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嵌入式的标签多为：低配，偏硬件，底层，资源紧张，代码多以C语言，汇编为主，代码应用逻辑简单。但随着AIOT时代的到来，局面组件改变。芯片的性能资源逐渐提升，业务逻辑也逐渐变得复杂，相对于代码的效率而言，代码的复用可移植性要求越来越高，以获得更短的项目周期 和更高的可维护性。下面是AIOT时代嵌入式设备的常见的软件框架。
设计模式
设计模式的标签：高级语言 ，高端，架构等。在AIOT时代，设计模式与嵌入式能擦出怎样的火花？设计模式可描述为：对于某类相似的问题，经过前人的不断尝试，总结出了处理此类问题的公认的有效解决办法。
嵌入式主要以C语言开发，且面向过程，而设计模式常见于高级语言（面向对象），目前市面上描述设计模式的书籍多数使用JAVA 语言，C语言能实现设计模式吗？设计模式与语言无关，它是解决问题的方法，JAVA可以实现，C语言同样可以实现。同样的，JAVA程序员会遇到需要用模式来处理的问题，C程序员也可能遇见，因此设计模式是很有必要学习的。
模式陷阱：设计模式是针对具体的某些类问题的有效解决办法，不是所有的问题都能匹配到对应的设计模式。因此，不能一味的追求设计模式，有时候简单直接的处理反而更有效。有的问题没有合适的模式，可以尽量满足一些设计原则，如开闭原则（对扩展开放，对修改关闭）
观察者模式
情景
在对象之间定义一个一对多的依赖，当一个对象状态改变的时候，所有依赖的对象都会自动收到通知。
实现
主题对象提供统一的注册接口，以及注册函数 。由观察者本身实例化observer_intf 接口，然后使用注册函数，添加到对应的主题列表中，主题状态发生改变，依次通知列表中的所有对象。
?
?struct?observer_ops
?{
?????void*(handle)(uint8_t?evt);??
?};
?struct?observer_intf
?{
?????struct?observer_intf*?next;
?????const?char*?name;
?????void*?condition;
?????const?struct?observer_ops?*ops;
?}
?int?observer_register(struct?topical*?top?,?struct?observer_intf*?observer);
?
当主题状态发生改变，将通知到所有观察者，观察者本身也可以设置条件，是否选择接收通知
?
?struct?observer_intf?observer_list;
?????
?void?XXXX_topical_evt(uint8_t?evt)
?{
??????struct?observer_intf*?cur_observer?=?observer_list.next;
??????uint8_t*?condition?=?NULL;
??????while(cur_observer?!=?NULL)
??????{
??????????condition?=?(uint8_t*）cur_observer->condition;
??????????if(NULL?==?condition?||?(condition?&&?*condition)）
??????????{
??????????????if(cur_observer->ops->handle){
??????????????????cur_observer->ops->handle(evt);
??????????????}???????
??????????}
??????????cur_observer?=?cur_observer->next;
??????}
?}
?
实例：嵌入式裸机低功耗框架
设备功耗分布
其中线路损耗，电源电路等软件无法控制，故不讨论。板载外设，如传感器可能通过某条命令配置进入低功耗模式，又或者硬件上支持控制外设电源来控制功耗。片内外设，及芯片内部的外设，通过卸载相关驱动，关闭时钟配置工作模式来控制功耗。
设备唤醒方式
当系统某个定时事件到来时，系统被主动唤醒处理事件
系统处于睡眠，被外部事件唤醒，如串口接收到一包数据，传感器检测到变化，通过引脚通知芯片
被动唤醒
主动唤醒
系统允许睡眠的条件
外设无正在收发的数据
缓存无需要处理的数据
应用层状态处于空闲（无需要处理的事件）
基于观察者模式的PM框架实现
PM组件提供的接口
?
struct?pm
{
????struct?pm*?next;
????const?char*?name;
???void(*init)(void);
????void(*deinit(void);
????void*?condition;
};
static?struct?pm?pm_list;
static?uint8_t?pm_num;
static?uint8_t?pm_status;
?????????
int?pm_register(const?struct?pm*?pm?,?const?char*?name)
{
?????struct?pm*?cur_pm?=??&pm_list;
?????while(cur_pm->next)
?????{
?????????cur_pm?=?cur_pm->next;
?????}
?????cur_pm->next?=?pm;
?????pm->next?=?NULL;
?????pm->name?=?name;
?????pm_num++;
}
?
void?pm_loop(void)
{
????uint32_t?pm_condition?=?0;
????struct?pm*?cur_pm?=??pm_list.next;
????static?uint8_t?cnt;
????
????/*check?all?condition*/
????while(cur_pm)
????{
????????if(cur_pm->condition){
?????????pm_condition?|=??*((uint32_t*)(cur_pm->condition));
????????}
????????cur_pm?=?cur_pm->next;
????}
????if(pm_condition?==?0)
????{
??????cnt++;
????????if(cnt>=5)
????????{
????????????pm_status?=?READY_SLEEP;
????????}
????}
????else
????{
????????cnt?=?0;
????}
????if(?pm_status?==?READY_SLEEP)
????{
?????????cur_pm?=??pm_list.next;
?????????while(cur_pm)
?????????{
?????????????if(cur_pm->deinit){
????????????????cur_pm->deinit();
?????????????}
?????????????cur_pm?=?cur_pm->next;
?????????}
????????pm_status?=?SLEEP;
????????ENTER_SLEEP_MODE();
????}???
????/*sleep--->wakeup*/
????if(pm_status?==?SLEEP)
????{
?????????pm_status?=?NORMAL;
?????????cur_pm?=??pm_list.next;
?????????while(cur_pm)
?????????{
?????????????if(cur_pm->init){
????????????????cur_pm->init();
?????????????}
?????????????cur_pm?=?cur_pm->next;
?????????}
????}
}
?
外设使用PM接口
?
struct?uart_dev { ?... ?struct?pm?pm; ????uint32_t?pm_condition;? }; struct?uart_dev?uart1; ? void?hal_uart1_init(void); void?hal_uart1_deinit(void); ???? void?uart_init(void) { ????uart1.pm.init?=??hal_uart1_init; ????uart1.pm.deinit?=??hal_uart1_deinit; ????uart1.pm.condition?=?&uart1.pm_condition; ????pm_register(&uart1.pm?,?"uart1"); } /*接下来串口驱动检查缓存?，?发送?，?接收是否空闲或者忙碌?，?给uart1.pm_condition赋值*/
?
结论
PM 电源管理可以单独形成模块，当功耗外设增加时，只需实现接口，注册即可
通过定义段导出操作，可以更加简化应用层或外设的注册逻辑
方便调试，可以很方便打印出系统当前为满足睡眠条件的模块
通过条件字段划分，应该可以实现系统部分睡眠
职责链模式
情景
在现实生活中，一个事件(任务)需要经过多个对象处理是很常见的场景。如报销流程，公司员工报销， 首先员工整理报销单，核对报销金额，有误则继续核对整理，直到无误，将报销单递交到财务，财务部门进行核对，核对无误后，判断金额数量，若小于一定金额，则财务部门可直接审批，若金额超过范围，则报销单流传到总经理，得到批准后，整个任务才算结束。类似的情景还有很多，如配置一个WIFI模块，通过AT指令，要想模块正确连入WIFI ， 需要按一定的顺序依次发送配置指令 ， 如设置设置模式 ，设置 需要连接的WIFI名，密码，每发送一条配置指令，模块都将返回配置结果，而发送者需要判断结果的正确性，再选择是否发送下一条指令或者进行重传。
总结起来是，一系列任务需要严格按照时间线依次处理的顺序逻辑，如下图所示:
在存在系统的情况下，此类逻辑可以很容易的用阻塞延时来实现，实现如下：
?
void?process_task(void)
{
????task1_process();
????msleep(1000);
????
????task2_process();
????mq_recv(¶m?,?1000);
????
????task3_process();
????while(mq_recv(¶m?,?1000)?!=?OK)
????{
????????if(retry)
????????{
?????????????task3_process();
?????????????--try;
????????}
????}
}
?
在裸机的情况下，为了保证系统的实时性，无法使用阻塞延时，一般使用定时事件配合状态机来实现：
?
void?process_task(void)
{
?????switch(task_state)
?????{
?????????case?task1:
?????????????task1_process();
?????????????set_timeout(1000);break;
?????????case?task2:
?????????????task1_process();
?????????????set_timeout(1000);break;
?????????case?task3:
?????????????task1_process();
?????????????set_timeout(1000)break;
?????????default:break;
?????}
}
/*定时器超时回调*/
void?timeout_cb(void)
{
????if(task_state?==?task1)
????{
????????task_state?=?task2;
????????process_task();
????}
????else??//task2?and?task3
????{
????????if(retry)
????????{
????????????retry--;
?????????????process_task();
????????}
????}
}
/*任务的应答回调*/
void?task_ans_cb(void*?param)
{
????if(task==task2)
????{
????????task_state?=?task3;
????????process_task();
????}
}
?
和系统实现相比，裸机的实现更加复杂，为了避免阻塞，只能通过状态和定时器来实现顺序延时的逻辑，可以看到，实现过程相当分散，对于单个任务的处理分散到了3个函数中处理，这样导致的后果是：修改，移植的不便。而实际的应用中，类似的逻辑相当多，如果按照上面的方法去实现，将会导致应用程序的强耦合。
实现
可以发现，上面的情景有以下特点：
任务按顺序执行，只有当前任务执行完了(有结论，成功或者失败)才允许执行下一个任务
前一个任务的执行结果会影响到下一个任务的执行情况
任务有一些特性，如超时时间，延时时间，重试次数
通过以上信息，我们可以抽象出这样一个模型：任务作为节点， 每一个任务节点有其属性：如超时，延时，重试，参数，处理方法，执行结果。当需要按照顺序执行一系列任务时，依次将任务节点串成一条链，启动链运行，则从任务链的第一个节点开始运行，运行的结果可以是 OK , BUSY ,ERROR 。若是OK, 表示节点已处理，从任务链中删除，ERROR 表示运行出错，任务链将停止运行，进行错误回调，可以有用户决定是否继续运行下去。BUSY表示任务链处于等待应答，或者等待延时的情况。当整条任务链上的节点都执行完，进行成功回调。
node数据结构定义
?
/*shadow?node?api?type?for?req_chain?src*/ typedef?struct?shadow_resp_chain_node { ?uint16_t?timeout; ?uint16_t?duration; ?uint8_t?init_retry; ?uint8_t?param_type; ?uint16_t?retry; ?/*used?in?mpool*/ ???struct?shadow_resp_chain_node*?mp_prev; ?struct?shadow_resp_chain_node*?mp_next; ? ????/*used?resp_chain*/ ?struct?shadow_resp_chain_node*?next; ? ?node_resp_handle_fp?handle; ?void*?param; }shadow_resp_chain_node_t;
?
node内存池
使用内存池的必要性：实际情况下，同一时间，责任链的条数，以及单条链的节点数比较有限，但种类是相当多的。比如一个支持AT指令的模块，可能支持几十条AT指令，但执行一个配置操作，可能就只会使用3-5条指令，若全部静态定义节点，将会消耗大量内存资源。因此动态分配是必要的。
初始化node内存池，内存池内所有节点都将添加到free_list。当申请节点时，会取出第一个空闲节点，加入到used_list , 并且接入到责任链。当责任链某一个节点执行完，将会被自动回收（从责任链中删除，并从used_list中删除，然后添加到free_list）
职责链数据结构定义
?
typedef?struct?resp_chain
{
???bool?enable;???????????????//enble?==?true?责任链启动?
?bool??is_ans;??????????????//收到应答，与void*?param?共同组成应答信号
?
?uint8_t?state;????????????
?const?char*?name;
?void*?param;
?TimerEvent_t?timer;
?bool?timer_is_running;
?shadow_resp_chain_node_t?node;????????//节点链
?void(*resp_done)(void*?result);???????//执行结果回调
}resp_chain_t;
?
职责链初始化
?
void?resp_chain_init(resp_chain_t*?chain?,??const?char*?name?,? ????????????????????????????????????????????void(*callback)(void*?result))??????????????????? { ???RESP_ASSERT(chain); ?/*only?init?one?time*/ ?resp_chain_mpool_init(); ? ???chain->enable?=?false; ?chain->is_ans?=?false; ?chain->resp_done?=?callback; ?chain->name?=?name; ? ?chain->state?=?RESP_STATUS_IDLE; ?chain->node.next?=?NULL; ?chain->param?=?NULL; ? ?TimerInit(&chain->timer,NULL); }
?
职责链添加节点
?
int?resp_chain_node_add(resp_chain_t*?chain?,?
????????????????????????node_resp_handle_fp?handle?,?void*?param)
{
???RESP_ASSERT(chain);
?BoardDisableIrq();??
?shadow_resp_chain_node_t*?node?=?chain_node_malloc();
?if(node?==?NULL)
?{
????BoardEnableIrq();
????RESP_LOG("node?malloc?error?,no?free?node");
??return?-2;
?}
?/*初始化节点，并加入责任链*/
?shadow_resp_chain_node_t*?l?=?&chain->node;
?while(l->next?!=?NULL)
?{
??l?=?l->next;
?}
?l->next?=?node;
?node->next?=?NULL;?
?node->handle?=?handle;
?node->param?=?param;
?node->timeout?=?RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_TIMEOUT;
?node->duration?=?RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_DURATION;
?node->init_retry?=?RESP_CHIAN_NODE_DEFAULT_RETRY;
?node->retry?=?(node->init_retry?==?0)??0?:(node->init_retry-1);
?BoardEnableIrq();
?return?0;
}
?
职责链的启动
?
void?resp_chain_start(resp_chain_t*?chain)
{
???RESP_ASSERT(chain);
?chain->enable?=?true;
}
?
职责链的应答
?
void?resp_chain_set_ans(resp_chain_t*?chain?,?void*?param)
{
?RESP_ASSERT(chain);
???if(chain->enable)
?{
??chain->is_ans?=?true;
??if(param?!=?NULL)
?????chain->param?=?param;
??else
??{
???chain->param?=?"NO?PARAM";
??}
?}
}
?
职责链的运行
?
int?resp_chain_run(resp_chain_t*?chain)
{?
?RESP_ASSERT(chain);
?if(chain->enable)
?{
????shadow_resp_chain_node_t*?cur_node?=?chain->node.next;
????/*maybe?ans?occur?in?handle,so?cannot?change?state?direct?when?ans?comming*/
????if(chain->is_ans)
??{
???chain->is_ans?=?false;
???chain->state?=?RESP_STATUS_ANS;
??}??
???
??switch(chain->state)
??{
???case?RESP_STATUS_IDLE:
???{
????if(cur_node)
????{
???????uint16_t?retry?=?cur_node->init_retry;
?????if(cur_node->handle)
?????{
????????cur_node->param_type?=?RESP_PARAM_INPUT;
??????chain->state?=?cur_node->handle((resp_chain_node_t*)cur_node???????????????????????????????????????????????????????????????,cur_node->param);
?????}
?????else
?????{
?????????RESP_LOG("node?handle?is?null?,goto?next?node");
??????chain->state?=?RESP_STATUS_OK;
?????}
?????if(retry?!=?cur_node->init_retry)
?????{
??????cur_node->retry?=?cur_node->init_retry>0?(cur_node-??????????????????????????????????????????????????????>init_retry-1):0;???????????????????????
?????}
????}
????else
????{
???????if(chain->resp_done)
?????{
??????chain->resp_done((void*)RESP_RESULT_OK);
?????}
?????chain->enable?=?0;
?????chain->state?=?RESP_STATUS_IDLE;
?????TimerStop(&chain->timer);
?????chain->timer_is_running??=?false;
????}
????break;
???}
???case?RESP_STATUS_DELAY:
???{
????if(chain->timer_is_running?==?false)
????{
???????chain->timer_is_running??=?true;
?????TimerSetValueStart(&chain->timer?,?cur_node->duration);
????}
????if(TimerGetFlag(&chain->timer)?==?true)
????{
?????chain->state?=?RESP_STATUS_OK;
?????chain->timer_is_running??=?false;
????}
?????break;?
???}
???case?RESP_STATUS_BUSY:
???{
??????/*waiting?for?ans?or?timeout*/
??????if(chain->timer_is_running?==?false)
????{
???????chain->timer_is_running??=?true;
?????TimerSetValueStart(&chain->timer?,?cur_node->timeout);
????}
????if(TimerGetFlag(&chain->timer)?==?true)
????{
?????chain->state?=?RESP_STATUS_TIMEOUT;
?????chain->timer_is_running??=?false;
????}
????break;
??????}
???case?RESP_STATUS_ANS:
?????{
??????/*already?got?the?ans,put?the?param?back?to?the?request?handle*/
??????TimerStop(&chain->timer);
????chain->timer_is_running??=?false;
????if(cur_node->handle)
????{
?????cur_node->param_type?=?RESP_PARAM_ANS;
?????chain->state?=?cur_node->handle((resp_chain_node_t*)cur_node?,?????????????????????????????????????????????????????????????????chain->param);
????}
????else
????{
?????RESP_LOG("node?handle?is?null?,goto?next?node");
?????chain->state?=?RESP_STATUS_OK;
????}
????break;
???}
???case?RESP_STATUS_TIMEOUT:
???{
????if(cur_node->retry)
????{
?????cur_node->retry--;?
?????/*retry?to?request?until?cnt?is?0*/
?????chain->state?=?RESP_STATUS_IDLE;
????}
????else
????{
?????chain->state?=?RESP_STATUS_ERROR;
????}
????break;
???}
???case?RESP_STATUS_ERROR:
???{
??????if(chain->resp_done)
????{
???????chain->resp_done((void*)RESP_RESULT_ERROR);
????}
????chain->enable?=?0;
????chain->state?=?RESP_STATUS_IDLE;
????TimerStop(&chain->timer);
????chain->timer_is_running??=?false;
????cur_node->retry?=?cur_node->init_retry>0?(cur_node->init_retry-1):0;
????chain_node_free_all(chain);
????break;
???}
???case?RESP_STATUS_OK:
???{
??????/*get?the?next?node*/
??????cur_node->retry?=?cur_node->init_retry>0?(cur_node->init_retry-1):0;
????chain_node_free(cur_node);
????chain->node.next?=?chain->node.next->next;
????chain->state?=?RESP_STATUS_IDLE;
????break;
???}
??????default:
?????break;
??}
?}
?return?chain->enable;
}
?
测试用例
定义并初始化责任链
?
void?chain_test_init(void)
{
????resp_chain_init(&test_req_chain?,?"test?request"?,?test_req_callback);
}
?
定义运行函数，在主循环中调用
?
void?chain_test_run(void)
{
????resp_chain_run(&test_req_chain);
}
?
测试节点添加并启动触发函数
?
void?chain_test_tigger(void)
{
????resp_chain_node_add(&test_req_chain?,??node1_req?,NULL);
????resp_chain_node_add(&test_req_chain?,??node2_req,NULL);
????resp_chain_node_add(&test_req_chain?,??node3_req,NULL);
????resp_chain_start(&test_req_chain);
}
?
分别实现节点请求函数
?
?/*延时1s?后执行下一个节点*/
?int?node1_req(resp_chain_node_t*?cfg,?void*?param)
?{
?????cfg->duration?=?1000;
?????RESP_LOG("node1?send?direct?request:?delay?:%d?ms"?,?cfg->duration);
?????return?RESP_STATUS_DELAY;
?}
?/*超时时间1S?，?重传次数5次*/?
?int?node2_req(resp_chain_node_t*?cfg?,?void*?param)
?{
?????static?uint8_t?cnt;
?????if(param?==?NULL)
?????{
?????????cfg->init_retry?=?5;
?????????cfg->timeout??=?1000;
?????????RESP_LOG("node2?send?request?max?retry:%d?,?waiting?for?ans...");
?????????return?RESP_STATUS_BUSY;
?????}
?????RESP_LOG("node2?get?ans:?%d",(int)param);
?????return?RESP_STATUS_OK;
?}
?/*非异步请求*/??
?int?node3_req(resp_chain_node_t*?cfg?,?void*?param)
?{
?????RESP_LOG("node4?send?direct?request");
?????return?RESP_STATUS_OK;
?}
?
?void?ans_callback(void*?param)
?{
?????resp_chain_set_ans(&test_req_chain?,?param);
?}
?
结论
实现了裸机处理 顺序延时任务
较大程度的简化了应用程的实现，用户只需要实现响应的处理函数 ， 调用接口添加，即可按时间要求执行
参数为空，表明为请求 ，否则为应答。（在某些场合，请求可能也带参数，如接下来所说的LAP协议，此时需要通过判断参数的类型）
工商网监
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