长文预警，加代码5000多字，写了4个多小时，盘软件架构，这篇文章就够了!
可能很多工程师，工作了很多年，都不会有软件架构的概念。
因为我在做研发工程师的第6年，才开始意识到这个东西，在此之前，都是做一些比较简单的项目，一个main函数干到底，架构复杂了反而是累赘。
后面有幸，接触了稍微复杂点的项目，感觉以前水平Hold不住，然后借着项目需求，学习了很多优秀的代码架构，比如以前同事的，一些模组厂的SDK，还有市面上成熟的系统。
说出来可能有点夸张，一个好项目带来的成长，顶你做几年小项目。
在一个工程师从入门到成为高级工程师，都会经历哪些软件架构？
下面给大家盘点一下，每个都提供了简易的架构模型代码。
1.线性架构
这是最简单的一种程序设计方法，也就是我们在入门时写的，下面是一个使用C语言编写的线性架构示例：
#include
// 延时函数，用于产生一定的延迟
void delay(unsigned int count) {
unsigned int i;
while(count--) {
for(i = 0; i < 120; i++) {} // 空循环，用于产生延迟
}
}
void main() {
// 初始设置P1端口为输出模式，用于控制LED
P1 = 0xFF; // 将P1端口设置为高电平，关闭所有LED
while(1) { // 无限循环
P1 = 0x00; // 将P1端口设置为低电平，点亮所有LED
delay(500000); // 调用延时函数，延迟一段时间
P1 = 0xFF; // 将P1端口设置为高电平，关闭所有LED
delay(500000); // 再次调用延时函数，延迟相同的时间
}
}
2.模块化架构
模块化架构是一种将程序分解为独立模块的设计方法，每个模块执行特定的任务。
这种架构有助于代码的重用、维护和测试。
下面是一个使用C语言编写的模块化架构示例，该程序模拟了一个简单的交通信号灯控制系统。
#include
// 定义信号灯的状态
typedef enum {
RED_LIGHT,
YELLOW_LIGHT,
GREEN_LIGHT
} TrafficLightState;
// 函数声明
void initializeTrafficLight(void);
void setTrafficLight(TrafficLightState state);
void delay(unsigned int milliseconds);
// 信号灯控制主函数
void main(void) {
initializeTrafficLight(); // 初始化交通信号灯
while(1) {
setTrafficLight(RED_LIGHT);
delay(5000); // 红灯亮5秒
setTrafficLight(YELLOW_LIGHT);
delay(2000); // 黄灯亮2秒
setTrafficLight(GREEN_LIGHT);
delay(5000); // 绿灯亮5秒
}
}
// 初始化交通信号灯的函数
void initializeTrafficLight(void) {
// 这里可以添加初始化代码，比如设置端口方向、默认状态等
// 假设P1端口连接了信号灯，初始状态为熄灭（高电平）
P1 = 0xFF;
}
// 设置交通信号灯状态的函数
void setTrafficLight(TrafficLightState state) {
switch(state) {
case RED_LIGHT:
// 设置红灯亮，其他灯灭
P1 = 0b11100000; // 假设低电平有效，这里设置P1.0为低电平，其余为高电平
break;
case YELLOW_LIGHT:
// 设置黄灯亮，其他灯灭
P1 = 0b11011000; // 设置P1.1为低电平，其余为高电平
break;
case GREEN_LIGHT:
// 设置绿灯亮，其他灯灭
P1 = 0b11000111; // 设置P1.2为低电平，其余为高电平
break;
default:
// 默认为熄灭所有灯
P1 = 0xFF;
break;
}
}
// 延时函数，参数是毫秒数
void delay(unsigned int milliseconds) {
unsigned int delayCount = 0;
while(milliseconds--) {
for(delayCount = 0; delayCount < 120; delayCount++) {
// 空循环，用于产生延时
}
}
}
3.层次化架构
层次化架构是一种将系统分解为多个层次的设计方法，每个层次负责不同的功能。
着以下是一个使用C语言编写的层次化架构示例，模拟了一个具有不同权限级别的嵌入式系统。
#include
// 定义不同的操作级别
typedef enum {
LEVEL_USER,
LEVEL_ADMIN,
LEVEL_SUPERUSER
} OperationLevel;
// 函数声明
void systemInit(void);
void performOperation(OperationLevel level);
void displayMessage(char* message);
// 系统初始化后的主循环
void main(void) {
systemInit(); // 系统初始化
// 模拟用户操作
performOperation(LEVEL_USER);
// 模拟管理员操作
performOperation(LEVEL_ADMIN);
// 模拟超级用户操作
performOperation(LEVEL_SUPERUSER);
while(1) {
// 主循环可以是空闲循环或者处理其他低优先级任务
}
}
// 系统初始化函数
void systemInit(void) {
// 初始化系统资源，如设置端口、中断等
// 这里省略具体的初始化代码
}
// 执行不同级别操作的函数
void performOperation(OperationLevel level) {
switch(level) {
case LEVEL_USER:
//用户操作具体代码
break;
case LEVEL_ADMIN:
//管理员操作具体代码
break;
case LEVEL_SUPERUSER:
//超级用户操作具体代码
break;
}
}
// 显示消息的函数
void displayMessage(char* message) {
// 这里省略了实际的显示代码，因为单片机通常没有直接的屏幕输出
// 消息可以通过LED闪烁、串口输出或其他方式展示
// 假设通过P1端口的LED展示，每个字符对应一个LED闪烁模式
// 实际应用中，需要根据硬件设计来实现消息的显示
}
4.事件驱动架构
事件驱动架构是一种编程范式，其中程序的执行流程由事件（如用户输入、传感器变化、定时器到期等）触发。
在单片机开发中，事件驱动架构通常用于响应外部硬件中断或软件中断。
以下是一个使用C语言编写的事件驱动架构示例，模拟了一个基于按键输入的LED控制。
#include
// 定义按键和LED的状态
#define KEY_PORT P3 // 假设按键连接在P3端口
#define LED_PORT P2 // 假设LED连接在P2端口
// 函数声明
void delay(unsigned int milliseconds);
bit checkKeyPress(void); // 返回按键是否被按下的状态（1表示按下，0表示未按下）
// 定时器初始化函数
void timer0Init(void)
{
TMOD = 0x01; // 设置定时器模式寄存器，使用模式1（16位定时器）
TH0 = 0xFC; // 设置定时器初值，用于产生定时中断
TL0 = 0x18;
ET0 = 1; // 开启定时器0中断
EA = 1; // 开启总中断
TR0 = 1; // 启动定时器
}
// 定时器中断服务程序
void timer0_ISR() interrupt 1
{
// 定时器溢出后自动重新加载初值，无需手动重置
// 这里可以放置定时器溢出后需要执行的代码
}
// 按键中断服务程序
bit keyPress_ISR(void) interrupt 2 using 1
{
if(KEY_PORT != 0xFF) // 检测是否有按键按下
{
LED_PORT = ~LED_PORT; // 如果有按键按下，切换LED状态
delay(20); // 去抖动延时
while(KEY_PORT != 0xFF); // 等待按键释放
return 1; // 返回按键已按下
}
return 0; // 如果没有按键按下，返回0
}
// 延时函数，参数是毫秒数
void delay(unsigned int milliseconds) {
unsigned int i, j;
for(i = 0; i < milliseconds; i++)
for(j = 0; j < 1200; j++); // 空循环，用于产生延时
}
// 主函数
void main(void)
{
timer0Init(); // 初始化定时器
LED_PORT = 0xFF; // 初始LED熄灭（假设低电平点亮LED）
while(1)
{
if(checkKeyPress())
{ // 检查是否有按键按下事件
// 如果有按键按下，这里可以添加额外的处理代码
}
}
}
// 检查按键是否被按下的函数
bit checkKeyPress(void)
{
bit keyState = 0;
// 模拟按键中断触发，实际应用中需要连接硬件中断
if(1) // 假设按键中断触发
{
keyState = keyPress_ISR(); // 调用按键中断服务程序
}
return keyState; // 返回按键状态
}
事实上，真正的事件型驱动架构，是非常复杂的，我职业生涯的巅峰之作，就是用的事件型驱动架构。
5.状态机架构
在单片机开发中，状态机常用于处理复杂的逻辑和事件序列，如用户界面管理、协议解析等。
以下是一个使用C语言编写的有限状态机（FSM）的示例，模拟了一个简单的自动售货机的状态转换。
#include
// 定义自动售货机的状态
typedef enum {
IDLE,
COIN_INSERTED,
PRODUCT_SELECTED,
DISPENSE,
CHANGE_RETURNED
} VendingMachineState;
// 定义事件
typedef enum {
COIN_EVENT,
PRODUCT_EVENT,
DISPENSE_EVENT,
REFUND_EVENT
} VendingMachineEvent;
// 函数声明
void processEvent(VendingMachineEvent event);
void dispenseProduct(void);
void returnChange(void);
// 当前状态
VendingMachineState currentState = IDLE;
// 主函数
void main(void)
{
// 初始化代码（如果有）
// ...
while(1)
{
// 假设事件由外部触发，这里使用一个模拟事件
VendingMachineEvent currentEvent = COIN_EVENT; // 模拟投入硬币事件
processEvent(currentEvent); // 处理当前事件
}
}
// 处理事件的函数
void processEvent(VendingMachineEvent event)
{
switch(currentState)
{
case IDLE:
if(event == COIN_EVENT)
{
// 如果在空闲状态且检测到硬币投入事件，则转换到硬币投入状态
currentState = COIN_INSERTED;
}
break;
case COIN_INSERTED:
if(event == PRODUCT_EVENT)
{
// 如果在硬币投入状态且用户选择商品，则请求出货
currentState = PRODUCT_SELECTED;
}
break;
case PRODUCT_SELECTED:
if(event == DISPENSE_EVENT)
{
dispenseProduct(); // 出货商品
currentState = DISPENSE;
}
break;
case DISPENSE:
if(event == REFUND_EVENT)
{
returnChange(); // 返回找零
currentState = CHANGE_RETURNED;
}
break;
case CHANGE_RETURNED:
// 等待下一个循环，返回到IDLE状态
currentState = IDLE;
break;
default:
// 如果状态非法，重置为IDLE状态
currentState = IDLE;
break;
}
}
// 出货商品的函数
void dispenseProduct(void)
{
// 这里添加出货逻辑，例如激活电机推出商品
// 假设P1端口连接了出货电机
P1 = 0x00; // 激活电机
// ... 出货逻辑
P1 = 0xFF; // 关闭电机
}
// 返回找零的函数
void returnChange(void)
{
// 这里添加找零逻辑，例如激活机械臂放置零钱
// 假设P2端口连接了找零机械臂
P2 = 0x00; // 激活机械臂
// ... 找零逻辑
P2 = 0xFF; // 关闭机械臂
}
6.面向对象架构
STM32的库，就是一种面向对象的架构。
不过在单片机由于资源限制，OOP并不像在高级语言中那样常见，但是一些基本概念如封装和抽象仍然可以被应用。
虽然C语言本身并不直接支持面向对象编程，但可以通过结构体和函数指针模拟一些面向对象的特性。
下面是一个简化的示例，展示如何在C语言中模拟面向对象的编程风格，以51单片机为背景，创建一个简单的LED类。
#include
// 定义一个LED类
typedef struct {
unsigned char state; // LED的状态
unsigned char pin; // LED连接的引脚
void (*turnOn)(struct LED*); // 点亮LED的方法
void (*turnOff)(struct LED*); // 熄灭LED的方法
} LED;
// LED类的构造函数
void LED_Init(LED* led, unsigned char pin) {
led->state = 0; // 默认状态为熄灭
led->pin = pin; // 设置LED连接的引脚
}
// 点亮LED的方法
void LED_TurnOn(LED* led) {
// 根据引脚状态点亮LED
if(led->pin < 8) {
P0 |= (1 << led->pin); // 假设P0.0到P0.7连接了8个LED
} else {
P1 &= ~(1 << (led->pin - 8)); // 假设P1.0到P1.7连接了另外8个LED
}
led->state = 1; // 更新状态为点亮
}
// 熄灭LED的方法
void LED_TurnOff(LED* led) {
// 根据引脚状态熄灭LED
if(led->pin < 8) {
P0 &= ~(1 << led->pin); // 熄灭P0上的LED
} else {
P1 |= (1 << (led->pin - 8)); // 熄灭P1上的LED
}
led->state = 0; // 更新状态为熄灭
}
// 主函数
void main(void) {
LED myLed; // 创建一个LED对象
LED_Init(&myLed, 3); // 初始化LED对象，连接在P0.3
// 给LED对象绑定方法
myLed.turnOn = LED_TurnOn;
myLed.turnOff = LED_TurnOff;
// 使用面向对象的风格控制LED
while(1) {
myLed.turnOn(&myLed); // 点亮LED
// 延时
myLed.turnOff(&myLed); // 熄灭LED
// 延时
}
}
这段代码定义了一个结构体LED，模拟面向对象中的“类。
这个示例仅用于展示如何在C语言中模拟面向对象的风格，并没有使用真正的面向对象编程语言的特性，如继承和多态，不过对于单片机的应用，足以。
7.基于任务的架构
这种我最喜欢用，结构，逻辑清晰，每个任务都能灵活调度。
基于任务的架构是将程序分解为独立的任务，每个任务执行特定的工作。
在单片机开发中，如果没有使用实时操作系统，我们可以通过编写一个简单的轮询调度器来模拟基于任务的架构。
以下是一个使用C语言编写的基于任务的架构的示例，该程序在51单片机上实现。
为了简化，我们将使用一个简单的轮询调度器来在两个任务之间切换：一个是按键扫描任务，另一个是LED闪烁任务。
#include
// 假设P1.0是LED输出
sbit LED = P1^0;
// 全局变量，用于记录系统Tick
unsigned int systemTick = 0;
// 任务函数声明
void taskLEDBlink(void);
void taskKeyScan(void);
// 定时器0中断服务程序，用于产生Tick
void timer0_ISR() interrupt 1 using 1
{
// 定时器溢出后自动重新加载初值，无需手动重置
systemTick++; // 更新系统Tick计数器
}
// 任务调度器，主函数中调用，负责任务轮询
void taskScheduler(void)
{
// 检查系统Tick，决定是否执行任务
// 例如，如果我们需要每1000个Tick执行一次LED闪烁任务
if (systemTick % 1000 == 0)
{
taskLEDBlink();
}
// 如果有按键任务，可以类似地检查Tick并执行
if (systemTick % 10 == 0)
{
taskKeyScan();
}
}
// LED闪烁任务
void taskLEDBlink(void)
{
static bit ledState = 0; // 用于记录LED的当前状态
ledState = !ledState; // 切换LED状态
LED = ledState; // 更新LED硬件状态
}
// 按键扫描任务（示例中省略具体实现）
void taskKeyScan(void)
{
// 按键扫描逻辑
}
// 主函数
void main(void)
{
// 初始化LED状态
LED = 0;
// 定时器0初始化设置
TMOD &= 0xF0; // 设置定时器模式寄存器，使用模式1（16位定时器/计数器）
TH0 = 0x4C; // 设置定时器初值，产生定时中断（定时周期取决于系统时钟频率）
TL0 = 0x00;
ET0 = 1; // 允许定时器0中断
EA = 1; // 允许中断
TR0 = 1; // 启动定时器0
while(1)
{
taskScheduler(); // 调用任务调度器
}
}
这里只是举个简单的例子，这个代码示例，比较适合51和stm8这种资源非常少的单片机。
8.代理架构
这个大家或许比较少听到过，但在稍微复杂的项目中，是非常常用的。
在代理架构中，每个代理（Agent）都是一个独立的实体，它封装了特定的决策逻辑和数据，并与其他代理进行交互。
在实际项目中，需要创建多个独立的任务或模块，每个模块负责特定的功能，并通过某种机制（如消息队列、事件触发等）进行通信。
这种方式可以大大提高程序可扩展性和可移植性。
以下是一个LED和按键代理的简化模型。
#include
// 假设P3.5是按键输入，P1.0是LED输出
sbit KEY = P3^5;
sbit LED = P1^0;
typedef struct
{
unsigned char pin; // 代理关联的引脚
void (*action)(void); // 代理的行为函数
} Agent;
// 按键代理的行为函数声明
void keyAction(void);
// LED代理的行为函数声明
void ledAction(void);
// 代理数组，存储所有代理的行为和关联的引脚
Agent agents[] =
{
{5, keyAction}, // 按键代理，关联P3.5
{0, ledAction} // LED代理，关联P1.0
};
// 按键代理的行为函数
void keyAction(void)
{
if(KEY == 0) // 检测按键是否被按下
{
LED = !LED; // 如果按键被按下，切换LED状态
while(KEY == 0); // 等待按键释放
}
}
// LED代理的行为函数
void ledAction(void)
{
static unsigned int toggleCounter = 0;
toggleCounter++;
if(toggleCounter == 500) // 假设每500个时钟周期切换一次LED
{
LED = !LED; // 切换LED状态
toggleCounter = 0; // 重置计数器
}
}
// 主函数
void main(void)
{
unsigned char agentIndex;
// 主循环
while(1)
{
for(agentIndex = 0; agentIndex < sizeof(agents) / sizeof(agents[0]); agentIndex++)
{
// 调用每个代理的行为函数
(*agents[agentIndex].action)(); // 注意函数指针的调用方式
}
}
}
9.组件化架构
组件化架构是一种将软件系统分解为独立、可重用组件的方法。
将程序分割成负责特定任务的模块，如LED控制、按键处理、传感器读数等。
每个组件可以独立开发和测试，然后被组合在一起形成完整的系统。
以下是一个简化的组件化架构示例，模拟了一个单片机系统中的LED控制和按键输入处理两个组件。
为了简化，组件间的通信将通过直接函数调用来模拟。
#include
// 定义组件结构体
typedef struct
{
void (*init)(void); // 组件初始化函数
void (*task)(void); // 组件任务函数
} Component;
// 假设P3.5是按键输入，P1.0是LED输出
sbit KEY = P3^5;
sbit LED = P1^0;
// LED组件
void LED_Init(void)
{
LED = 0; // 初始化LED状态为关闭
}
void LED_Task(void)
{
static unsigned int toggleCounter = 0;
toggleCounter++;
if (toggleCounter >= 1000) // 假设每1000个时钟周期切换一次LED
{
LED = !LED; // 切换LED状态
toggleCounter = 0; // 重置计数器
}
}
// 按键组件
void KEY_Init(void)
{
// 按键初始化代码
}
void KEY_Task(void)
{
if (KEY == 0) // 检测按键是否被按下
{
LED = !LED; // 如果按键被按下，切换LED状态
while(KEY == 0); // 等待按键释放
}
}
// 组件数组，存储系统中所有组件的初始化和任务函数
Component components[] =
{
{LED_Init, LED_Task},
{KEY_Init, KEY_Task}
};
// 系统初始化函数，调用所有组件的初始化函数
void System_Init(void)
{
unsigned char componentIndex;
for (componentIndex = 0; componentIndex < sizeof(components) / sizeof(components[0]); componentIndex++)
{
components[componentIndex].init();
}
}
// 主循环，调用所有组件的任务函数
void main(void)
{
System_Init(); // 系统初始化
while(1)
{
unsigned char componentIndex;
for (componentIndex = 0; componentIndex < sizeof(components) / sizeof(components[0]); componentIndex++)
{
components[componentIndex].task(); // 调用组件任务
}
}
}
以上几种，我都整理到单片机入门到高级资料+工具包了，大家可自行在朋友圈找我安排。
当然，以上都是最简易的代码模型，如果想用于实际项目，很多细节还要优化。
后面为了适应更复杂的项目，我基于以上这几种编程思维，重构了代码，使OS变得移植性和扩展性更强，用起来也更灵活。
我在2019年，也系统录制过关于这套架构的教程，粉丝可找我安排。
目前我们无际单片机特训营项目3和6就是采用这种架构，稳的一批。
如果想系统提升编程思维和代码水平，还是得从0到1去学习我们项目，并不是说技术有多难，而是很多思维和实现细节，没有参考，没人指点，靠自己需要摸索很久。
除了以上架构，更复杂的就是RTOS了。
不过一般对于有架构设计能力的工程师来说，更习惯于使用传统的裸机编程方式，这种方式可能更直观且可控。
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