【閱讀這篇文章，你能了解到什么】

1. 從事嵌入式開發(fā)12年的我，對(duì)架構(gòu)設(shè)計(jì)的理解；
2. 對(duì)嵌入式系統(tǒng)中的架構(gòu)設(shè)計(jì)要刻意訓(xùn)練；
3. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中的一些小技巧；
4. 一個(gè)用于智能家居項(xiàng)目的Demo，可以直接編譯、執(zhí)行；

【我對(duì)架構(gòu)設(shè)計(jì)的理解】

1.架構(gòu)設(shè)計(jì)概念的認(rèn)識(shí)

相信看這篇文章的同學(xué)，大部分都是從事嵌入式開發(fā)的，大家也肯定有這么一個(gè)印象：在招聘網(wǎng)站上的一些架構(gòu)設(shè)計(jì)的崗位，都是針對(duì) Web 方向的，卻很少看到招聘嵌入式崗位的系統(tǒng)架構(gòu)師的崗位。



我的理解是大概有下面2個(gè)原因：

(1) Web開發(fā)：百家爭(zhēng)鳴，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和老大

這些年得益于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，前、后端開發(fā)崗位的需求量大增，而且各種框架層出不窮。

如何利用這些框架來為用戶提供高性能的服務(wù)并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，于是百家爭(zhēng)鳴，相應(yīng)的設(shè)計(jì)師崗位也就層出不窮。

(2) 嵌入式開發(fā)：Linux 舍我其誰

在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，在操作系統(tǒng)的選擇上幾乎沒有太大的余地，大部分是 ARM+Linux 組合。

在 Linux 操作系統(tǒng)層面：那些大神們已經(jīng)把內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)的很完美了，很少需要開發(fā)人員做大量的修改。

在應(yīng)用程序?qū)用妫洪_發(fā)人員如果沒有什么追求，只為了實(shí)現(xiàn)規(guī)格書中定義的功能即可。

而老板呢，也只是重視產(chǎn)品功能是否能正常實(shí)現(xiàn)，至于什么可移植、可擴(kuò)展、執(zhí)行效率等等，不會(huì)想到這個(gè)層面。

即使產(chǎn)品需要更新?lián)Q代，讓開發(fā)人員重新實(shí)現(xiàn)即可，反正只需要功能OK就行。

2.嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)重要性

說一個(gè)小故事。

有一位同事為客戶寫一個(gè)單片機(jī)產(chǎn)品的程序，后來同事離職后把代碼移交給我。

這個(gè)產(chǎn)品有一個(gè)小功能需要修改一下，恰巧那會(huì)我正在處理另外一個(gè)項(xiàng)目，于是在征得老板許可的情況下把源代碼發(fā)給客戶，請(qǐng)他們自己修改。

因?yàn)槟玫搅嗽创a，客戶肯定很開心啊，因?yàn)橹灰酝噶舜a，其他類似的設(shè)備都可以自己開發(fā)了。

過了一段時(shí)間，我問客戶：上次那個(gè)產(chǎn)品的功能修改怎么樣了？

他說：還沒搞定呢，上次你給的代碼我丟了，會(huì)把人看死的，現(xiàn)在正從頭重新寫代碼呢。

故事是真實(shí)的。



代碼都是字符組成的，有些代碼看起來賞心悅目，有些代碼看起來懷疑人生。



沒有架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)的代碼，有這些缺點(diǎn)：

(1) 代碼不能復(fù)用，移植很麻煩。

(2) 當(dāng)需求發(fā)生改動(dòng)時(shí)，不能快速調(diào)整代碼。

(3) 對(duì)于已有的代碼：不敢改、不想改，牽一發(fā)而動(dòng)全身。

(4) 調(diào)試bug很頭疼。

相反的，如果架構(gòu)設(shè)計(jì)的好，對(duì)各方面都有好處：



對(duì)于項(xiàng)目來說：

(1) 項(xiàng)目周期可控

(2) 代碼可讀性好

(3) 功能可擴(kuò)展

(4) 修改單一模塊不會(huì)影響其他功能

(5) 并行開發(fā)

(6) 單元測(cè)試方便

對(duì)于開發(fā)人員來說

(1) 節(jié)省開發(fā)時(shí)間

(2) 全局視角，提高開發(fā)大型項(xiàng)目的能力

(3) debug輕松、快速

【如何進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)】

1.設(shè)計(jì)文檔

只要進(jìn)入編程領(lǐng)域，大家都知道要高內(nèi)聚、低耦合，分模塊、分層設(shè)計(jì)。

但是具體需要怎么做？

如何在規(guī)定好的項(xiàng)目周期內(nèi)把事情做好，而且讓自己沒那么累？

如何為自己后期的維護(hù)做好鋪墊？

。。。

這些問題可能在項(xiàng)目初期的時(shí)候，都規(guī)劃的比較好。

但是在執(zhí)行過程中，就會(huì)越來越偷懶，越來越偏離預(yù)定義的方向。



我的建議是：

無論項(xiàng)目的大小，無論項(xiàng)目周期的長短，一定要有設(shè)計(jì)文檔，設(shè)計(jì)文檔的詳細(xì)程度就需要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行靈活把握了。

在設(shè)計(jì)文檔中，就要把架構(gòu)方面的設(shè)計(jì)體現(xiàn)出來。在實(shí)現(xiàn)的過程中，嚴(yán)格按照文檔中的要求來做。

取乎其上，得乎其中；取乎其中，得乎其下。

2. 程序文件的物理模型

(1) 分層設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)層

功能模塊層

驅(qū)動(dòng)層

(2) 分模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)功能來劃分模塊

模塊之間通過API接口函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互

設(shè)計(jì)靈活的API接口函數(shù)

3. 進(jìn)程與線程的選擇
   在嵌入式系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能，可以通過多個(gè)進(jìn)程相互配合來完成，也可以用多線程來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)選擇沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)，視項(xiàng)目的具體情況而定。
   我一般的做法是：
   如果產(chǎn)品功能不復(fù)雜，盡量用多線程來實(shí)現(xiàn)；
   如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)到的功能比較多，那么就把強(qiáng)相關(guān)的模塊放到獨(dú)立的進(jìn)程中。

(1) 使用進(jìn)程

各模塊獨(dú)立編譯，不會(huì)相互影響。

出現(xiàn)類似 SegmentFault 問題，很容易定位到肇事者。

方便分布式部署。

代碼安全：除了整合人員，其他人只需要 clone 自己負(fù)責(zé)的模塊代碼，沒有權(quán)限、也不需要訪問別人的代碼。



但是：需要考慮到進(jìn)程之間的通信問題，比如：IPC調(diào)用、socket通信、總線。（我一般都會(huì)采用在本地系統(tǒng)內(nèi)使用一條MQTT總線來掛接所有的通訊模塊）

(2) 使用線程

創(chuàng)建線程成本低。

線程之間共享全局變量（換個(gè)角度，這也是一種缺點(diǎn)）。

模塊之間調(diào)用方便，因?yàn)楹瘮?shù)地址直接可見。

4. API設(shè)計(jì)
   可以把一個(gè)模塊看成是黑盒，給定一個(gè)輸入，就會(huì)返回確定的結(jié)果，或者執(zhí)行確定的功能，
   模塊之間只需要定義好這個(gè)API接口函數(shù)就行。
   至于模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，大家各顯其能。
   另外，如果你是API設(shè)計(jì)人員，一定要注意要讓調(diào)用者用起來很舒服。就像你遞一把剪刀給別人，一定是把手給對(duì)方。

另外一個(gè)經(jīng)驗(yàn)，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期，盡量不要把API的函數(shù)設(shè)計(jì)的太死板，容易給自己下套。

例如：

(1) 可以設(shè)計(jì)帶有 char *的變量，使用json格式的字符串，來傳遞任意長度和類型的數(shù)據(jù)。

(2) 可以設(shè)計(jì)帶有 void *的變量，用來傳遞任意數(shù)據(jù)類型的地址，這個(gè)功能在很多項(xiàng)目中被使用的出神入化，比如：很早之前高通手機(jī)的BREW平臺(tái)，智能家居中的 ZWave平臺(tái)。

5. 文件目錄的設(shè)計(jì)
   這部分容易理解，職責(zé)不同的文件要存放到相應(yīng)的目錄中：頭文件、庫文件、可執(zhí)行文件、相關(guān)文檔。如果這部分組織的不夠好，當(dāng)你把項(xiàng)目移交給其他同事時(shí)，肯定會(huì)被其他人在心中默念一千遍：*** Y-O-U!

6.編譯腳本的設(shè)計(jì)(構(gòu)建工具)

當(dāng)我們接到一個(gè)嵌入式項(xiàng)目時(shí)，在確定方案之后，程序運(yùn)行的平臺(tái)都是確定的，大部分情況就是嵌入式Linux，或者是一些變體。



在開發(fā)階段，我見過有些開發(fā)人員每調(diào)試一個(gè)功能點(diǎn)，就把代碼交叉編譯后放，然后通過NFS遠(yuǎn)程掛載，或者scp遠(yuǎn)程拷貝，在真實(shí)設(shè)備上執(zhí)行。我看著都比較累。



其實(shí)完全可以在編譯腳本中為不同的平臺(tái)編譯一個(gè)版本。

比如：使用Ubuntu系統(tǒng)來開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，只要x86平臺(tái)可以模擬產(chǎn)品功能，就直接編譯x86版本。



當(dāng)所有的功能點(diǎn)在x86平臺(tái)上測(cè)試OK了， 再統(tǒng)一放到真實(shí)的嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行聯(lián)調(diào)，這樣做能節(jié)省很多時(shí)間。

【Demo說明】

1.簡介

這個(gè)Demo是從一個(gè)智能家居項(xiàng)目中抽取出來的，只是體現(xiàn)了各功能模塊的設(shè)計(jì)，函數(shù)內(nèi)部沒有實(shí)現(xiàn)任何功能，僅僅是用來展示設(shè)計(jì)的過程。

2.代碼獲取

https://pan.baidu.com/s/1B3F9byydXeNWdtgYEEQNLg

密碼：3a9p

在 Ubuntu16.04 系統(tǒng)下，可以直接編譯執(zhí)行。

3.系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.目錄結(jié)構(gòu)

Makefile: 編譯腳本

application: 業(yè)務(wù)層

module: 功能模塊層

driver: 硬件驅(qū)動(dòng)層

5. 執(zhí)行序列演示
   圖中橙色的箭頭，表示從云端發(fā)來一個(gè)控制指令。
   業(yè)務(wù)層接收到指令后，解析指令，發(fā)送給 Control 模塊。
   Control 模塊再次解析具體的指令，發(fā)送給 ZigBee 設(shè)備，同時(shí)記錄到日志中。

【END】