1.难题

作为一名嵌入式开发者，想必各位小伙伴对以下场景早已司空见惯：当你正埋头于调试那几行关键代码，或者准备给项目打包成完工版本的时候。总有一个声音会适时响起：“咱再加个小功能呗？”通常这小功能，相当于要求你的自行车瞬间变身成摩托车。运气好点，是场局部“微创手术”；运气不好呢，直接项目重写！

为啥咱总能精准踩坑？别怀疑，这大概率不是命运的捉弄，而是咱自己挖的。软件设计原则？好像听说过。设计模式？听起来像时尚界的潮流，咱搞硬件的实在人用不上吧？于是，咱的代码就成功进化成了“面向需求变更崩溃编程”，这种代码的结构之“精妙”，让任何试图修改它的人，都想给自己点一首《凉凉》。

为了避免下次需求变更时，咱的代码再次表演“原地爆炸”，我将以一个代码来介绍如何遵循软件设计原则，如何使用良好的设计模式和架构。

2.背景

前文提到，作为一名硬件工程师因为生活饮食不规律，缺少运动，导致最近做体检时发现我目前的血糖偏高。为实现血糖的动态监测，我还网购了一个家用的血糖仪，每天定时测量血糖数据。由于自己从事多年的仪器仪表行业，对这个每天用来测血糖的“小家伙”充满好奇，犹豫了很久将它拆开后发现一个惊人事实：整个电路板只有一颗芯片！一款专用于血糖仪的单片机BH67F2472。

详细查看电路板后，我发现仪器的制造商居然把芯片的程序下载口预留出来了，我网购了一个Holtek的下载器，安装了开发工具HT-IDE3000，并将这个自己写的程序下载到了血糖仪电路板的芯片中。接下来，我将以BH67F2472的一个代码来介绍如何遵循软件设计原则，如何使用良好的设计模式和架构。

3.电路介绍

程序使用了以下硬件资源：

• 按键：GPIO口PA3连接按键，通过读取PA3的电平信号来检测按键是否按下；

• 蜂鸣器：GPIO口PB6连接蜂鸣器，过控制PB6的电平驱动蜂鸣器，让蜂鸣器发出声音；

• 液晶屏：LCD驱动引脚COM0_COM3，SEG1SEG8连接到了段码液晶屏，微控制器内部的 LCD 驱动控制器按照特定的扫描时序在 COM 和SEG 线上产生驱动电压，点亮或熄灭液晶屏上特定的字段；

• 温度测量：ADC通道1的PB3连接NTC热敏电阻，NTC的电阻值随环境温度变化而变化，当温度变化时NTC上的分压值随之改变。ADC通道读取PB3上的模拟电压值，实现温度测量；

• 串口通信：UART0的TX/RX连接串口，实现输出调试打印信息。

4.程序介绍

4.1.模块化设计

程序采用了模块化设计，每个功能独立成一个模块。简单来说，就是把软件这个大工程，像搭乐高积木一样，拆成了一个个独立的功能模块 —— 每个模块负责一件事，谁也别抢谁的活儿。
这种设计方法的核心思想就是 ：分而治之。通俗的讲就是：当你面对一个复杂的大问题，最明智的做法就是把它“化整为零”，拆解成一系列小到可以轻松搞定的小问题，然后挨个解决掉。程序的模块化设计如下图：

程序包含三个任务：

• 任务一GPIO任务，GPIO口PA3连接按键，GPIO口PB6连接蜂鸣器，程序通过按键实现用户对显示内容的控制，短按按键实现循环切换显示模式：温度→血糖→电量→温度，每切换一次蜂鸣器会发出短鸣提示。
• 任务二LCD任务，程序控制微控制器内部的 LCD
  驱动控制器点亮或熄灭液晶屏上特定的字段，实现3位7段数字的显示，同时段码液晶屏还可以显示不同数据的单位。
• 任务三NTC任务，ADC通道1的PB3连接NTC热敏电阻，NTC的电阻值随环境温度变化而变化，当温度变化时NTC
  上的分压值随之改变。ADC通道读取 PB3上的模拟电压值，实现温度测量。

这种模块化设计严格遵循了单一职责原则——每个模块只专心做好自己那一摊事儿，绝不越界抢活干，模块之间奉行“君子之交淡如水”，彼此低耦合，互不依赖。这样一来，修改一个模块的代码，完全不用担心会“城门失火，殃及池鱼”，各干各的，互不打扰，世界和平！
模块化设计提高了软件系统的扩展性，软件工程源码中功能模块如下：

4.2.调度器

RTOS 通常需要额外的内存开销用于任务栈、内核数据结构以及提供任务调度。由于BH67F2472有限的计算资源（如 RAM、ROM 容量较小）和相对较低的运算性能，无法有效地承载一个完整的实时操作系统（RTOS）运行环境。为了在资源受限的条件下实现多任务逻辑的轮转执行，开作者设计并实现了一个精简的轮询式任务调度器。
HOLTEK开发环境所使用的 C 编译器不支持函数指针，函数指针是构建动态任务调用机制的常用且高效手段，缺失函数指针实现调度器将变得比较笨拙，只能使用枚举量和switch语句实现，在scheduler文件中实现了一个轮询执行的“伪调度器”，关键代码如下：

这种设计实现的调度器被称为“伪调度器”，因为这个调度器有以下特点：

• 任务执行是顺序执行、非抢占执行。一个任务必须主动执行完毕并返回（break 出
  case）后，调度器才能切换到下一个任务，不存在由中断或系统调用触发的任务强制切换。
• 静态绑定： 任务与枚举值、case 分支是静态编译时绑定的，缺乏运行时动态创建、删除或修改任务列表的能力。
• 轻量级： 其实现极其简洁，仅需一个枚举变量、一个 switch 语句和若干函数调用，几乎不消耗额外的 RAM
  资源（栈空间除外），代码体积（ROM）也很小，完美契合资源受限环境。

4.3.分层设计

每一个任务都采用了分层设计，分层设计的核心思想也是“分而治之”，分层设计将软件功能水平分割成合理的多个子系统，软件中紧密关联的部分被集中放在一个层内。分层架构有以下优点：

• 每一层都把一个具体功能抽象化。
• 可以降低代码的相互依赖程度，更改代码时影响的层很少。
• 层可以被复用。

程序中采用了2层的分层设计，第1层处理MCU寄存器相关操作，第2层处理驱动控制和逻辑控制，分层设计提高了软件系统的移植性，如果项目更换了MCU那么只用修改第1层，如果更改了业务逻辑那么只用修改第2层。分层架构框图如下：

以GPIO任务为例，GPIO的BSP层的接口函数是gpio_bsp_operation，上层文件可以通过gpio_bsp_operation函数完成GPIO的寄存器初始化、读操作、写操作。GPIO任务的BSP层代码如下：

4.4.隔离设计

程序中的任务相互隔离，所有任务只与调度器进行数据交互，然后调度器将消息推送给其他任务。各个任务之间的信息交互模式如下：

这种设计模式为中间者模式。在中间者模式，对象之间不能直接通信，而是间接地通过中间者进行通信。中间者收到信息后，再将信息转发给相关对象，这样减少了对象之间的相互依赖。中间者模式有以下优点：

• 对象之间是松耦合。
• 将多对多的关系通过中间者转换成一对一的关系。
• 修改一个对象，不需要考虑其它对象通信适应问题。

这种设计减少了任务之间的耦合，提高了软件的扩展性，消息交互代码如下：

4.5.程序流程图

程序主要分为四个过程：

• 初始化系统时钟，配置MCU系统时钟为8MHZ
• 执行调度器初始化动作，调度器依次调用所有任务中的initialization函数，执行各个任务初始化。
• 执行调度器依次调用所有任务read函数获取改任务输出信息，并将读取到的信息通过调用其他任务write函数写入执行操作。
• 执行调度器依次调用所有任务run函数，然后每个任务在后台运行。

程序流程图如下：

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