一、介绍

• 分层思想在计算机系统、Linux系统内核、应用层API、驱动模块种广泛存在。实践分层思想，可以使软件层级结构分明，便于管理和维护。各层之间统一接口，可以适配不同的平台和设备，提高软件的跨平台和兼容性。因此提高代码复用率。

• 另一方面模块化思想，也是拆解软件系统的重要思想，通过封装实现细节，提供使用接口。一个项目模块，直接移植到另一个项目中简单修改甚至不用修改就能使用，通过反复验证，稳定性逐渐提高。

1.1 嵌入式面向对象场景

1. STM32 HAL库中，定义 GPIO_TypeDef 指针封装对象， 相当于C++种this，比如下面 HAL_GPIO_ReadPin 操作对象，提供对外接口。

1.2 什么是面向对象？

1. 类（Class）：类是对象的抽象，描述了一组具有相同属性和行为的对象。类定义了对象的模板，它包含了数据成员（属性）和方法（行为）。

2. 对象（Object）：对象是类的一个实例，是内存中存储的具体数据。对象具有类所定义的属性和行为。

1.2.1 封装

1. 数据隐藏：对象数据防止外部直接访问和修改状态，只能通过对象提供过的方法进行访问和操作。

2. 接口暴露：提供一组接口供外部使用对象，接口定义了对象的行为。

3. 信息隐藏：隐藏对象的实现细节和复杂性，使用者只需调用公开接口完成操作。

• 安全性：封装可以防止外部直接访问和修改对象的内部数据，从而保护了数据的安全性。

• 简化接口：封装通过提供清晰简洁的接口，隐藏了对象的复杂实现细节，使得对象的使用更加简单和易于理解。

• 隔离变化：封装可以将对象的内部实现和外部接口分离开来，当对象的内部实现发生变化时，不会影响到外部的使用者。

• 提高可维护性：封装使得代码模块化，降低了耦合度，提高了代码的可维护性和可重用性。

1.2.2 继承

1.2.3 多态

1.3 一个综合例子

• 多级继承：USB 网卡以 kobject 为基类，实现多级继承，每一级的基类都扩展了各自的方法或封装了接口，供其子类RTL8150调用。
• RTL8150 网卡通过调用祖父类 kobject 的方法 kobject_add() 将设备注册到系统
• 通过调用 device 类的 probe() 完成驱动和设备的匹配及设备的suspend、shutdown 等功能
• 通过调用 device 类的 probe() 完成驱动和设备的匹配及设备的suspend、shutdown 等功能

• 多重继承：为了解决 USB 网卡多重继承问题，将多重继承简化为单继承（以 kobject 为基类的单继承），另一个继承使用接口（USB 接口）代替。

• 多态实现：把net_device结构体看作一个基类，对于每一个实例化的结构体变量，都代表一种不同的网卡，看作 net_device 基类的子类。每一个网卡都有各自不同的 read/write 实现，并保存在各个结构体变量的 net_device_ops 里，当一个指向 net_device 结构体类型的基类指针指向不同的结构体变量时，就可以分别去调用不同子类（具体的网卡设备）的读写函数，从而实现多态。

1.3 面向对象的C编程优势

1. 嵌入式软件架构的基础（架构 - 结构）：
在嵌入式软件开发中，良好的架构是成功的关键之一。面向对象的封装、继承和多态特性提供了一种有力的方式来构建清晰的软件架构。通过封装，我们可以将代码分解为独立的模块或类，并隐藏其内部实现细节。通过继承，我们可以建立层次化的结构，将共享的功能和行为提取到父类中，并让子类继承和扩展它们。通过多态，我们可以统一对待不同类型的对象，从而实现更灵活和可扩展的架构。

2. 组织大规模嵌入式软件的前提（10万行、可维护性）：
在大规模嵌入式软件开发中，代码的组织和可维护性是至关重要的。面向对象的封装允许将代码分解为独立的模块，每个模块都有清晰的接口和功能。这样，团队可以分工协作，每个成员专注于开发和维护自己负责的模块，而不必关心其他模块的实现细节。通过继承和多态，可以实现代码的复用，减少重复编写相似功能的情况，从而减少代码量，并提高代码的可维护性。

3. 面向对象是设计模式的基础：
面向对象编程是设计模式的基础，设计模式是解决特定问题的经验总结和最佳实践。面向对象的封装、继承和多态特性提供了实现设计模式的基础。例如，工厂模式利用多态来创建对象，观察者模式利用封装和继承来实现对象之间的解耦，策略模式利用继承和多态来实现算法的替换和扩展等等。

1.4 几个错误想法

1. 越简单越稳定 (Linux)：
有些开发者认为嵌入式程序越简单越稳定，但这种观点可能有些误导。虽然简单性在软件设计中是一个重要的原则，但稳定性不仅取决于简单性。在实际情况中，稳定性是由多个因素共同影响的，包括设计质量、代码质量、测试覆盖率、错误处理机制等等。庞大如Linux 内核，其稳定性也是由严格的开发流程、质量控制和持续的维护所保证的。

2. C 语言面向对象太鸡肋，面向对象直接用 C++：
1. 可行性：虽然 C 语言没有直接支持面向对象编程的语法和特性，但仍然可以通过一些技巧来实现面向对象的思想。结构体、函数指针和模块化编程等都可以用来模拟面向对象的概念。
2. 技术难度：学习和应用 C++ 的确需要一定的技术难度，尤其是对于初学者或已经习惯了 C 语言的开发者来说。C++ 具有更复杂的语法和更丰富的功能，因此可能需要更长时间来掌握。
3. 技术生态：虽然许多新一代嵌入式平台和开发工具支持 C++，并提供了丰富的 C++ 库和框架。但约 80% 嵌入式单片机仍使用 C 语言开发，完全使用C++进行面向对象开发不符合当前技术生态。

3. 面向对象是炫技（需求决定）：
面向对象编程并不是单纯的炫技，它是一种编程范式，旨在提高代码的可维护性、可重用性和可扩展性。在某些情况下，面向对象的思想可能确实不适用，但在许多情况下，它是非常合适的。在设计和开发软件时，应该根据具体需求和场景来决定是否采用面向对象编程。

1.5 小结

二、面向对象的 C 编程 - 基础篇

1. CPP 面向对象

2. C 面向对象

3. 剥离硬件，建立抽象层

4. 数据与行为分离 PWM 设备

5. 分离共性 继承

2.1 CPP 面向对象

2.1.1 封装：类设计

• init：初始化

• get_status：获取 IO 状态

• set_status ： 设置 IO 状态

• status_：状态

• mode_：引脚模式

• data_：引脚状态

2.1.2 接口：函数接口

2.1.3 构造和使用

• 实例化对象

• 调用初始化方法

• 调用设置状态方法

2.2 C 面向对象

2.2.1 封装：结构体设计

1. CPP 中通过修饰符 private 和 public，防止外部对象访问修改；C 语言中，接口传入静态变量，防止其他文件修改私有变量 ，比如定义static eio_pin_t pin_led;，传入eio_pin_init、eio_pin_get_status 等接口。

1. CPP 中通过成员访问符，确定对外接口作用域；C 语言中通过添加前缀区分作用域（eio_pin_）。

2. CPP 中 this 指针可以访问类的私有成员；C 语言中不能用this，因为这会导致 c/c++ 混合编译会出错，而是传入指针 me，接口显得更加复杂，但这是C语言实现必须的。

2.2.2 接口：函数接口

2.2.3 构造和使用

2.3 剥离硬件，建立抽象层 - PIN 设备

2.3.1 抽象层

• 引入链表链表管理 Pin 引脚；

• 剥离具体硬件操作，建立抽象层操作接口 eio_pin_ops ，也是通过函数指针-虚函数，实现多态；

• 剥离具体硬件属性 eio_pin_data_t（包括具体GPIO和PIN），增加 void *user_data; 泛型指针（支持所有数据格式），供用户（写硬件驱动层用户）传入，抽象层使用；

• 增加 const char *name; ，方便通过字符串，实现更方便的人机交互接口。

• 适配不同硬件，在驱动层定义eio_pin_t（实例化），并指定名称 name和操作 ops；

• 通过void *user_data，可将驱动层用户数据传递到抽象层。

2.3.2 驱动层

2.3.3 应用层

2.4 数据与行为分离 - PWM 设备

2.4.1 抽象层

• 不同于 pin 设备，增加占空比 duty_ratio；

• 操作接口只有 set_duty。

2.4.2 驱动层

2.4.3 应用层

2.5 分离共性、继承

2.5.1 设备基类

• open/close/read/write：打开、关闭、读、写
• open/close 单片中不一定用到，比如 PIN 设备，但在 Linux 系统上，所有设备即文件，需要有序打开和关闭
• open/close 用于跨平台
• read/write 流设备和块设备

• control：控制
• 为了更好指示单片机不同设备操作，每个子类定义单独的对外接口，可以是set_mode/set_duty/set_baud等方法，更加直观
• 抽象基类时没使用 control 方法。

• count_open：设备打开次数，避免单次只能打开一个设备耦合
• 单次：UART，PIN
• 多次：SPI

• standalone： 是独占设备

2.5.2 设备多态 - PIN 设备

1. eio_object_t super：继承基类，必须在第一个元素位置，可以实现指针强转。

2. 去除子类 find 方法，使用基类的 eio_find，实现统一查找。

3. 对外接口从基类 eio_object_t 链表上去搜寻设备。

1. eio_pin_register 提供下层接口，将name、ops、user_data 注册到 eio_pin_t设备上；

2. eio_pin_register 调用 eio_register ，将eio_pin_t 设备上注册到 eio_object_t 上。

3. _obj_ops 定义为空，即基类定义的对外接口未打开，只能通过子类的接口使用。

2.5.2 设备多态 - PWM 设备

2.6 小结

三、面向对象的C编程 - 设备篇

• 仿真驱动层，通过程序去模拟，返回数据，验证应用层逻辑

• 增量测试，程序逐渐健壮，不需要去硬件上测试一遍，快速收敛

• 蓝色设备通过仿真（单元测试）通过，绿色设备通过测试通过

3.2 eLab设备基类源码分析（上）

1. 注册机制 + elab_device_find

1. 读写接口 + 设备独有接口

3.3 按钮的多态

a. elab_button.h

• e_sig: QPC 存储的各个事件

• cb：对应按钮回调函数

• state: elab_button_t 内部状态机

• flag_dejitter: 去抖动临时变量

• timer: 轮询需要一个定时器，取代一个定时器里实现多个任务
• 软件定时器方便移植
• RTOS 提供出的软件定时器，所有定时器在一个线程

• mutex: 要求线程安全

• elab_button_set_event_signal 提供事件信号机制

• elab_button_set_event_callback 提供回调机制

b. elab_button.c

• 驱动层判断按键是否按下

• osTimerNew：新建定时器，回调函数为_timer_func，为osTimerPeriodic，并设置timer_attr_button

• osStatus_t ret_os = osTimerStart(me->timer, 5); 启动 5ms 定时器

• elab_device_register 注册到设备列表中

c. drv_button_pin.c

四、面向对象的C编程-驱动篇

• 驱动层提供的公共接口，在 pin_export.c 中调用。

• 驱动层初始化提供注册机制，将设备注册到设备表中

• 驱动层将 userdata （写驱动层传入的数据）传入设备层，传入的 userdata 数据即 elab_pin_driver_t 指针，主要就是pin_name。

• 驱动层还要实现设备层定义的接口，由于接口抽象一致性，驱动层使用的定义信息还是需要层初始化后的设备层用户数据中获取。

• EXPORT_LEVEL_PIN_I2C 依赖 EXPORT_LEVEL_I2C 设备，EXPORT_LEVEL_PIN_MCU，因此初始化放在之后。

• 设备层弹性，Linux 使用设备树启动，elab 使用 export 机制。

五、高内聚低耦合

3.1 第一层

• 高内聚：一个模块实现独立的任务，“自己事情自己做”

• 低耦合：减少“牵一发而动身”，避免一处修改，若干处都要同时修改，“个人自扫门前雪”

• 用户设置回调

• 应用层使用异步事件

3.2 第二层

• 断言

• 状态机 default

• 同时提供回调和QPC状态机

3.3 第三层

• 高内聚：运筹帷幄之中

• 低耦合：决胜干里之外
• 对象之间耦合降低
• 通过无形消息传播（发布订阅机制、事件系统、消息队列）

引用

1. 王利涛. 嵌入式C语言自我修养:从芯片,编译器到操作系统. 嵌入式C语言自我修养：从芯片、编译器到操作系统, 2021. - 第 8 章 C语言面向对象编程思想

2. eLab/boards - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

3. 狗哥嵌入式的个人空间-狗哥嵌入式个人主页-哔哩哔哩视频 (bilibili.com)

4. 【C语言面向对象】基本概念_哔哩哔哩_bilibili