嵌入式开发用这3种软件架构，直接无敌。

无际单片机编程

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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。   

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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
");            break;        case EVENT_ARM_HOME:            system->currentState = STATE_ARM_HOME;            printf("切换到在家布防
");            break;        default:            printf("系统处于撤防状态
");            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
");            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
");            break;        default:            printf("系统处于离家布防状态
");            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
");            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
");            // 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
");            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
");    } else if (event == EVENT_DISARM) {        system->currentState = STATE_DISARMED;        printf("报警中手动撤防
");    } else {        printf("系统处于报警中
");    }}           
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：

#include 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
", events);        runSecurityStateMachine(&system, events);    }    return 0;}
输出示例：

C                   事件: 0                   切换到离家布防                   事件: 1                   检测到入侵！切换到报警中                   事件: 2                   报警超时，切换到撤防                   事件: 3                   切换到在家布防                   事件: 4                   切换到撤防

           
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。

#include #include #include // 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）#define EVENT_QUEUE_SIZE 10Event 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
");        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
");}void timerTimeoutHandler(void) {    printf("Timer timeout: adjust brightness
");}void serialCommandHandler(void) {    printf("Serial command received: remote control
");}// 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                   Key pressed: toggle light                   Timer timeout: adjust brightness                   Serial command received: remote control

           
           
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。

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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

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