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使用C++构建嵌入式开发框架

减小字体 增大字体 作者:佚名  来源:本站整理  发布时间:2009-01-10 22:35:32
【本文由PB创新网为您整理】
摘要:框架作为一种大粒度的重用技术在桌面软件开发中得到了广泛应用,而在嵌入式开发领域,目前还没有一套完整的标准框架可供使用。本文以通信领域的嵌入式软件开发为例,介绍使用C++语言,在ARM平台Nucleus plus操作系统下实现嵌入式开发框架EFC的方法和应用实例。

    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。
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    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

   

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作者:佚名
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