使用C++构建嵌入式开发框架
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关键词：框架 C++ ARM Nucleus MFC EFC 面向对象
1 框架概述
1.1 什么是框架
国外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独立的构件，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、独立化和信息隐藏等特征。框架提供了一个大粒度的重用技术，即不仅支持源代码级的重用，而且支持分析和设计以及体系结构的重用，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，它要求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晰，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”，以保证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序，实现“零代码编写”的理想目标。
1.2 如何设计框架
目前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序去分析、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序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，包括设计用户与框架间的交互、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开发中得到了广泛的应用，但在嵌入式开发领域，由于嵌入式开发的多样性及嵌入式操作系统的多样性，目前还没有一套完整的开发框架可供使用。因此，在嵌入式软件开发中常常是从底层做起，应用程序和RTOS密不可分。这样的开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开发框架。由于框架全部采用C++开发，没有和处理器相关的汇编代码，所以在其它硬件平台可不加修改地使用。如果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提供给上层应用程序的接口不变，所以应用程序不需要修改代码。
图2 EFC静态结构图
就软件的层次来说，EFC是一个操作系统之上、应用程序之下的中间件，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）以及高级中断（HISR）等基本服务的封装。为上层应用程序提供更高级的统一编程接口，它样就使应用软件的开发与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、应用程序以及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）；应用程序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）中用类和它们之间的关系描述系统的一种图示。类用类名、类的属性以及操作来表示，在图中为简单起见，省略了属性和操作；类与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中可以看出，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以及应用程序开发中大量使用。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，提供使用非常直观方便的运算符（例如+，+=，=，==，！=）和一些Todouble()、Tolong()、Tohex()等）；CArray是具有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有很高的效率。
2.2 RTOS的抽象和封装
CRTObject是一个EFC中最基础的类，它不但是EFC中CRTApp、CDevice等类的基类，而且可以作为所有使用EFC的嵌入式开发人员定义新的类的超类。CRTObject类在EFC中主要承担RTOS抽象和封装任务。它提供了下面一些最基本的功能：
*CRTObject对RTOS的常用对象进行了封装，提供包括Task、Driver、Timer、Event Group、Semaphore、Queue、Pipe、Mailbox等的创建、删除、查找等功能的成员函数。这些函数提供了一个简单有效的方法来使用RTOS的对象。使用这些函数能够保证对象创建与销毁的安全性，而不会造成内存泄漏。
*CRTObject提供了对RTTI（Run-Time Type Information，运行时类型信息）的支持，在新的C++标准中，RTTI已经是C++的一个功能，但并不是所有的编译器都提供支持这些新特性，ADS1.2就不支持。所以在这里参考MFC，通过宏的方式为每个类定义一个CRuntimeClass类型的静态常量和相关的成员函数。CRuntimeClass结构保证了类型的静态常量和相关的成员函数。CRuntimeClass结构保存了类的名称、大小等信息，这样我们就能在程序运行时确定对象的具体类型。
*CRTObject还提供了把类的成员函数作为任务及定时器的回调函数的功能。在Nucleus中，任务和定时器的回调函数只能是全局函数或者类的静态成员函数，这在面向对象的开发中很不方便。这里通过把成员函数指针和对象的this指针作为参数传递给RTOS，在RTOS调用公共回调函数时再取出来。通过函数指针的方式去调用类的成员函数，这样把有派生于CRTObject的类就可方便地使用成员函数作为任务、定时器等对象的回调函数。
2.3 应用程序类CRTApp
CRTApp类用来定义整个应用程序对象，提供系统初始化、管理其它对象以及运行应用程序的功能。任何使用EFC框架的应用程序有且只能有一个派生于此类的对象。CRTApp对象中包含了动态创建的CMessage、CEventLog、CDevice及Cuser对象。
通过在Nucleus的入口函数Application_Initialize中创建系统初始化任务（回调函数为CRTApp类的成员函数InitTask），来把系统控制权交给CRTApp对象，在其中完成其它对象的创建、系统的配置以及初始化任务。
2.4 文件系统
在嵌入式设备中通常使用Flash存储器来保存程序代码和数据，每片Flash一般由一定数量大小不等的扇区组成。它在读取方面与普通RAM存储器类似，可以实现随机的读取，但在写入操作上却有很大的不同。Flash中只有空白的单元才可以进行写入操作，要向非空的单元写入数据，需要先擦除整个扇区。所以程序中如果直接对Flash进行操作会很不方便。最好的办法就是在其上构造一个文件系统，文件系统提供简便、可靠的接口供上层使用，而把复杂的操作屏蔽在文件系统内部。
这里文件系统包括内存文件系统和Flash文件系统。CFile是一个抽象类，只是定义文件系统的接口函数（例如Open、Read、Write、Seek、GetLength、Close等），具体的实现在CMemFile（内存文件）及CFlashFile（Flash文件）类中完成。
2.5 设备管理
在EFC中，设备管理由CDevice、CBoard、CInterface及其派生类完成。CDevice类代表整个设备，1个设备中包含1到多个CBoard对象，而每个CBoard对象中又包含0个到多个接口对象（CInterface类的派生类对象）。这样以来，嵌入式设备（仅限通信领域）都可由这几个类组合而成，大大简化了软件的设计。
2.6 命令处理
CMessage类是系统的命令处理模块，它直接派生于CRTObject类。它的功能主要是接收网管软件通过串口或网口发送未来的各种命令，完成对设备的配置管理、性能管理、告警管理、安全管理和维护管理等管理功能。CMessage类主要有表1所列的任务。
表1 CMessage类中的任务
| 任务名称 | 任务处理函数 | 说 明 |
| TCP服务器监听任务 | TCPServerTask | 用于监听客户端的连接请求 |
| TCP响应任务 | TCPEchoTask | 对每客户端的连接都创建一响应任务 |
| 串口任务 | UartTask | 通过串口对系统进行管理 |
| TFTP备分份任务 | TFTPClientPutTask | 备份应用程序和系统配置文件 |
| TFTP升级任务 | TFTPClientGetTask | 用于升级应用程序及修改用户配置文件 |
2.7 其它模块
CFlash类封装对Flash芯片的操作，主要包括读、写、擦除等操作。从图2可以看出，CEventLog和CFlashFile类中都包含CFlash对象；CEventLog类记录系统中的发生的事件以及系统运行过程中产生的告警信息。为了实现掉电保存功能，这些事件都保存在Flash芯片中；Cuser类用来对系统的用户进行管理，防止对系统非授权的访问。
3 使用EFC的设计方案举例
这里以在通信和工业自动化领域使用较多的串口服务器为例，来说明使用FEC嵌入式开发框架的设计方案。串口服务器是一种可把多路异步RS232/RS485串行数据与通过以太网口传送的TCP/IP数据包进行相互转换，使传统的异步串行数据信息能通过Internet或Intranet传送或共享的设备。
设每个串口对应TCP/IP的一个端口，则可画出图3所示的静态结构图（图中SerSvr是Server的简写）。
从图3可以看出，共对五个类进行了派生。CSerSvrMessage类派生于CMessage类，用于通过网管对串口服务器进行管理（这里具体命令略）；CserSvrDevice类派生于CDevice类，代表串口服务器设备；CserSvrDevice类对象中有一个或多个派生于CBoard类的CserSvrBoard类对象，而每个CserSvrBoard类对象拥有一个或多个派生于CasyInterface类的CSerSvrInterface类对象；ScerSvrApp类派生于CRTApp类，代表整个应用程序，并重载了虚函数OnCreateMessage()及OnCreateDevice（），用来在其中创建系统的CSerSvrMessage和CserSvrDevice类的实例来代替系统默认的CMessage和CDevice实例。
图3 串口服务器系统软件静态结构图
串口类CSerSvrInterface的设计是整个设计的关键，在每个串口类中都有一个TCP监听任务TCPServerTask用来作为服务器去监听客户端的连接；一个TCP客户端任务TCPClientTask用来连接其它服务器。无论是通过TCPServerTask还是TCPClientTask建立连接后，就挂起这两个任务而启动另外两个任务TCPSendTask和TCPRecvTask，它们分别用来通过网口发送数据和接收数据。TCPSendTask每隔10ms（对波特率为115.2K的情况，10ms最多收到的字节数为115200/（8+2）/1000*10=115.2字节，所以串口的FIFO应大于116字节）把从串口读到的数据打包从网口发送出去；而TCPTecvTask使用阻塞方式读取网口数据。在读到数据后，根据串口发送缓冲区的情况慢慢通过串口往外发送，没发送完之前就不进行下一次从网口的数据读取。这样把串口类设计成一个完备的处理类，设备中每块板有多少串口就在CSerSvrBoard类的实例中有多少CSerSvrInterface类的实例。硬件模块化的结构简单地对应软件模块化的结构。
结语
本文讲述了在嵌入式软件开发中使用C++构建系统开发框架的方法，并给出了框架的模型和应用实例。可以看出，使用面向对象的框架技术对于提高开发效率、降低开发难度、规范开发模式、便于软件的移植和维护方面，具有传统面向过程的开发方法不可比拟的优势。
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