9种单片机常用的软件架构

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 <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 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 <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 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 <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 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 <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 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 <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 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 <reg51.h>

// 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 <reg51.h>

// 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 <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 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 <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义

// 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。