嵌入式常用设计模式

系夏普
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一、架构与调度模式

这是嵌入式系统的骨架，决定了程序执行流程。

1.前后台模式

这个是最基础、最常用的裸机模式。

  • 原理：

    • 后台：一个无限循环（while(1)），负责处理对实时性要求不高的任务（如LCD显示、数据处理）。
    • 前台：中断服务程序，负责处理实时性要求高的事件（如按钮检测，ADC采集，串口接收）。

  • 适用场景： 逻辑简单、低成本、无需RTOS的中小型MCU项目。

  • 代码结构：

    void main() {
    Init();
    while(1) {
        if (flag_10ms) {
            Task_10ms();
            flag_10ms = 0;
        }   // 后台
        if (flag_process_data) {
            ProcessData();
            flag_process_data = 0;
        }
    }
}
void ISR_Timer() {
    flag_10ms = 1;
}

2.时间触发模式

  • 原理： 基于定时器构建一个简单的调度器。将任务划分为不同周期（如10ms，100ms，1s），在定时中断中计数，在主循环中按时间片轮询执行。
  • 优点： 执行时序确定性强，会比单纯的Super Loop更有条理。
  • 缺点： 如果某个任务执行时间过长，会阻塞后续任务，导致“抖动”。

3.分层架构模式

为了解决移植性差的问题，必须将硬件与业务逻辑剥离。

  • 结构：

    1. 硬件层：MCU、外设。
    2. 驱动层：直接寄存器操作，提供API（如Create，Read，Write）。
    3. 中间件/功能模块层：协议层、文件系统、算法库（与硬件无关）。
    4. 应用层：具体的业务逻辑。

  • 核心思想：上层调用下层，下层不依赖上层（通过回调函数除外）。

二、状态管理模式

嵌入式设备本质时状态机（如：待机、运行、故障、设置）。

1.有限状态机

  • 实现方式A：Switch-Case法

    • 最简单，适用于状态比较少的情况。
    • 缺点：随着状态增加，代码变成“面条代码”，难以维护。

  • 实现方式B：函数指针/查表法

    • 原理：定义状态枚举和事件枚举，建立一个二位数组（或结构体数组），存储当前状态、事件-> 下一个状态 & 执行动作。

    • 优点：逻辑清晰，增加状态只需要修改表格，O(1)查找效率。

    • 代码示例：

      typedef struct {
    State_t nextState;
    void (*action)(void);
} StateTrans_t;
​
StateTrans_t stateTable[MAX_STATES][MAX_EVENTS];
​
void HandleEvent(Event_t evt) {
    StateTrans_t *trans = &stateTable[currentState][evt];
    if (trans->action) trans->action();
    currentState = trans->nexState;
}

三、数据处理与通信模式

1.生产者-消费者模式

  • 核心组件：环形缓冲区。
  • 场景：UART接收中断（生产者）高速写入数据，主循环解析任务（消费者）低速读取数据。
  • 作用：解决速率不匹配问题，解耦中断和主线程，防止数据丢失。
  • 注意：需要处理读写指针的原子性（尤其是在裸机中断中）。

2.观察者模式

  • 场景：一个传感器数据（如温度）更新后，需要通知：屏幕显示模块、日志存储模块、网络上传模块。

  • 传统写法：在温度采集函数里直接调用Display_Update(),Log_Write(),Net_Send()。耦合度高。

  • 模式写法：

    • 定义一个“主题”。
    • 各模块注册回调函数到主题列表。
    • 数据更新时，便利列表调用回调。

  • 优点：增加新的接收模块时，不需要修改采集模块的代码。

四、C语言面向对象模式

C语言虽然不是面向对象语言，但在嵌入式驱动开发中，模拟OOP时非常高级且常用的技巧。

1.结构体封装与堕胎

  • 场景：系统中有3个不同的传感器（I2C接口、SPI接口、ADC接口），但上层应用只想调用Sensor_Read()。

  • 实现：

    // 定义接口（基类）
typedef struct {
    uint8_t (*init)(void);
    uint16_t (*read)(void);
} sensor_driver_t;
​
// 具体实现（子类）
uint16_t temp_sensor_read() {/* I2C mode */}
uint16_t light_sensor_read() {/* ADC mode */}
​
// 实例化
sensor_driver_t temp_driver = {.read = temp_sensor_read};
sensor_driver_t light_driver = {.read = light_sensor_read};
​
// 多态调用
void app_read(sensor_driver_t *driver) {
    uint16_t val = driver->read();
}

2.单例模式

  • 场景：硬件资源是唯一的（例如MCU只有一个LCD控制器或一个配置管理器）。
  • 实现：在C语言中，通常通过结构体实例设为static并仅提供get_instance()接口，或者直接隐藏数据结构，只暴露操作API来实现。

五、可靠性与安全模式

1.哨兵模式/看门狗

  • 策略：不要在中断中喂狗，也不要在主循环的一个地方喂狗。

  • 任务流监控模式：

    • 每个关键任务执行完成后设置一个标志位。
    • 仅当所有标志位都置位是，才真正喂硬件看门狗。
    • 这能检测“程序没死机，但某个传感器任务卡死”的情况。

2.双缓冲模式

  • 场景：DMA数据传输（如音频播放、高速ADC采样）

  • 原理：适用两个buffer（A和B）。

    • DMA正在向buffer A写入数据。
    • CPU同时处理buffer B的数据。
    • A写满后，DMA自动切换写B，CPU开始处理A。

  • 作用：提高吞吐量，实现无缝连续的数据流处理。

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