如何在嵌入式中使用设计模式的思想？

嵌入式的标签多为：低配，偏硬件，底层，资源紧张，代码多以C语言，汇编为主，代码应用逻辑简单。但随着AIOT时代的到来，局面组件改变。

芯片的性能资源逐渐提升，业务逻辑也逐渐变得复杂，相对于代码的效率而言，代码的复用可移植性要求越来越高，以获得更短的项目周期 和更高的可维护性。下面是AIOT时代嵌入式设备的常见的软件框架。

设计模式

设计模式的标签：高级语言 ，高端，架构等。在AIOT时代，设计模式与嵌入式能擦出怎样的火花？设计模式可描述为：对于某类相似的问题，经过前人的不断尝试，总结出了处理此类问题的公认的有效解决办法。

嵌入式主要以C语言开发，且面向过程，而设计模式常见于高级语言（面向对象），目前市面上描述设计模式的书籍多数使用JAVA 语言，C语言能实现设计模式吗？设计模式与语言无关，它是解决问题的方法，JAVA可以实现，C语言同样可以实现。同样的，JAVA程序员会遇到需要用模式来处理的问题，C程序员也可能遇见，因此设计模式是很有必要学习的。

模式陷阱：设计模式是针对具体的某些类问题的有效解决办法，不是所有的问题都能匹配到对应的设计模式。因此，不能一味的追求设计模式，有时候简单直接的处理反而更有效。有的问题没有合适的模式，可以尽量满足一些设计原则，如开闭原则（对扩展开放，对修改关闭）

观察者模式

情景

在对象之间定义一个一对多的依赖，当一个对象状态改变的时候，所有依赖的对象都会自动收到通知。

实现

主题对象提供统一的注册接口，以及注册函数 。由观察者本身实例化observer_intf 接口，然后使用注册函数，添加到对应的主题列表中，主题状态发生改变，依次通知列表中的所有对象。

 struct observer_ops
 {
     void*(handle)(uint8_t evt);  
 };
 struct observer_intf
 {
     struct observer_intf* next;
     const char* name;
     void* condition;
     const struct observer_ops *ops;
 }
 int observer_register(struct topical* top , struct observer_intf* observer);

当主题状态发生改变，将通知到所有观察者，观察者本身也可以设置条件，是否选择接收通知

 struct observer_intf observer_list;
     
 void XXXX_topical_evt(uint8_t evt)
 {
      struct observer_intf* cur_observer = observer_list.next;
      uint8_t* condition = NULL;
      while(cur_observer != NULL)
      {
          condition = (uint8_t*）cur_observer->condition;
          if(NULL == condition || (condition && *condition)）
          {
              if(cur_observer->ops->handle){
                  cur_observer->ops->handle(evt);
              }       
          }
          cur_observer = cur_observer->next;
      }
 }

实例：嵌入式裸机低功耗框架

• 设备功耗分布

其中线路损耗，电源电路等软件无法控制，故不讨论。板载外设，如传感器可能通过某条命令配置进入低功耗模式，又或者硬件上支持控制外设电源来控制功耗。片内外设，及芯片内部的外设，通过卸载相关驱动，关闭时钟配置工作模式来控制功耗。

• 设备唤醒方式

  当系统某个定时事件到来时，系统被主动唤醒处理事件

  系统处于睡眠，被外部事件唤醒，如串口接收到一包数据，传感器检测到变化，通过引脚通知芯片

• 被动唤醒
• 主动唤醒

• 系统允许睡眠的条件

• 外设无正在收发的数据

• 缓存无需要处理的数据

• 应用层状态处于空闲（无需要处理的事件）

• 基于观察者模式的PM框架实现

PM组件提供的接口

struct pm
{
    struct pm* next;
    const char* name;
   void(*init)(void);
    void(*deinit(void);
    void* condition;
};
static struct pm pm_list;
static uint8_t pm_num;
static uint8_t pm_status;
         
int pm_register(const struct pm* pm , const char* name)
{
     struct pm* cur_pm =  &pm_list;
     while(cur_pm->next)
     {
         cur_pm = cur_pm->next;
     }
     cur_pm->next = pm;
     pm->next = NULL;
     pm->name = name;
     pm_num++;
}
 
void pm_loop(void)
{
    uint32_t pm_condition = 0;
    struct pm* cur_pm =  pm_list.next;
    static uint8_t cnt;
    
    /*check all condition*/
    while(cur_pm)
    {
        if(cur_pm->condition){
         pm_condition |=  *((uint32_t*)(cur_pm->condition));
        }
        cur_pm = cur_pm->next;
    }
    if(pm_condition == 0)
    {
      cnt++;
        if(cnt>=5)
        {
            pm_status = READY_SLEEP;
        }
    }
    else
    {
        cnt = 0;
    }
    if( pm_status == READY_SLEEP)
    {
         cur_pm =  pm_list.next;
         while(cur_pm)
         {
             if(cur_pm->deinit){
                cur_pm->deinit();
             }
             cur_pm = cur_pm->next;
         }
        pm_status = SLEEP;
        ENTER_SLEEP_MODE();
    }   
    /*sleep--->wakeup*/
    if(pm_status == SLEEP)
    {
         pm_status = NORMAL;
         cur_pm =  pm_list.next;
         while(cur_pm)
         {
             if(cur_pm->init){
                cur_pm->init();
             }
             cur_pm = cur_pm->next;
         }
    }
}

外设使用PM接口

struct uart_dev
{
 ...
 struct pm pm;
    uint32_t pm_condition; 
};
struct uart_dev uart1;
 
void hal_uart1_init(void);
void hal_uart1_deinit(void);
    
void uart_init(void)
{
    uart1.pm.init =  hal_uart1_init;
    uart1.pm.deinit =  hal_uart1_deinit;
    uart1.pm.condition = &uart1.pm_condition;
    pm_register(&uart1.pm , "uart1");
}
/*接下来串口驱动检查缓存 ， 发送 ， 接收是否空闲或者忙碌 ， 给uart1.pm_condition赋值*/

结论

• PM 电源管理可以单独形成模块，当功耗外设增加时，只需实现接口，注册即可
• 通过定义段导出操作，可以更加简化应用层或外设的注册逻辑
• 方便调试，可以很方便打印出系统当前为满足睡眠条件的模块
• 通过条件字段划分，应该可以实现系统部分睡眠

职责链模式

情景

在现实生活中，一个事件(任务)需要经过多个对象处理是很常见的场景。如报销流程，公司员工报销， 首先员工整理报销单，核对报销金额，有误则继续核对整理，直到无误，将报销单递交到财务，财务部门进行核对，核对无误后，判断金额数量，若小于一定金额，则财务部门可直接审批，若金额超过范围，则报销单流传到总经理，得到批准后，整个任务才算结束。类似的情景还有很多，如配置一个WIFI模块，通过AT指令，要想模块正确连入WIFI ， 需要按一定的顺序依次发送配置指令 ， 如设置设置模式 ，设置 需要连接的WIFI名，密码，每发送一条配置指令，模块都将返回配置结果，而发送者需要判断结果的正确性，再选择是否发送下一条指令或者进行重传。

总结起来是，一系列任务需要严格按照时间线依次处理的顺序逻辑，如下图所示:

在存在系统的情况下，此类逻辑可以很容易的用阻塞延时来实现，实现如下：

void process_task(void)
{
    task1_process();
    msleep(1000);
    
    task2_process();
    mq_recv(&param , 1000);
    
    task3_process();
    while(mq_recv(&param , 1000) != OK)
    {
        if(retry)
        {
             task3_process();
             --try;
        }
    }
}

在裸机的情况下，为了保证系统的实时性，无法使用阻塞延时，一般使用定时事件配合状态机来实现：

void process_task(void)
{
     switch(task_state)
     {
         case task1:
             task1_process();
             set_timeout(1000);break;
         case task2:
             task1_process();
             set_timeout(1000);break;
         case task3:
             task1_process();
             set_timeout(1000)break;
         default:break;
     }
}
/*定时器超时回调*/
void timeout_cb(void)
{
    if(task_state == task1)
    {
        task_state = task2;
        process_task();
    }
    else  //task2 and task3
    {
        if(retry)
        {
            retry--;
             process_task();
        }
    }
}
/*任务的应答回调*/
void task_ans_cb(void* param)
{
    if(task==task2)
    {
        task_state = task3;
        process_task();
    }
}

和系统实现相比，裸机的实现更加复杂，为了避免阻塞，只能通过状态和定时器来实现顺序延时的逻辑，可以看到，实现过程相当分散，对于单个任务的处理分散到了3个函数中处理，这样导致的后果是：修改，移植的不便。而实际的应用中，类似的逻辑相当多，如果按照上面的方法去实现，将会导致应用程序的强耦合。

实现

可以发现，上面的情景有以下特点：

• 任务按顺序执行，只有当前任务执行完了(有结论，成功或者失败)才允许执行下一个任务
• 前一个任务的执行结果会影响到下一个任务的执行情况
• 任务有一些特性，如超时时间，延时时间，重试次数

通过以上信息，我们可以抽象出这样一个模型：任务作为节点， 每一个任务节点有其属性：如超时，延时，重试，参数，处理方法，执行结果。当需要按照顺序执行一系列任务时，依次将任务节点串成一条链，启动链运行，则从任务链的第一个节点开始运行，运行的结果可以是 OK , BUSY ,ERROR 。若是OK, 表示节点已处理，从任务链中删除，ERROR 表示运行出错，任务链将停止运行，进行错误回调，可以有用户决定是否继续运行下去。BUSY表示任务链处于等待应答，或者等待延时的情况。当整条任务链上的节点都执行完，进行成功回调。

node数据结构定义

/*shadow node api type for req_chain src*/
typedef struct shadow_resp_chain_node
{
 uint16_t timeout;
 uint16_t duration;
 uint8_t init_retry;
 uint8_t param_type;
 uint16_t retry;
 /*used in mpool*/
   struct shadow_resp_chain_node* mp_prev;
 struct shadow_resp_chain_node* mp_next;
 
    /*used resp_chain*/
 struct shadow_resp_chain_node* next;
 
 node_resp_handle_fp handle;
 void* param;
}shadow_resp_chain_node_t;

node内存池

使用内存池的必要性：实际情况下，同一时间，责任链的条数，以及单条链的节点数比较有限，但种类是相当多的。比如一个支持AT指令的模块，可能支持几十条AT指令，但执行一个配置操作，可能就只会使用3-5条指令，若全部静态定义节点，将会消耗大量内存资源。因此动态分配是必要的。

初始化node内存池，内存池内所有节点都将添加到free_list。当申请节点时，会取出第一个空闲节点，加入到used_list , 并且接入到责任链。当责任链某一个节点执行完，将会被自动回收（从责任链中删除，并从used_list中删除，然后添加到free_list）

职责链数据结构定义

typedef struct resp_chain
{
   bool enable;               //enble == true 责任链启动 
 bool  is_ans;              //收到应答，与void* param 共同组成应答信号
 
 uint8_t state;            
 const char* name;
 void* param;
 TimerEvent_t timer;
 bool timer_is_running;
 shadow_resp_chain_node_t node;        //节点链
 void(*resp_done)(void* result);       //执行结果回调
}resp_chain_t;

职责链初始化

void resp_chain_init(resp_chain_t* chain ,  const char* name , 
                                            void(*callback)(void* result))                   
{
   RESP_ASSERT(chain);
 /*only init one time*/
 resp_chain_mpool_init();
 
   chain->enable = false;
 chain->is_ans = false;
 chain->resp_done = callback;
 chain->name = name;
 
 chain->state = RESP_STATUS_IDLE;
 chain->node.next = NULL;
 chain->param = NULL;
 
 TimerInit(&chain->timer,NULL);
}

职责链添加节点

int resp_chain_node_add(resp_chain_t* chain , 
                        node_resp_handle_fp handle , void* param)
{
   RESP_ASSERT(chain);
 BoardDisableIrq();  
 shadow_resp_chain_node_t* node = chain_node_malloc();
 if(node == NULL)
 {
    BoardEnableIrq();
    RESP_LOG("node malloc error ,no free node");
  return -2;
 }
 /*初始化节点，并加入责任链*/
 shadow_resp_chain_node_t* l = &chain->node;
 while(l->next != NULL)
 {
  l = l->next;
 }
 l->next = node;
 node->next = NULL; 
 node->handle = handle;
 node->param = param;
 node->timeout = RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_TIMEOUT;
 node->duration = RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_DURATION;
 node->init_retry = RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_RETRY;
 node->retry = (node->init_retry == 0)? 0 :(node->init_retry-1);
 BoardEnableIrq();
 return 0;
}

职责链的启动

void resp_chain_start(resp_chain_t* chain)
{
   RESP_ASSERT(chain);
 chain->enable = true;
}

职责链的应答

void resp_chain_set_ans(resp_chain_t* chain , void* param)
{
 RESP_ASSERT(chain);
   if(chain->enable)
 {
  chain->is_ans = true;
  if(param != NULL)
     chain->param = param;
  else
  {
   chain->param = "NO PARAM";
  }
 }
}

职责链的运行

int resp_chain_run(resp_chain_t* chain)
{ 
 RESP_ASSERT(chain);
 if(chain->enable)
 {
    shadow_resp_chain_node_t* cur_node = chain->node.next;
    /*maybe ans occur in handle,so cannot change state direct when ans comming*/
    if(chain->is_ans)
  {
   chain->is_ans = false;
   chain->state = RESP_STATUS_ANS;
  }  
   
  switch(chain->state)
  {
   case RESP_STATUS_IDLE:
   {
    if(cur_node)
    {
       uint16_t retry = cur_node->init_retry;
     if(cur_node->handle)
     {
        cur_node->param_type = RESP_PARAM_INPUT;
      chain->state = cur_node->handle((resp_chain_node_t*)cur_node                                                               ,cur_node->param);
     }
     else
     {
         RESP_LOG("node handle is null ,goto next node");
      chain->state = RESP_STATUS_OK;
     }
     if(retry != cur_node->init_retry)
     {
      cur_node->retry = cur_node->init_retry>0?(cur_node-                                                      >init_retry-1):0;                       
     }
    }
    else
    {
       if(chain->resp_done)
     {
      chain->resp_done((void*)RESP_RESULT_OK);
     }
     chain->enable = 0;
     chain->state = RESP_STATUS_IDLE;
     TimerStop(&chain->timer);
     chain->timer_is_running  = false;
    }
    break;
   }
   case RESP_STATUS_DELAY:
   {
    if(chain->timer_is_running == false)
    {
       chain->timer_is_running  = true;
     TimerSetValueStart(&chain->timer , cur_node->duration);
    }
    if(TimerGetFlag(&chain->timer) == true)
    {
     chain->state = RESP_STATUS_OK;
     chain->timer_is_running  = false;
    }
     break; 
   }
   case RESP_STATUS_BUSY:
   {
      /*waiting for ans or timeout*/
      if(chain->timer_is_running == false)
    {
       chain->timer_is_running  = true;
     TimerSetValueStart(&chain->timer , cur_node->timeout);
    }
    if(TimerGetFlag(&chain->timer) == true)
    {
     chain->state = RESP_STATUS_TIMEOUT;
     chain->timer_is_running  = false;
    }
    break;
      }
   case RESP_STATUS_ANS:
     {
      /*already got the ans,put the param back to the request handle*/
      TimerStop(&chain->timer);
    chain->timer_is_running  = false;
    if(cur_node->handle)
    {
     cur_node->param_type = RESP_PARAM_ANS;
     chain->state = cur_node->handle((resp_chain_node_t*)cur_node ,                                                                 chain->param);
    }
    else
    {
     RESP_LOG("node handle is null ,goto next node");
     chain->state = RESP_STATUS_OK;
    }
    break;
   }
   case RESP_STATUS_TIMEOUT:
   {
    if(cur_node->retry)
    {
     cur_node->retry--; 
     /*retry to request until cnt is 0*/
     chain->state = RESP_STATUS_IDLE;
    }
    else
    {
     chain->state = RESP_STATUS_ERROR;
    }
    break;
   }
   case RESP_STATUS_ERROR:
   {
      if(chain->resp_done)
    {
       chain->resp_done((void*)RESP_RESULT_ERROR);
    }
    chain->enable = 0;
    chain->state = RESP_STATUS_IDLE;
    TimerStop(&chain->timer);
    chain->timer_is_running  = false;
    cur_node->retry = cur_node->init_retry>0?(cur_node->init_retry-1):0;
    chain_node_free_all(chain);
    break;
   }
   case RESP_STATUS_OK:
   {
      /*get the next node*/
      cur_node->retry = cur_node->init_retry>0?(cur_node->init_retry-1):0;
    chain_node_free(cur_node);
    chain->node.next = chain->node.next->next;
    chain->state = RESP_STATUS_IDLE;
    break;
   }
      default:
     break;
  }
 }
 return chain->enable;
}

测试用例

• 定义并初始化责任链

void chain_test_init(void)
{
    resp_chain_init(&test_req_chain , "test request" , test_req_callback);
}

• 定义运行函数，在主循环中调用

void chain_test_run(void)
{
    resp_chain_run(&test_req_chain);
}

• 测试节点添加并启动触发函数

void chain_test_tigger(void)
{
    resp_chain_node_add(&test_req_chain ,  node1_req ,NULL);
    resp_chain_node_add(&test_req_chain ,  node2_req,NULL);
    resp_chain_node_add(&test_req_chain ,  node3_req,NULL);
    resp_chain_start(&test_req_chain);
}

• 分别实现节点请求函数

 /*延时1s 后执行下一个节点*/
 int node1_req(resp_chain_node_t* cfg, void* param)
 {
     cfg->duration = 1000;
     RESP_LOG("node1 send direct request: delay :%d ms" , cfg->duration);
     return RESP_STATUS_DELAY;
 }
 /*超时时间1S ， 重传次数5次*/ 
 int node2_req(resp_chain_node_t* cfg , void* param)
 {
     static uint8_t cnt;
     if(param == NULL)
     {
         cfg->init_retry = 5;
         cfg->timeout  = 1000;
         RESP_LOG("node2 send request max retry:%d , waiting for ans...");
         return RESP_STATUS_BUSY;
     }
     RESP_LOG("node2 get ans: %d",(int)param);
     return RESP_STATUS_OK;
 }
 /*非异步请求*/  
 int node3_req(resp_chain_node_t* cfg , void* param)
 {
     RESP_LOG("node4 send direct request");
     return RESP_STATUS_OK;
 }
 
 void ans_callback(void* param)
 {
     resp_chain_set_ans(&test_req_chain , param);
 }

结论

• 实现了裸机处理 顺序延时任务
• 较大程度的简化了应用程的实现，用户只需要实现响应的处理函数 ， 调用接口添加，即可按时间要求执行
• 参数为空，表明为请求 ，否则为应答。（在某些场合，请求可能也带参数，如接下来所说的LAP协议，此时需要通过判断参数的类型）

设计模式参考

Head First 设计模式(中文版)

人人都懂设计模式：从生活中领悟设计模式：Python实现

设计模式之禅

设计模式的C语言应用.https://bbs.huaweicloud.com/blogs/113179

适配器模式

参考文献 & 引用

[1]取经的孙猴儿. (2021, June 24). 嵌入式设计模式. https://blog.csdn.net/qq_36969440/article/details/118189387

好书推荐