嵌入式技术基础与实践-学习札记（三）

嵌入式技术基础与实践-学习札记（三）

嵌入式硬件构件

概念

嵌入式硬件构件是指将一个或多个硬件功能模块，支撑电路及其功能描述封装成一个可重用的硬件实体，并提供一系列规范的输入/输出接口。硬件模块是硬件构件的组成部分，一个硬件构件可能包含多个硬件功能模块。

分类

根据接口之间的生产消费关系，接口可分为供给接口和需求接口两类。根据所拥有的接口类型的不一样，硬件构件分为核心构件、中间构件和终端构件。

• 核心构件只有供给结构，没有需求接口。也就是说，只为其余硬件构件提供服务，而不接受服务。例如芯片的硬件最小系统
• 中间构件既有需求接口又有供给接口。例如电源控制构件，\(232\)电平转换构件。
• 终端构件只有需求接口，它只接受其余构件提供的服务。例如\(LCD\)构件，\(LED\)构件，键盘构件。

利用硬件构件进行嵌入式系统硬件设计以前，应该进行硬件构件的合理划分，按照必定规则，设计与系统目标无关的构件个体，而后进行“组装”，完成具体系统的硬件设计。

电路图设计简明规则

在绘制原理图时，一个硬件构件使用一个虚线框，把硬件构件的电路及其文字描述括在其中，对外接口引出到虚线框外，填上接口网标。

1. 硬件构件设计的通用规则

(1)、元器件命名格式：对于核心构件，其元器件直接编号命名，同种类型的元件命名时冠以相同字母前缀。如电阻\(R1,R2\)。对于中间构件和终端构件，其元器件命名格式采用“构件名-标志字符？“。例如，\(LCD\)构件的电阻名为\(LCD-C1\)。当构件原理图应用到具体系统时，可借助原理图编辑软件自动编号。

(2)、为硬件构件添加详细的文字描述，包括中文名称、英文名称、功能描述、接口描述、注意事项等，以加强原理图的可读性。

(3)、前两步产生的内容封装在一个虚线框内，组成硬件构件的内部实体。

(4)、为该硬件构件添加与其余构件交互的输入/输出接口标识。接口标识有两种：

• 接口注释标于虚线框内，是为构件接口所作的解释性文字。
• 接口网标位于虚线框外，且具备电路链接特性。

2. 核心构件设计规则

设计核心构件时，须要考虑的问题是：“核心构件能为其余构件提供哪些信号？“

核心构件其实就是某型号\(MCU\)的硬件最小系统。核心构件设计的目标是：凡是使用该\(MCU\)进行硬件系统设计时，核心构件能够直接“组装”到系统中，无需任何改动。

在进行接口设计时，须要将全部可能使用到的引脚都标注上接口网标。若同一引脚具备不一样的功能，则接口网标依据第一功能命名。

3. 中间构件设计规则

设计中间构件时，须要考虑的问题是：”中间构件须要接受哪些信号，以及提供哪些信号？”

一个中间构件应具备明确的且相对独立的功能，它既要有接受其余构件提供的服务的接口，即需求接口，又要有为其余构件提供服务的接口，即供给接口。描述需求接口采用接口注释，处于虚线框内，描述供给接口采用接口网标，处于虚线框外。

将构件的需求接口放置在构件实体的左侧，供给接口放置在右侧。接口网标的命名规则是：构件名称-引脚信号/功能名称。

4. 终端构件设计规则

设计终端构件时，须要考虑的问题是：”终端构件须要什么信号才能工做？“

它仅有与上一级构件交互的需求接口，于是街廓标识均为斜体标注的接口注释。

使用硬件构件化思想设计嵌入式硬件系统的过程与步骤以下：

1. 根据系统的功能划分出若干个硬件构件。
2. 将全部的硬件构件原理图”组装“在一块儿
3. 为中间构件和终端构件添加接口网标。

嵌入式底层驱动构件的概念与层次模型

嵌入式系统中，驱动程序是直接工做在各类硬件设备上的软件，是硬件和高层软件之间桥梁。

嵌入式底层驱动构件的概念

• 构件\((Component)\)是可重用的实体，它包含合乎规范的接口和功能实现，可以被独立部署和被第三方组装。

• 软件构件是指，在软件系统中具备相对独立功能、能够明确辨识的构件实体。
• 嵌入式软件构件是实现必定嵌入式系统功能的一组封装的、规范的、可重用的、具备嵌入式特性的软件构件单元。是组织嵌入式系统功能的基本单位。

• 嵌入式底层驱动构件，简称底层驱动构件或硬件驱动构件，是直接面向硬件操做系统的程序代码及使用说明。规范的底层驱动构件由头文件及源程序文件构成。头文件是底层驱动构件简明且完备的使用说明，也就是说，不须要查看源程序文件，就可以使用该构件进行下一层程序的开发。

嵌入式硬件构件和软件构件的层次模型

在硬件构件层中，相对于核心构件而言，中间构件和终端构件是核心构件的”外设“。由这些”外设“的驱动程序封装而成的软件构件成为底层外设构件。

由上图能够看出，底层外设构件能够调用底层内部构件，如\(LCD\)构件能够调用\(GPIO\)驱动构件。而高层构件能够调用底层外设构件和底层内部构件中的功能构件，而不能直接调用\(GPIO\)驱动构件。另外，几乎全部的底层内部构件都涉及\(MCU\)各类寄存器额使用，所以将\(MCU\)的全部寄存器定义组织在一块儿，造成\(MCU\)头文件。

底层驱动构件的封装规范

构件设计的基本思想与基本原则

1. 构件设计的基本思想

   底层构件被组织成具备必定独立性的功能模块，由头文件和源程序文件两部分组成。构件的头文件名和源程序名一致，且为构件名。

   构件的头文件中，主要包含必要的引用文件、描述构件功能特性的宏定义语句以及声明对外接口函数。

   构件的源程序文件中包含构件的头文件，内部函数声明、对外接口函数的实现。

   尽可能作到：当一个底层构件应用到不一样系统中时，仅需修改构件的头文件，对于构件的源程序文件则没必要要修改或改动很小。

2. 构件设计的基本原则

   良好的底层驱动具备如下特性：

   • 封装性。即内部实现的调整不会影响构件调用者的使用。

   • 描述性。构件必须提供规范的函数名称、接口信息，参数含义与范围、必要的注意事项等。

   • 可移植性。一样功能的构件，作到不改动或少改动，而方便的移植到同系列及不一样系列芯片内。

   • 可复用性。高层调用者对构件的使用不会因底层实现的变化而有所改变。

   一、层次化原则

   • 针对应用场景和服务对象，分层组织构件。设计底层驱动构件的过程当中，有一些与处理器相关的、描述了芯片寄存器映射的内容，这些是全部底层驱动构件都须要使用的，将这些内容组织成底层驱动的公共内容，做为底层驱动构件的基础。

   • 在构件的层次模型中，上层构件能够调用下层构件提供的服务，同一层次的构件不存在相互依赖关系，不能相互调用。

   二、易用性原则

   • 函数名简洁且达意；接口参数清晰，范围明确，使用说明语言精炼规范，避免二义性。

   三、鲁棒性原则

   • 再明确函数输入输出的取值范围，提供清晰接口描述的同时，在函数实现内部要有对输入输出参数的检测，对超出合法范围的输入参数进行必要的处理。

   四、内存可靠使用原则

   • 优先使用静态分配内存。
   • 谨慎使用变量。
   • 检测空指针。
   • 检测缓冲区溢出，并为内存中的缓冲区预留不小于\(20\%\)的冗余。

编码风格基本规范

命名基本原则：

• 命名清晰明了，有明确含义，使用完整单词或约定俗称的缩写。

• 命名风格要自始至终保持一致。

• 为了代码的复用，命名中应避免使用与具体项目相关的前缀。

• 为了便于管理，对程序实体的命名要体现出所属构件的名称。

• 使用英文命名。

• 除宏命名外，名称字符所有小写，以”_”做为单词的分隔符。

  一、文件的命名

  • 底层驱动构件在具体设计时分为两个文件，头文件，源文件，命名格式为 <硬件模块名称> .后缀。

  二、函数的命名

  • 底层驱动构件的函数从属于驱动构件，驱动函数的命名除了要体现函数功能外，还须要使用命名前缀和后缀标识其所属的构件及不一样的实现方式。
  • 函数名前缀：底层驱动构件中定义的所用函数均使用” <构件名> _“前缀标识其所属的驱动构件模块。
  • 函数名后缀：对同一服务的不一样方式的实现，使用后缀加以区分。

  三、函数形参变量与函数内局部变量的命名

  • 函数形参变量：函数形参变量名应直观代表参数意义，若传入的参数是指针类型应使用\(“\_prt”\)后缀加以标识。
  • 局部变量：局部变量的命名与函数形参变量类型。注意通常不取单个字符\((i,j,k)\)进行命名。

  四、宏常量及宏函数的命名

  • 宏常量和宏函数的命名所有使用大写字符，使用下划线为分隔符。

  五、结构体类型的命名、类型定义与变量声明

  • 结构体类型名称使用小写字母命名，定义结构体类型变量时，所有使用大写字母命名。
  • 对结构体内部字段所有使用大写字母命名。
  • 定义类型时，同时声明一个结构体变量和结构体指针变量。

注释

​ 在程序代码中使用注释，说明程序在“作什么”，解释代码的目的，功能和采用的方法。

​ 一、 文件头注释

二、函数头注释

公共要素文件

为某一款芯片编写驱动构件时，不一样的构件存在公共使用的内容，将这些内容以构件的形式组织起来，称为构件公共要素。全部底层驱动都包含对构件公共要素的引用。

1. 芯片寄存器映射文件

   每一个底层驱动构件都是以硬件模块的特殊功能寄存器为操做对象，所以，在\(common.h\)文件中包含描述芯片寄存器映射的头文件。

   还须要将内核及芯片相关文件引用到公共要素中。

2. 移位操做的宏函数

3. 重定义基本数据类型

   在编写嵌入式时要明确使用变量的字长，所以，需根据具体编译器从新定义嵌入式基本数据类型。有利于软件的移植。

头文件的设计规范

1. 编码框架

   编写每一个构件的头文件时，应使用#ifndef……#define……#endif编码结构，防止对头文件的重复包含。

2. 使用宏定义

   使用宏定义标识构件中的常量，为常量提供有意义的别名。

   使用宏函数实现构件对外部请求服务的接口映射。

3. 声明对外接口函数，包含对外接口函数的使用说明

源程序文件设计规范

1. 只容许一处使用#include包含自身头文件。
2. 合理设计与实现对外接口函数与内部函数。
3. 不使用全局变量