搞崩了。
工作大概4年左右，有幸接接手了大牛做的项目维护，感觉他的功底深不可测，能把复杂的系统拆解成一个个清晰的模块，而且封装得也挺复杂，当时看还挺复杂，挺不解，写这么复杂干吊？看起来头疼。
后面自己独立做复杂点的项目，才发现他的架构是真香，因此吸收了很多他的思路和架构。
如果你也想提升自己的代码质量，那么这篇文章就是为你准备的！我会用最通俗易懂的语言，带你了解嵌入式软件开发中常见的几种架构模式，让你摆脱“面向过程编程”的原始状态，掌握“面向架构编程”的高级技巧。
无论你是初入茅庐的新手，还是想进阶提升的老鸟，这篇文章都能帮你打造更清晰、更稳定、更易维护的嵌入式系统。
好了，废话不多说，我们直接进入主题。
1. 轮询（Polling）架构：简单直接，但容易阻塞
轮询架构是最简单、最基础的架构模式，就像一个不知疲倦的“巡逻员”，不停地循环检查各个任务的状态，哪个任务需要执行就执行哪个。
•基本原理：
轮询架构的核心是一个无限循环（while(1)），在循环中按照一定的顺序依次执行各个任务模块。每个任务模块通常是一个函数，执行完成后立即返回，继续执行下一个任务。
•代码示例：
void task1(){// 任务1的代码}void task2(){// 任务2的代码}int main(){while (1){task1();task2();// ... 其他任务}return 0;}
•适用场景：
任务比较简单，实时性要求不高。
系统资源非常有限，无法支持更复杂的架构。
初学者学习和理解嵌入式编程的入门架构。
•优缺点：
优点： 简单易懂，易于实现，代码量少。
缺点： 响应速度慢，所有任务共享CPU时间，容易出现“任务饥饿”现象（某个任务一直得不到执行）；如果某个任务执行时间过长，会阻塞其他任务的执行。
•实战避坑
尽量让每个任务的执行时间短，避免长时间占用CPU。
可以调整任务的执行顺序，将优先级较高的任务放在前面执行，以提高响应速度。
轮询架构适合简单的控制逻辑和数据采集，但不适合复杂的实时系统。
2. 中断（Interrupt）架构：快速响应，但需要谨慎管理
中断架构是一种基于事件驱动的简易架构模式，当外部事件发生时，会触发中断，CPU暂停当前任务，立即执行中断服务程序（ISR）。
•基本原理：
中断架构将任务分为“前台任务”和“后台任务”。后台任务在主循环中执行，前台任务（即中断服务程序）在中断发生时执行。
•代码示例：
// 中断服务程序void EXTI0_IRQHandler(){if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET){// 处理中断事件EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);}}int main(){// 初始化中断// ...while (1){// 后台任务}return 0;}
•适用场景：
需要快速响应外部事件，如按键按下、传感器数据变化等。
系统有严格的实时性要求。
外部设备需要实时监控，例如串口接收数据。
•优缺点：
优点： 响应速度快，能及时处理紧急事件；CPU利用率高，可以在后台执行其他任务。
缺点： 中断服务程序应该尽可能短，避免长时间占用CPU；中断嵌套管理复杂，容易导致中断优先级反转等问题。
•实战避坑：
中断服务程序要“短小精悍”，只做最必要的工作，其他耗时操作交给后台任务处理。
合理设置中断优先级，避免高优先级的中断被低优先级的中断阻塞。
避免在中断服务程序中使用阻塞函数，如delay()，printf()等。
3. 状态机（State Machine）架构：逻辑清晰，但容易“状态爆炸”
状态机架构是一种将系统划分为多个状态，并根据输入事件在不同状态之间进行转换的架构模式。
•基本原理：
状态机将系统抽象成有限个状态，每个状态下有特定的行为和转移条件。通过状态转移图或表来管理状态间的转换。
•代码示例：
typedef enum{STATE_IDLE,STATE_RUNNING,STATE_ERROR} State_t;State_t currentState = STATE_IDLE;void stateMachine(){switch (currentState){case STATE_IDLE:if (startCondition){currentState = STATE_RUNNING;}break;case STATE_RUNNING:if (errorCondition){currentState = STATE_ERROR;}break;case STATE_ERROR:// 处理错误break;}}int main(){while (1){stateMachine();// ... 其他任务}return 0;}
•适用场景：
系统有明显的“状态”概念，如通信协议、控制系统、用户界面、不同的模式等。
逻辑比较复杂，需要清晰的状态管理。
需要明确的流程控制，例如按键检测，电梯运行等。
•优缺点：
优点： 逻辑清晰，易于维护和扩展；能有效管理复杂的状态转移。
缺点： 状态过多时，代码量会急剧增加，维护成本高；状态转移逻辑错误容易导致“死循环”等问题。
•实战避坑：
在编写代码之前，先画好状态转移图，明确每个状态的行为和转移条件。
尽量减少状态的数量，避免“状态爆炸”。
可以使用状态机框架或工具来简化开发，例如UML状态机图。
4. 实时操作系统（RTOS）架构：多任务并行，但需要更多资源
实时操作系统（RTOS）是一种专门用于嵌入式系统的操作系统，它提供了任务调度、任务间通信、资源管理等功能，让开发者可以像编写PC程序一样编写嵌入式软件。
•基本原理：
RTOS提供任务调度器，可以将系统划分为多个独立的任务（线程），每个任务都有自己的优先级和栈空间。RTOS负责调度这些任务，让它们并行执行。
•代码示例（以FreeRTOS为例）：
void task1(void *pvParameters){while (1){// 任务1的代码vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时100ms}}void task2(void *pvParameters){while (1){// 任务2的代码vTaskDelay(200 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时200ms}}int main() {xTaskCreate(task1, "Task1", 128, NULL, 1, NULL);xTaskCreate(task2, "Task2", 128, NULL, 2, NULL);vTaskStartScheduler();return 0;}
•适用场景：
系统功能复杂，需要多个任务并行执行。
对实时性和响应速度有较高要求。
需要复杂的任务管理和资源管理。
•优缺点：
优点： 任务管理灵活，易于实现复杂功能；提高系统响应速度；可以有效利用CPU资源。
缺点： 资源消耗较大，不适合资源受限的单片机；学习成本高；需要考虑任务同步和互斥等问题。
•实战避坑：
根据项目和应用场景选择合适的RTOS，如FreeRTOS、uC/OS等。
合理分配任务优先级和栈空间，避免任务冲突和栈溢出。
使用信号量、互斥锁等机制进行任务间通信和资源保护。
避免在中断服务程序中调用RTOS API。
5. 混合架构：灵活应对，但需要精心设计
在实际开发中，单一的架构模式往往难以满足所有需求，因此经常会采用混合架构，将多种架构模式结合起来使用。例如，“轮询 + 中断”、“状态机 + RTOS”等。
这次我们以一个简单的温度监控系统为例，该系统需要：
•实时监控温度传感器： 需要中断来快速响应温度变化。
•根据温度进行状态切换： 需要状态机来管理不同的工作模式（例如：正常、高温报警、低温报警）。
•定期进行数据记录： 需要轮询来定期保存温度数据到存储器。
// 1. 定义状态typedef enum{STATE_NORMAL,STATE_HIGH_TEMP_ALARM,STATE_LOW_TEMP_ALARM} TemperatureState_t;TemperatureState_t currentTemperatureState = STATE_NORMAL;// 2. 定义全局变量volatile float temperature = 25.0; // 当前温度，volatile 确保中断和主循环都能访问bool newDataAvailable = false; // 新数据标志// 3. 温度传感器中断服务程序 (假设通过ADC读取)void ADC_IRQHandler(){if (ADC_GetITStatus(ADC1, ADC_IT_EOC) != RESET){// 读取ADC值uint16_t adcValue = ADC_GetConversionValue(ADC1);// 转换成温度值 (简化计算)temperature = (float)adcValue * 0.1; // 假设每0.1代表1摄氏度newDataAvailable = true; // 设置新数据标志// 清除中断标志位ADC_ClearITPendingBit(ADC1, ADC_IT_EOC);}}// 4. 状态机函数void temperatureStateMachine(){switch (currentTemperatureState){case STATE_NORMAL:if (temperature > 35.0){currentTemperatureState = STATE_HIGH_TEMP_ALARM;// 启动风扇GPIO_SetBits(FAN_PORT, FAN_PIN);printf("High Temperature Alarm!\n");}else if (temperature < 10.0){currentTemperatureState = STATE_LOW_TEMP_ALARM;// 启动加热器GPIO_SetBits(HEATER_PORT, HEATER_PIN);printf("Low Temperature Alarm!\n");}break;case STATE_HIGH_TEMP_ALARM:if (temperature <= 30.0){currentTemperatureState = STATE_NORMAL;// 关闭风扇GPIO_ResetBits(FAN_PORT, FAN_PIN);printf("Normal Temperature.\n");}break;case STATE_LOW_TEMP_ALARM:if (temperature >= 15.0){currentTemperatureState = STATE_NORMAL;// 关闭加热器GPIO_ResetBits(HEATER_PORT, HEATER_PIN);printf("Normal Temperature.\n");}break;}}// 5. 数据记录任务 (轮询方式)void dataLoggingTask(){static uint32_t lastLogTime = 0;uint32_t currentTime = HAL_GetTick(); // 获取当前时间 (需要HAL库支持)if (currentTime - lastLogTime >= 5000) // 每5秒记录一次{lastLogTime = currentTime;// 将温度数据记录到存储器 (这里简化成打印)printf("Logging: Temperature = %.2f, State = %d\n", temperature, currentTemperatureState);// 实际应用中，需要写入Flash或者SD卡}}// 6. 主函数int main(){// 初始化 ADC，GPIO，中断// ... (初始化代码略)HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_ADC1_Init();// 启动ADC转换并使能中断HAL_ADC_Start_IT(&hadc1);// 主循环while (1){// 1. 状态机处理temperatureStateMachine();// 2. 数据记录 (轮询)dataLoggingTask();// 3. 其他任务 (可以添加更多任务)// ...// 4. 降低功耗 (可选)// HAL_PWR_EnterSleepMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, ADC_IRQn);}}
代码说明：
温度传感器中断： 使用ADC读取温度，并在每次读取后设置newDataAvailable标志。volatile关键字确保主循环能及时读取到最新的温度数据。
状态机：temperatureStateMachine() 函数根据温度值，切换系统状态，并控制风扇或加热器的开启/关闭。
数据记录任务：dataLoggingTask() 函数每隔5秒记录一次温度数据和系统状态。
混合架构的优势：
•实时响应： 中断确保系统能及时响应温度变化。
•状态管理： 状态机负责管理系统的工作模式，并根据温度进行切换。
•数据记录： 轮询确保数据能够被定期记录。
这个例子虽然简单，但已经展示了混合架构的基本思想：将不同的架构模式结合起来，充分发挥各自的优势，以满足复杂的系统需求。
•适用场景：
系统既有实时性要求，又有复杂的逻辑。
资源有限，需要在性能和复杂度之间进行平衡。
各个模块的功能特性不同，需要采用不同的架构模式。
•优缺点：
优点： 灵活性高，可以针对具体问题选择最佳解决方案。
缺点： 架构设计难度较大，需要经验丰富的工程师；架构间的接口和通信需要精心设计，避免出现“缝合怪”现象。
我们从事了10年，就喜欢用自己设计的架构，采用了多种混合架构，缝合了不同框架的优势，相对RTOS更精简更节省资源，很多51单片机也能用。
比如我们无际单片机的项目3和项目6，就是把轮询架构加了一层封装，让它们在管理任务时更加灵活方便，以轮询作为主框架，其余有状态机、表驱动之类的架构配合，具体可以看我前面几篇文章。
关于这个轮询架构我也在2018年录了个全面的教程，目前开源，无际粉丝可找我安排。
•实战避坑：
在设计混合架构之前，先分析系统需求，明确各个模块的功能和性能要求。
确定核心架构，例如使用RTOS作为主框架，然后根据需要添加其他架构模块。
定义清晰的接口规范，确保各个模块之间的通信和数据交换顺畅。
6. 选择架构：没有最好的，只有最合适的
选择哪种架构模式，并没有绝对的答案，关键是要根据具体的项目需求和资源情况进行选择。
•如果任务简单，实时性要求不高，资源有限，那么轮询架构是一个不错的选择。
•如果需要快速响应外部事件，或者有严格的实时性要求，那么中断架构是必不可少的。
•如果系统逻辑复杂，有明显的状态概念，那么状态机架构可以帮助你更好地管理代码。
•如果系统功能复杂，需要多个任务并行执行，那么RTOS架构可以提高系统效率和响应速度。
•如果以上几种架构都不能满足你的需求，那么可以考虑采用混合架构，将多种架构模式结合起来使用。
7. 总结
嵌入式软件架构是单片机开发的“灵魂”，它决定了你的代码是“豆腐渣工程”还是“艺术品”。
掌握这些常见的架构模式，你就能更好地组织你的代码，构建更清晰、更稳定、更易维护的嵌入式系统。
希望这篇文章能帮助你摆脱“代码搬运工”的身份，起到抛砖引玉的作用，助你成为一名真正的嵌入式软件架构师！好的架构不仅能提高开发效率，还能让你在开发复杂项目时游刃有余。
下面是更多无际原创的个人成长经历、行业经验、技术干货。
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