使用C 构建嵌入式研发框架

　　1 框架概述

1.1 什么是框架

外国著名的软件设计大师Ralph Johnson对面向对象技术进行了长期而深入的研究。在他的主页中，对框架进行了如下定义：A framework is a reusable design expressed as a set of abstract classes and the way their instances collaborate.It is a reusable design for all or part of a software system.（框架是整个系统或系统的一部分的可重用性设计，由一组抽象出来的类及其实例间的相互作用方式组成。）

框架把一个系统有机地分解成一组相对单独的构件，并定义了各个构件间的接口和作用关系，符合软件工程中设计的模块化、单独化和信息隐藏等特征。框架提供了一个大粒度的重用技术，即不但支持源代码级的重用，而且支持分析和设计连同体系结构的重用，因而被认为是一种最有前途的面向对象技术。

框架必须是健壮的、可扩展的、灵活的，他需要基于开放或共享标准。框架的设计要力求做到完备性、灵活性、可扩展性、可理解性，同时抽象能用于不同的场合；用户能轻松地添加和修改功能，定制框架；用户和框架的交互清楚，文档齐全。框架设计的一个核心问题就是发现可重用的设计和“热点”，以确保框架具备充分的灵活性，使用户能在已有构件的基础上生成应用程式，实现“零代码编写”的理想目标。

　　1.2 如何设计框架

现在框架的设计大都采用实践法。实践法是指从若干个具体的典型应用中，抽象出现似点来构建框架；框架反过来又应用于不同的问题，并在解决不同问题的过程中得到更新；在框架的设计和实现的两步中，不断反复，等到框架逐渐成熟时，需要修改和反复的内容就会越来越小。具体步骤为：分析问题域，确定所需框架，从一类应用而不是单个的程式去分析、比较各种不同的软件解决方案，寻求这些方案的共性和每个程度的唯一性特性。这些共性，尤其是那些经常被多个程式使用的部分将成为框架的基础。然后，定义框架体系结构并设计，包括设计用户和框架间的交互、给用户提供的最终工具等。

框架的实现：包括框架核心类的实现、框架的测试、框架的试运行、框架的反复更新。

框架的部署：包括文档的提供和分发过程、为用户提供技术支持、维护和更新框架。

　　2 嵌入式框架EFC

框架技术在桌面软件的研发中得到了广泛的应用，但在嵌入式研发领域，由于嵌入式研发的多样性及嵌入式操作系统的多样性，现在还没有一套完整的研发框架可供使用。因此，在嵌入式软件研发中常常是从底层做起，应用程式和RTOS密不可分。这样的研发方式不但效率不高，也不利于软件的移植。

EFC（Embedded Foundation Classes）即嵌入式基础类库，是笔者借鉴Microsoft公司的MFC（微软基础类库—桌面系统框架库的工业标准）构建的一套在ARM平台Nucleus plus操作系统下的嵌入式研发框架。由于框架全部采用C 研发，没有和处理器相关的汇编代码，所以在其他硬件平台可不加修改地使用。假如更换不同的操作系统，则需要修改操作系统抽象层的部分代码；但由于EFC提供给上层应用程式的接口不变，所以应用程式无需修改代码。



　　就软件的层次来说，EFC是个操作系统之上、应用程式之下的中间件，如图1所示。在EFC中有一个操作系统抽象层，对RTOS进行了抽象和封装，提供包括任务（task）、/O驱动（driver）、定时器（timer）、信号量（semaphore）、消息队列（quecue）、事件（event group）、邮箱（mailBox）、管道（pipe）连同高级中断（HISR）等基本服务的封装。为上层应用程式提供更高级的统一编程接口，他样就使应用软件的研发和具体的软件平台无关，解决了嵌入式应用软件的移植问题。

在图1中，各模块之间有交界表明模块之间有接口关系。EFC、应用程式连同RTOS都和硬件驱动有接口：EFC要使用一部分核心驱动（例如实时时钟的驱动、ARM串口和网口的驱动、I2C总线的驱动等）；应用程式中调用的驱动是针对具体设备的；RTOS所需要的驱动就是系统的BSP部分。

EFC的静态结构图（类图）如图2所示。类图是在UML（统一建模语言）中用类和他们之间的关系描述系统的一种图示。类用类名、类的属性连同操作来表示，在图中为简单起见，省略了属性和操作；类和类之间的关系使用不同的连线表示，图中带空心三角箭头的连线表示继承关系，两端带数字的连线表示关联关系。在类图中，类的属性/方法的可见性使用“ ”、“-”及“#”表示：“ ”表示公共的（public），“-”表示私有的（private），“#”表示受保护的（protected）。

从图2中能够看出，CMessage、CRTApp、CDevice、Cboard及Cinterface都派生于公共的类CRTObject。CRTApp对象中有受保护的CMessage、CEventLog、Cuser及CDevice各一个。CDevice对象中有一个或多个CBoard对象，相应的每个CBorad对象中有0个到多个CxxxInterace对象。

2.1 基本数据类型

构建一个框架，需要一些基本的元素，这些元素要在框架的构造连同应用程式研发中大量使用。这些基本数据类型包括字符串类CString、集合类CArray、Clist及Cmap。CString包括一个长度可变的字符序列，提供使用很直观方便的运算符（例如 ， =，=，==，！=）和一些Todouble()、Tolong()、Tohex()等）；CArray是具备内建索元素很快的检索速度；Clist为其所存储的每一个元素，都提供了两个指针，分别指向位于其前和其后的元素，形成一个双向链表，这使得插入和删除操作十分快捷；CMap为其存储的每个数据都附带一个关键字，并以关键字所组成的一个hash表作为索引，从而使得元素搜索、增加和删除操作都具备很高的效率。

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