嵌入式是软件规划范畴的一个分支，它自身的许多特色决议了体系架构师的选择，一同它的一些问题又具有恰当的通用性，能够推行到其他的范畴。

　　提起嵌入式软件规划，传统的印象是单片机，汇编，高度依靠硬件。传统的嵌入式软件开发者往往只重视完结功用自身，而忽视比方代码复用，数据和界面别离，可测验性等要素。然后导致嵌入式软件的质量高度依靠开发者的水平，胜败系之一身。跟着嵌入式软硬件的飞速开展，今日的嵌入式体系在功用，规划和杂乱度各方面都有了极大的前进。比方，Marvell公司的PXA3xx系列的最高主频现已抵达800Mhz，内建USB,WIFI,2D图形加快,32位DDR内存。在硬件上，今日的嵌入式体系现已抵达乃至超越了数年前的PC途径。在软件方面，完善的操作体系现已老练，比方Symbian, Linux, WinCE。依据完善的操作体系，比方字处理，图画，视频，音频，游戏，网页阅览等各种运用程序层出不穷，其功用性和杂乱度比诸PC软件不遑多让。本来多选用专用硬件和专用体系的一些商业设备公司也开端转化思路，以超卓而廉价的硬件和完善的操作体系为根底，用软件的办法替代从前运用专有硬件完结的功用，然后完结更低的本钱和更高的可改动，可保护性。

　　架构不是一个孤立的技能的产品，它受多方面要素的影响。一同，一个架构又对软件开发的许多方面构成影响。

　　摩托车的发动机在出厂前有必要经过一系列的测验。在流水线上，发动机被送到每个工位上，由工人进行比方转速，噪音，振荡等方面的测验。要求完结一个嵌入式设备，具有以下根本功用：

　　有恰当多的嵌入式体系规划都较小，一般是为了某些特定的意图而规划的。受工程师知道，客户规划和项目进展的影响，常常不做任何架构规划，直接以完结功用为方针进行编码。这种行为表面上看满意了进展，本钱，功用各方面的需求，可是从长远来看，在扩展和保护上支付的本钱，要远远高于开端节省的本钱。假如体系的开端开发者持续留在安排内并担任这个项目，那么或许悉数都会正常，一旦他脱离，后续者因为对体系细节的了解缺少，就或许引进更多的过错。要注意，嵌入式体系的改动本钱要远远高于一般的软件体系。好的软件架构，能够从微观和微观的不同层次上描绘体系，并将各个部分阻隔，然后使新特性的添加和后续保护变得相对简略。

　　一个While循环足以完结这个体系，直接就能够开端编码调试。可是从一个架构师的视点，这儿有没有值得笼统和剥离的部分呢？

　　极限编程，灵敏开发的呈现使一些人误以为软件开发无需再做架构了。这是一个很大的误解。灵敏开发是在传统瀑布式开发流程呈现显着坏处后提出的处理方案，所以它必定有一个更高的起点和对开发更严厉的要求。而不是倒退到石器时代。事实上，架构是灵敏开发的一部分，只不过在办法上，灵敏开发引荐运用更高效，简略的办法来做规划。比方画在白板上然后用数码相机拍下的UML图；用用户故事替代用户用例等。测验驱动的灵敏开发更是逼迫工程师在写实践代码前规划好组件的功用和接口，而不是直接开端写代码。灵敏开发的一些特征：

　　1.用软件完结硬件功用。选用更强壮的处理器，用软件来完结部分硬件功用，不只能够下降对硬件的依靠，在呼应改动，避免对特定类型和厂商的依靠方面都很有优点。这在一些职业里现已成为了趋势。在PC途径也阅历了这样的进程，比方前期的汉卡。

　　2. 将对硬件的依靠独立成硬件笼统层，尽或许使软件的其他部分硬件无关，并能够脱离硬件运转。一方面将硬件改动乃至换件的危险操控在有限的规划内，另一方面前进软件部分的可测验性。

　　大部分嵌入式软件都对程序的长时刻安稳运转有较高的要求。比方手机常常几个月开机，通讯设备则要求24*7正常运转，即便是通讯上的测验设备也要求至少正常运转8小时。为了安稳性的方针，有一些比较常用的规划手法：

　　举例，Symbian上的GPRS拜访受不同硬件和操作体系版别影响，功用不是十分安稳。其间有一个版别受骗封闭GPRS衔接时必定会溃散，并且归于known issue。将GPRS衔接，HTTP协议处理，文件下载等操作独立到一个进程中，尽管每次操作完毕该进程都会溃散，对用户却没有影响。

　　尽管当今的嵌入式体系的内存比之以K计数的时代现已有了很大的前进，可是跟着软件规划的添加，内存缺少的问题仍然不时困扰着体系架构师。有一些准则，架构师在进行规划决议计划的时分能够参阅：

　　有一些嵌入式设备需求处理巨大的数据量，而这些数据不或许悉数装入内存中。一些嵌入式操作体系不供给虚拟内存技能，比方WinCE4.2每个程序最多只能运用32M内存。对这样的运用，架构师应该特别规划自己的虚拟内存技能。所谓的虚拟内存技能的中心是，将暂时不太或许运用的数据移出内存。这触及到一些技能点：

　　在内存有限的体系里，方针结构失利是有必要要处理的问题,失利的原因中最常见的则是内存缺少（实践上这也是对PC途径的要求，可是在实践中往往疏忽，因为内存真实廉价）。两段式结构便是一种常用而有用的规划。举例来说：

　　悉数看起来都很简略，可是假如第三步创立CMySimpleClass方针的时分发生内存缺少的过错怎样办呢？结构函数无法回来任何过错信息以提示调用者结构没有成功。调用者所以取得了一个指向CMyCompoundClass的指针，可是这个方针并没有结构无缺。

　　假如在结构函数中抛出反常会怎样样呢？这是个闻名的噩梦，因为析构函数不会被调用，在创立CMySimpleClass方针之前假如分配了资源就会走漏。关于在结构函数中抛出反常能够单讲一个小时，可是有一个主张是：尽量避免在结构函数中抛出反常。

　　所以，运用两段式结构法是一个更好的选择。简略的说，便是在结构函数避免任何或许发生过错的动作，比方分配内存，而把这些动作放在结构完结之后，调用另一个函数。比方：

　　不同的体系有着不同的内存分配的特色。有些要求分配许多小内存，有的则需求常常添加现已分配的内存。一个好的内存分配器对嵌入式的软件的功用有时具有严峻的含义。应该在体系规划时确保整个体系运用共同的内存分配器，并且能够随时替换。

　　内存走漏对嵌入式体系有限的内存是十分严峻的。经过运用自己的内存分配器，能够很简略的盯梢内存的分配开释状况，然后检测出内存走漏的状况。

　　这儿不评论实时体系，那是一块很大的专业论题。对一般的嵌入式体系而言，因为处理器才干有限，要特别注意功用的问题。一些很好的架构规划因为不能满意功用要求，终究导致整个项意图失利。

　　架构师有必要了解，新技能常常意味着杂乱和更低的功用。即便这不是肯定的，因为嵌入式体系硬件功用所限，弹性较低。一旦发现新技能有和开端想象不同之处，就更难经过批改来习惯。比方GWT技能。这是Google推出的Ajax开发东西，它能够让程序员像开发一个桌面运用程序相同开发Web的Ajax程序。这使得在嵌入式体系上用一套代码完结长途和本地操作界面成为了很简略的一件事。可是在嵌入式设备上运转B-S结构的运用，功用上是一个很大的应战。一同，阅览器兼容方面的问题也很严峻，GWT现在的版别还不行完善。

　　分层结构有利于明晰的区分体系责任，完结体系的解耦，可是每多一个层次，就意味着功用的一次丢失。特别是当层和层之间需求传递许多数据的时分。对嵌入式体系而言，在选用分层结构时要操控层次数量，并且尽量不要传递许多数据，特别是在不同进程的层次之间。假如必定要传递数据，要避免许多的数据格局转化，如XML到二进制，C++结构到Python结构。

　　除了因为静态的文件分区表等区块被频频的读写而提早损坏，一些嵌入式设备还要面对直接断电的应战，这会在存储设备上发生不无缺的数据。

　　损耗均衡的根本思路是均匀地运用存储器上的各个区块。需求保护一张存储器区块运用状况的表，这个表包含区块的偏移方位，当时是否可用，以及现已擦写地次数。当有新的擦写恳求的时分，依据以下准则选择区块：

　　即便是更新现已存在的数据，也会运用以上准则分配新的区块。相同，这张表的寄存方位也不能是固定不变的，不然这张表所占有的区块就会最早损坏。当要更新这张表的时分，相同要运用以上算法分配区块。

　　假如存储器上有许多的静态数据，那么上述算法就只能针对剩余的空间收效，这种状况下还要完结对这些静态数据的转移的算法。可是这种算法会下降写操作的功用，也添加了算法的杂乱度。一般都只运用动态均衡算法。

　　现在比较老练的损耗均衡的文件体系有JFFS2, 和 YAFFS。也有另一种思路便是在FAT16等传统文件体系上完结损耗均衡，只需事前分配一块足够大的文件，在文件内部完结损耗均衡算法。不过有必要批改FAT16的代码，封闭对终究批改时刻的更新。

　　假如在向存储器写数据的时分发生断电或许被拔出，那么所写的区域的数据就处于不知道的状况。在一些运用中，这会导致不无缺的文件，而在另一些运用中，则会导致体系失利。所以对这类过错的康复也是嵌入式软件规划有必要考虑的。常用的思路有两种：

　　这种文件体系并不是直接存储数据，而是一条条的日志，所以当发生断电的时分，总能够康复到之前的状况。这类文件体系的代表如ext3。

　　双备份的思路更简略，一切的数据都写两份。每次替换运用。文件分区表也有必要是双备份的。假定有数据块A，A1是他的备份块，在初始时刻和A的内容是共同的。在分区表中，F指向数据块A，F1是他的备份块。当批改文件时，首要批改数据块A1的内容，假如此刻断电，A1的内容过错，但因为F指向的是无缺的A，所以数据没有损坏。假如A1批改成功，则批改F1的内容，假如此刻断电，因为F是无缺的，所以仍然没有问题。

　　现在的Flash设备，有的现已内置过错检测和过错校对技能，能够确保在断电时数据的无缺。还有的包含主动的动态/静态损耗均衡算法和坏块处理，彻底无须上层软件额定对待，能够当作硬盘运用。所以，硬件越兴旺，软件就会越牢靠，技能不断的前进，将让咱们能够把更多的精力投入到软件功用的自身，这是开展的趋势。

　　嵌入式产品都是软硬件一同出售的给用户的，所以这带来了一个纯软件所不具有的问题，那便是当产品发生毛病时，假如需求返厂才干批改，则本钱就很高。嵌入式设备常见有以下的几类毛病：

　　针对前三类毛病，要尽或许确保客户自己，或许现场技能人员就能够处理。从架构的视点考虑，如下准则能够参阅：

　　b) 将运用程序和体系别离。运用程序应该放置在可插拔的Flash卡上，能够经过读卡器进行文件仿制晋级。非必要的状况不要运用专用运用软件来晋级运用程序。

　　c) 要有“安全办法”。即当主体系被损坏后，设备仍然能够发动，从头晋级体系。常见的uboot能够确保这一点，在体系损坏后，能够进入uboot经过tftp从头晋级。

　　在桌面体系和网络体系上，结构是遍及运用的，比方闻名的ACE, MFC, Ruby On Rails等。而在嵌入式体系中，结构则是很少运用的。究其原因，大概是以为嵌入式体系简略，没有重复性，过于重视功用的完结和功用的优化。在前言中咱们现已提到，现在的嵌入式开展趋势是向着杂乱化，大型化，系列化开展的。所以，在嵌入式下规划软件结构也是很有必要，也很有价值的。

　　前面咱们讲到，嵌入式体系软件架构所面对的一些问题，其间很重要的一点是，对硬件的依靠和硬件相关软件的杂乱性。还包含嵌入式软件在安稳性和内存占用等方面的严苛要求。假如团队中的每个人都是这些方面高手的话，或许有或许开宣布高质量的软件，但事实是一个团队中或许只需一两个资深人员，其他大部分都是初级工程师。人人都去和硬件打交道，都担任安稳性，功用等等方针的话，是很难确保终究产品质量的。假如组件团队时都是通晓硬件等底层技能的人才，又很难规划出在可用性，扩展性等方面超卓的软件。术业有专攻，架构师的选择决议着团队的组成办法。

　　一同，嵌入式软件开发尽管杂乱，可是也存在许多的重用的或许性。怎样重用，又怎样应对将来的改动？

　　所以，怎样将杂乱性对大多数人屏蔽，怎样将重视点别离，怎样确保体系的要害非功用方针，是嵌入式软件架构规划师应该处理的问题。一种或许的处理方案便是软件结构。

　　结构是在一个给定的问题范畴内，为了重用和应对未来需求改动而规划的软件半成品。结构着重对特定范畴的笼统，包含许多的专业范畴常识，以缩短软件的开发周期，前进软件质量为意图。运用结构的二次开发者经过重写子类或拼装方针的办法来完结特别的功用。

　　复用是在咱们常常谈到的论题，“不要重复发明轮子”也是耳熟能详的戒条。不过关于复用的了解实践上是有许多个层次的。

　　最根底的复用是仿制张贴。某个功用从前从前完结过，再次需求的时分就仿制过来，批改一下就能够运用。阅历丰盛的程序员一般都会有自己的程序库，这样他们完结的时分就会比新的程序员快。仿制张贴的缺点是代码没有经过笼统，往往并不彻底的适用，所以需求进行批改，经过屡次复用后，代码将会变得紊乱，难以了解。许多公司的产品都有这个问题，一个产品的代码从另一个产品仿制而来，批改一下就用，有时分乃至类名变量名都不改。依照“只需为复用规划的代码才干真实复用”的规范，这称不上是复用，或许说是低水平的复用。

　　更高档的复用是则是库。这种功用需求对常常运用的功用进行笼统，提取出其间安稳不变的部分，以库的办法供给给二次开发程序员运用。因为规划库的时分不知道二次开发者会怎样运用，所以对规划者有着很高的要求。这是运用最广泛的一种复用，比方规范C库，STL库。现在十分盛行的Python言语的重要优势之一便是其库支撑十分广泛，相反C++一向短少一个强壮共同的库支撑，成为短板。在公司内部的开发中总结常用功用并开发成库是很有价值的，缺点是对库的晋级会影响到许多的产品，有必要慎之又慎。

　　结构是另一种复用。和库相同，结构也是对体系中不变的部分进行笼统并加以完结，由二次开发者完结其他改动的部分。典型的结构和库的最大的区别是，库是静态的，由二次开发者调用的；结构是活着的，它是主控者，二次开发者的代码有必要契合结构的规划，由结构决议在何时调用。

　　举个比方，一个网络运用总是要触及到衔接的树立，数据收发和衔接的封闭。以库的办法供给是这样的：

　　结构会在“恰当”的机遇创立mycomm方针，并查询host和port，然后树立衔接。在衔接树立后，调用onconnected接口，给二次开发者供给进行处理的时机。当数据抵达的时分调用ondataarrived接口让二次开发者处理。这是好莱坞准则，“不要来找咱们，咱们会去找你”。

　　当然，一个无缺的结构一般也要供给各种库供二次开发者运用。比方MFC供给了许多的库，如CString, 但实质上它是一个结构。比方完结一个对话框的OnInitDialog接口，便是由结构规矩的。

　　和库比较起来，结构是更针对特定范畴的笼统。库，比方C库，是面向一切的运用的。而结构相对来说则要狭隘的多。比方MFC供给的结构只合适于Windows途径的桌面运用程序开发，ACE则是针对网络运用开发的结构，Ruby On Rails是为快速开发web站点规划的。

　　越是针对特定的范畴，笼统就能够做的越强，二次开发就能够越简略，因为共性的东西越多。比方咱们上面谈到嵌入式体系软件开发的许多特色，这便是特定范畴的共性，就归于能够笼统的部分。详细到实践的嵌入式运用，又会有更多的共功用够笼统。

　　结构的规划意图是总结特定范畴的共性，以结构的办法完结，并规矩二次开发者的完结办法，然后简化开发。相应的，针对一个范畴开发的结构就不能服务于另一个范畴。对企业而言，结构是一种极好的堆集常识，下降本钱的技能手法。

　　结构规划的一个重要意图便是应对改动。应对改动的实质便是解耦。从架构师的视点看，解耦能够分为三种：

　　1.逻辑解耦。逻辑解耦是将逻辑上不同的模块笼统并别离处理。如数据和界面的解耦。这也是咱们最常做的解耦。

　　2. 常识解耦。常识解耦是经过规划让把握不同常识的人仅仅经过接口作业。典型的如测验工程师所把握的专业常识和开发工程师所把握的程序规划和完结的常识。传统的测验脚本一般是将这二者合二为一的。所以要求测验工程师一同具有编程的才干。经过恰当的办法，能够让测验工程师以最简略的办法完结他的测验用例，而开发人员编写传统的程序代码来履行这些用例。

　　3.变与不变的解耦。这是结构的重要特征。结构经过对范畴常识的剖析，将共性，也便是不变的内容固定下来，而将或许发生改动的部分交给二次开发者完结。

　　非功用性需求是指如功用，牢靠性，可测验性，可移植性等。这些特功用够经过结构来完结。以下咱们逐个举例。

　　功用。对功用的优化最忌讳的便是遍及优化。体系的功用往往取决于一些特定的点。比方在嵌入式体系中，对存储设备的拜访是比较慢的。假如开发者不注意这方面的问题，频频的读写存储设备，就会构成功用下降。假如对存储设备的读写由结构规划，二次开发者只作为数据的供给和处理者，那么就能够在结构中对读写的频率进行调理，然后抵达优化功用的意图。因为结构都是独自开发的，完结后供广泛运用，所以就有条件对要害的功用点进行充沛的优化。

　　牢靠性。以上面的网络通讯程序为例，因为结构担任了衔接的创立和办理，也处理了各种或许的网络过错，详细的完结者无须了解这方面的常识，也无须完结这方面过错处理的代码，就能够确保整个体系在网络通讯方面的牢靠性。以结构的办法规划在牢靠性方面的最大优势便是：二次开发的代码是在结构的掌控之内运转的。一方面结构能够将简略犯错的部分完结，另一方面对二次开发的代码发生的过错也能够捕获和处理。而库则不能替代运用者处理过错。

　　可测验性。可测验性是软件架构需求考虑的一个重要方面。下面的章节会讲到，软件的可测验性是由优秀的规划来确保的。一方面，因为结构规矩了二次开发的接口，所以能够迫使二次开发者开宣布便于进行单元测验的代码。另一方面，结构也能够在体系测验的层面上供给易于完结主动化测验和回归测验的规划，例如共同供给的TL1接口。

　　可移植性。假如软件的可移植性是软件规划的方针，结构规划者能够在规划阶段来确保这一点。一种办法是经过跨途径的库来屏蔽体系差异，另一种或许的办法愈加极点，依据结构的二次开发能够是脚本化的。组态软件是这方面的一个比方，在PC上组态的工程，也能够在嵌入式设备上运转。

　　上面是一个产品系列的架构图，其特色是硬件部分是模块化的，能够随时插拔。不同的硬件运用于不同的通讯测验场合。比方光通讯测验，xDSL测验，Cable Modem测验等等。针对不同的硬件，需求开发不同的固件和软件。固件层的功用首要是经过USB接口接纳来自软件的指令，并读写相应的硬件接口，再进行一些核算后，将成果回来给软件。软件运转在WinCE途径，除了供给一个触摸式的图形化界面外，还对外供给依据XML(SOAP)接口和TL1接口。为了完结主动化测验，还供给了依据Lua的脚本言语接口。整个产品系列有几十个不同的硬件模块，相应的需求开发几十套软件。这些软件尽管服务于不同的硬件，可是彼此之间有着高度的相似性。所以，选择先开发一个结构，再依据结构开发详细的模块软件成了最优的选择。

　　体系分为软件，固件和硬件三大块。软件和固件运转在两块独立的板子上，有各自的处理器和操作体系。硬件则插在固件地点的板子上，是能够替换的。

　　通讯层要屏蔽用户对详细通讯介质和协议的了解，无论是USB仍是socket，对上层都不发生影响。通讯层担任供给牢靠的通讯服务和恰当的过错处理。经过装备文件,用户能够改动所运用的通讯层。

　　协议层的意图是将数据进行编码和解码。编码的发生物是能够在通讯层发送的流，依照嵌入式软件的特色，咱们选择二进制作为流的格局。解码的发生物是多种的，既有供界面运用的C Struct，也能够是XML数据，还能够是Lua的数据结构(tablegt)。假如需求，还能够发生JSON,TL1,Python数据,TCL数据等等。这一层在结构中是经过机器主动生成的，咱们后边会讲到。

　　内存数据库，SOAP Server和TL1 Server都是协议层的用户。图形界面经过读写内存数据库和底层通讯。

　　固件的首要作业是接受来自软件的指令，驱动硬件作业；获取硬件的状况，进行必定的核算后回来给软件。前期的固件是很薄的一层，因为绝大部分作业是由硬件完结的，固件只起到一个中转通讯的作用。跟着时代开展，现在的固件开端承当越来越多本因由硬件完结的作业。

　　针对不同的设备，作业量会集在硬件笼统层和使命群上。硬件笼统层是以库的办法供给的，由对硬件最了解，阅历最丰盛的工程师来完结。使命群则由一系列的使命组成，他们别离代表不同的事务运用。比方丈量误码率。这部分由相对阅历较少的工程师来完结，他们的首要作业是完结规矩的接口，依照规范化文档界说的办法完结算法。

　　这样，详细使命的完结者所重视的最重要的作业便是完结这几个接口。其他如硬件的初始化，音讯的收发，编码解码，成果的上报等等作业都由结构进行了处理。避免了每个工程师都有必要处理从上到下的一切方面。并且这样的使命代码还有很高的重用性,比方是在以太网上仍是在Cable Modem上完结PING的算法都是相同的。

　　在实践项目中，结构大大下降了开发难度。对软件部分特别显着，由实习生即可完结高质量的界面开发，开发周期缩短50%以上。产品质量大大前进。对固件部分的奉献在于下降了对通晓底层硬件的工程师的需求，一般的工程师熟知丈量算法即可。一同，结构的存在确保了功用，安稳和可测验性等要素。

　　模板办法办法是结构中最常用的规划办法。其底子的思路是将算法由结构固定，而将算法中详细的操作交给二次开发者完结。例如一个设备初始化的逻辑，结构代码如下：

　　DownloadFPGA和InitKeyPad都是CBaseDevice界说的虚函数，二次开发者创立一个承继于CBaseDevice的子类，详细来完结这两个接口。结构界说了调用的次第和过错的处理办法，二次开发者无须关怀，也无权决议。

　　因为结构一般都触及到各种不同子类方针的创立，创立型办法是常常运用的。例如一个绘图软件的结构，有一个基类界说了图形方针的接口，依据它能够派生出椭圆，矩形，直线各种子类。当用户制作一个图形时，结构就要实例化该子类。这时分能够用工厂办法，原型办法等等。

　　装修器办法赋予了结构在后期添加功用的才干。结构界说装修器的笼统基类，而由详细的完结者完结，动态地添加到结构中。

　　举一个游戏中的比方，图形制作引擎是一个独立的模块，比方能够制作人物的停止，跑动等图画。假如策划决议在游戏中添加一种叫“隐身衣”的道具，要求穿戴此道具的玩家在屏幕上显现的是若隐若现的半透明图画。应该怎样规划图画引擎来习惯后期的游戏晋级呢？

　　当隐身衣被配备后，就向图画引擎添加一个过滤器。这是个极度简化的比方，实践的游戏引擎要比这个杂乱。装修器办法还常见用于数据的前置和后置处理上。

　　1.结构一般都比较杂乱，规划和完结一个好的结构需求恰当的时刻。所以，一般只需在结构能够被屡次重复运用的时分合适，这时分，条件投入的本钱会得到丰盛的报答。

　　2.结构规矩了一系列的接口和规矩，这尽管简化了二次开发作业，但一同也要求二次开发者有必要记住许多规矩，假如违反了这些规矩，就不能正常作业。可是因为结构屏蔽了许多的范畴细节，相对而言，其学习本钱仍是大大下降了的。

　　3.结构的晋级对已有产品或许会构成严峻的影响，导致需求无缺的回归测验。对这个问题有两个办法。榜首是对结构自身进行严厉的测验，有必要树立完善的单元测验库，一同开发示例项目，用来测验结构的一切功用。第二则是运用静态链接，让已有产品不简略跟从晋级。当然，假如已有产品有较好的回归测验手法，就更好。

　　4.功用丢失。因为结构对体系进行了笼统，添加了体系的杂乱性。比方多态这样的手法运用也会遍及的下降体系的功用。可是从全体上来看，结构能够确保体系的功用处于一个较高的水平。

　　懒散是程序员的美德，更是架构师的美德。软件开发的进程便是人告知机器怎样干事的进程。假如一件作业机器自己就能够做，那就不要让人来做。因为机器不只不知疲倦，并且绝不会犯错。咱们的作业是让客户的作业主动化，多想一点，就能让咱们自己的作业也部分主动化。极有耐性的程序员是好的，也是欠好的。

　　经过杰出规划的体系，往往会呈现许多高度相似并且具有很强规则的代码。未经杰出规划的体系则或许对同一类功用发生许多不同的完结。前面关于结构规划的部分现已证明晰这一点。有时分，咱们更进一步，剖分出这些相似代码之中的规则，用格局化的数据来描绘这些功用，而由机器来发生代码。

　　上面关于结构的实例中，能够看到音讯编解码的部分现已被独立出来，和其他部分没有耦合。加上他自身的特色，十分合适进一步将其“规矩化”，用机器发生代码。

　　(为了简化，这儿假定现已规划了一个流方针，能够流化各种数据类型，并且现已处理了比方字节序转化等问题。)

　　终究咱们得到一个stream。咱们是否现已习惯了写这种代码？可是这样的代码不能体现工程师任何的发明性，因为咱们早现已知道有i, 有j, 还有一个object，为什么还要自己敲入这些代码呢？假如咱们剖析一下a的界说，是不是就能够主动发生这样的代码呢？

　　只需求一个简略的语义剖析器解析这段代码，得到一棵关于数据类型的树，就能够简略的发生流化的代码。这样的剖析器用Python等字符串处理才干强的言语不过两百行左右。关于数据类型的树相似下图：

　　在上一个结构所举例的项目中，为一个硬件模块主动发生的音讯编码解码器代码量高达三万行，简直恰当于一个小软件。由所以主动发生，没有任何过错，为上层供给了高牢靠性。

　　还能够用XML或许其他的格局界说数据结构，然后发生主动代码。依据需求，C++/Java/Python，任何类型的都能够。假如期望供给强检查，能够运用XSD来界说数据结构。有一个商业化的产品，xBinder，很贵，很难用，还不如自己开发。(为什么难用？因为它太通用)。除了编码为二进制格局，还能够编码为任何你需求的格局。咱们知道二进制格局尽管功率很高，可是太难调试（当然有些人看内存里的十六进制仍是很快的），所以咱们能够在编码成二进制的一同，还生成编码为其他可阅览的格局的代码，比方XML。这样，通讯运用二进制，而调试运用XML，一举两得。发生二进制的代码大概是这样的：

　　相同也很合适机器发生。相同的思路能够用来让软件内嵌脚本支撑。这儿不多说了。(内嵌脚本支撑最大的问题是在C/C++和脚本之间沟通数据，也是针对数据类型的许多相似代码。)

　　最近Google 发布了它的protocol buffer，便是这样的思路。现在支撑C++/Python，估量很快会支撑更多的言语，咱们能够重视。今后就不要再手写编码解码器了。

　　上面的结构规划部分，咱们提到结构对界面数据搜集和界面更新力不从心，只能笼统出接口，由程序员详细完结。可是让咱们看看这些界面程序员做的作业吧。(代码经过简化，能够看作伪代码)。

　　由此可见，在软件架构的进程中，首要要遵从一般性的准则，尽量将体系各个功用部分独立出来，完结高内聚低耦合，然后发现体系存在的高度重复，规则性很强的代码，进一步将他们规矩化，办法化，终究用机器来发生这些代码。现在这方面最成功的运用便是音讯的编解码。对界面代码的主动化生成有必定限制，但也能够运用。咱们在自己的作业中要擅于发现这样的或许，削减作业量，前进作业功率。

　　Protocol Buffer的编码格局是二进制的，一同也供给可读的文本格局。功率高，体积小，上下兼容。现在支撑Java,Python和C++，很快会支撑更多的言语。

　　面向言语编程的浅显界说是：将特定范畴的常识融合到一种专用的核算机言语傍边，然后前进人与核算机沟通的功率。

　　主动化代码生成其实便是面向言语编程。言语不等所以编程言语，能够是图，也能够是表，任何能够树立人和机器之间沟通途径的都是核算机言语。软件开发历史上的一次生产率的腾跃是高档言语的发明。它让咱们以更简练的办法完结更杂乱的功用。可是高档言语也有它的缺点，那便是从问题范畴到程序指令的进程很杂乱。因为高档言语是为通用意图而规划的，所以离问题范畴很远。举例来说，要做一个图形界面，我能够跟另一个工程师说：这儿放一个按钮，那边放一个输入框，当按下按钮的时分，就在输入框里显现Hello World。我乃至能够顺手给他画出来。

　　关于我和他直接的沟通而言，这现已足够了，5分钟。可是要让转变为核算机能够了解的言语，需求多久？

　　假如有一个不错的图形界面库？(告知核算机创立Button,Label方针，办理这些方针，放置这些方针，处理音讯)

　　假如有一个不错的开发结构+IDE? (用WYSIWYG东西制作，规划类，类的成员变量，编写音讯呼应函数)

　　通用的核算机言语是依据变量，类，分支，循环，链表，音讯这些概念的。这些概念离问题自身有着悠远的间隔，并且表达才干十分有限。天然言语表达才干很强，可是歧义和冗余太多，无法格局化规范化。传统的思想告知咱们：核算机言语便是一条条的指令，编程便是写下这些指令。而面向言语编程的思想是，用尽量靠近问题，靠近人的思想的办法来描绘问题，然后下降从人的思想到核算机软件转化的难度。

　　举一个游戏开发的比方。现在的网络游戏遍及的选用了C++或许C开发游戏引擎。而详细的游戏内容，则是由一系列二次开发东西和言语完结的。地图编辑器便是一种面向游戏的言语。Lua或许相似的脚本则被嵌入到游戏内部，用来编写兵器，技能，使命等等。Lua自身不具有独立开发运用程序的才干，可是游戏引擎的规划者经过给Lua供给一系列的，各种层次上的接口，将范畴常识密布的赋予了脚本，然后大大前进了游戏二次开发的功率。网络游戏的开山祖师MUD则是规划了LPC来作为游戏的开发言语。MUD的引擎MudOS和LPC之间的联系如图：

　　LPC培养了一大批业余游戏开发者，乃至成为许多人进入IT职业的起点。原因便是它简略，易了解，100%为游戏开发规划。这便是LOP的魅力。

　　举例，嵌入式设备的Web服务器。许多设备都供给Web服务用于装备，比方路由器，ADSL猫等等。这种设备所供给的web服务的典型用例是用户填写一些参数，提交给Web服务器，Web 服务器将这些参数写入硬件，并将操作成果或许其他信息生成页面回来给阅览器。因为典型的Apache,Mysql,PHP组合体积太大且不简略移植，一般嵌入式体系的Web服务都是用C/C++直接写就的。从socket办理，http协议到详细操作硬件，生成页面，都一体担任。可是关于功用杂乱，Web界面要求较高的状况，用C来写页面功率就太低了。

　　shttpd是一个细巧的web服务器，细巧到只需一个.c文件，4000余行代码。尽管体积很小，却具有了最根本的功用，比方CGI。它既能够独立运转，也能够嵌入到其他的运用程序傍边。shttpd在大多数途径上都能够顺畅编译、运转。lua是一个细巧的脚本言语，专用于嵌入和扩展。它和C/C++代码有着杰出的交互才干。

　　将Lua引擎嵌入到shttpd中，再运用C编写一个（一些）驱动硬件的扩展，注册成为Lua的函数，构成的体系结构如下图：

　　这样的运用在嵌入式体系中是有必定代表性的，即，以C完结底层中心功用，而把体系的易变部分以脚本完结。咱们能够考虑在自己的开发进程中是否能够运用这种技能。这是LOP的一种详细运用办法。（没有发明一种全新的言语，而是运用Lua）

　　好的软件是规划出来的，好的软件也必定是便于测验的。一个难于测验的软件的质量是难以得到确保的。在今日软件规划越来越大的趋势下，以下问题是遍及存在的：

　　这些问题的本源都在于缺少一个杰出的软件规划。一个好的软件规划应该使得单元测验，模块测验和回归测验都变得简略，然后确保测验的广度和深度，终究发生高质量的软件。除了功用，非功用性需求也有必要是可测验的。所以，可测验性是软件规划中一个重要的方针，是体系架构师需求仔细考虑的问题。

　　这儿谈的是测验驱动的软件架构，而不是测验驱动的开发。TDD(Test Driven Development) 是一种开发办法，是一种编码实践。而测验驱动的架构着重的是，从前进可测验性的视点进行架构规划。软件的测验分为多个层次：

　　体系测验是指由测验人员履行的，验证软件是否无缺正确的完结了需求的测验。这种测验中，测验人员作为用户的人物，经进程序界面进行测验。在大部分状况下这些作业是手艺完结的。在规范的流程中，这个进程一般要占到整个软件开发时刻的1/3以上。而当有新版别发布的时分，尽管只触及了软件的一部分，测验部分仍然需求无缺的测验整个软件。这是由代码“副作用”特色决议的。有时分批改一个bug能够引发更多的bug，损坏本来作业正常的代码。这在测验中叫回归测验(Regression test)。关于规划较大的软件，回归测验需求很长的时刻，在版别新增功用和过错批改不多的状况下，回归测验能够占到整个软件开发进程了一半以上，严峻影响了软件的交给，也使软件测验部分成为软件开发流程中的瓶颈。测验进程主动化，是部分处理这个问题的办法。

　　1.完结小规划的主动化脚本。针对一个详细的操作流程进行测验，而不是企图用一个脚本测验整个软件。一系列的小测验脚本组成了一个调集，掩盖体系的一部分功用。这些测验脚本能够都以软件发动时的状况作为基准，所以在状况处理上会比较简略。

　　2.”山公测验”有必定的价值。所谓山公测验，便是随机操作鼠标和键盘。这种测验彻底不了解软件的功用，能够发现一些正常测验无法发现的过错。据微软内部的材料，微软的一些产品15%的过错是由“山公测验”发现的。

　　总的来讲，依据界面的主动化测验是不老练的。对架构师而言必定要避免功用只能经过界面才干拜访。要让界面仅仅是界面，而软件大部分的功用是独立于界面并能够经过其他办法拜访的。上面结构的比方中的规划就体现了这一点。

　　假如软件对外供给依据音讯的接口，主动化测验就会变得简略的多。上面现已提到了固件的TL1接口。关于界面部分，则应该在规划的时分，将朴实的“界面”独立出来，让它尽或许的薄，而其他部分仍然能够依据音讯供给服务。

　　在音讯的根底上，用脚本言语包装成函数的办法，能够很简略的调用，并掩盖音讯的各种参数组合，然后前进测验的掩盖率。关于怎样将音讯包装为脚本，能够参阅SOAP的完结。假如运用的不是XML，也能够自己完结相似的主动代码生成。

　　这些测验脚本应该由开发人员编撰，每逢完结了一个新的接口（也便是一条新的音讯），就应该编撰相应的测验脚本，并作为项意图一部分保存在代码库中。当需求履行回归测验的时分，只需运转一遍测验脚本即可，大大前进了回归测验的功率。

　　所以，为了完结软件的主动化测验，供给依据音讯的接口是一个很好的办法，这让咱们能够在软件之外独立的编写测验脚本。在规划的时分能够考虑这个要素，恰当的添加软件音讯的支撑。当然，TL1仅仅一个比方，依据项意图需求，能够选择任何合适的协议，如SOAP。

　　在编写主动化测验脚本的时分，有许多的作业是重复的，比方树立socket衔接，日志，过错处理，报表生成等。一同，关于测验人员来说，这些作业或许是比较困难的。因而，规划一个结构，完结并躲藏这些重复和杂乱的技能，让测验脚本的编写者将注意力会集在详细的测验逻辑上。

　　主动检测和履行Test Case。新增的Test Case是独立的脚本文件，无须批改结构的代码或许装备。

　　每个Test Case都有必要界说一个规矩的Run函数，结构将顺次调用，并供给相应的库函数供Test Case用来发送指令和取得成果。这样，测验用例的编写者就只需求将注意力会集在测验自身。举例：

　　测验用例的编写者具有的常识是“有必要先翻开激光器然后才干向线路上刺进过错”。而架构师能供给的是音讯收发，编解码，过错处理，报表生成等，并将这些为测验用例编写者阻隔。

　　有了主动化的测验脚本和结构，回归测验就变得很简略了。每逢有新版别发布时，只需运转一遍现有的Test Case，剖析测验报告，假如有测验失利的Case则回归测验失利，需求从头批改，直到一切的Case彻底经过。无缺的回归测验是软件质量的重要确保。

　　集成测验要验证的是体系各个组成模块的接口是否作业正常。这是比体系测验更低层的测验，一般由开发人员和测验人员共同完结。

　　例如在一个典型的嵌入式体系中，FPGA，固件和界面是常见的三个模块。模块自身还能够区分为更小的模块，然后下降杂乱度。嵌入式软件模块测验的常见问题是硬件没有固件则无法作业，固件没有界面就无法驱动;反过来，界面没有固件不能无缺运转，固件没有硬件乃至无法运转。所以没有经过测验的模块直到集成的时分才干无缺运转，发现问题后需求考虑一切模块的问题，定位和处理的价值都很大。假定有模块A和B，各有十个bug。假如都没有经过模块测验直接集成，能够以为排错的作业量恰当于10*10等于100。

　　所以，在规划一个模块的时分，首要要考虑，这个模块怎样独自测验？比方，假如界面和固件之间是经过SOCKET通讯的，那么就能够开发一个模仿固件，在相同的端口上供给服务。这个模仿固件不履行实践的操作，可是会呼应界面的恳求并回来模仿的成果。并且回来的成果能够掩盖到各种典型的状况，包含过错的状况。运用这样的技能，界面部分简直能够得到100%的验证，在集成阶段遇到过错的大大削减。

　　对固件而言，因为处于体系的中心，所以问题杂乱一些。一方面，要让固件能够经过GUI以外的途径被调用；另一方面则要模仿硬件的功用。关于榜首点，在规划的时分，要让接口和完结别离。接口能够随意的替换，比方和GUI的接口或许是JSON，一同还能够供给telnet的TL1接口，可是完结是彻底相同的。这样，在和GUI集成之前，就能够经过TL1进行彻底的测验固件。关于第二点，则应该在规划的时分提取出硬件笼统层，让固件的首要完结和寄存器，内存地址等要素隔脱离来。在没有硬件或许硬件规划不决的时分完结一个硬件模仿层，来确保固件能够无缺运转并测验。

　　单元测验是软件测验的最根本单位，是由开发人员履行以确保其所开发代码正确的进程。开发人员应该提交经过测验的代码。未经单元测验的代码在进入软件后，不只发现问题后很难定位，并且经过体系测验是很难做到对代码分支的彻底掩盖的。TDD便是依据这个层次的开发办法。

　　假如atoi经过了以上测验，咱们就能够定心的将它集成到软件中去了。由它再引发问题的概率就很小了(不是彻底没有，因为咱们不能遍历一切或许，仅仅选择有代表性的反常状况进行测验)。

　　以上的比方能够说是单元测验的模范，但实践中却常常不是这么回事。咱们常常发现写好的函数很难做单元测验，不只作业量很大，作用也不见得好。其底子的原因是，函数没有遵从好一些准则：

　　反观atoi的比方，功用单一清晰，和其他函数简直没有任何耦合（我上面并没有写atoi的代码完结，咱们能够自己完结，期望是0耦合）。

　　TL1是通讯职业广泛运用的一种协议，为了给不了解TL1的朋友简化问题，我界说了一个简化的格局：

　　这个函数的功用是接受一个字符串，假如它是一个合法且已知的TL1回应，则将其间的成果提取出来，放入一个字典方针中。

　　这本来会是一个很便于进行单元测验的比方：输入各种字符串，检查回来成果是否正确即可。可是在这个软件中，有一个很特别的问题：

　　TL1Parse在解析一个字符串时，它有必要要知道当时要处理的是哪条指令的回应。可是请注意，在TL1的回应中，是不包含指令的姓名的。仅有的办法是运用CTAG，这个指令和回应逐个对应的数字。Tl1Parse首要提取出CTAG来，然后查找运用这个CTAG的是什么指令。这儿发生了一个对外调用，也便是耦合。

　　有一个方针保护了一个CTAG和指令姓名对应联系的表，经过CTAG，能够查询到对应的指令名，然后知道怎样解析这个TL1 response。

　　如此一来，TL1Parse就无法进行单元测验了，至少不能简略的进行。一般的桩函数的办法都欠好用了。

　　这两个函数都能够独自进行无缺的单元测验。而这两个函数的代码根本便是TL1Parse切分了一下，可是其可测验性得到了很大的前进，得到一个牢靠的解析器的或许性天然也大大前进了。

　　这个比方演示了怎样经过规划来前进代码的可测验性—这儿是单元测验。一个随意规划，随意完结的软件要进行单元测验将会是一场噩梦，只需在规划的时分就考虑到单元测验的需求，才干真实的进行单元测验。

　　核算公式：V(F)=e-n+2。其间e是流程图中的边的数量，n是节点数量。简略的算法是计算如 if、while、do和switch 中的 case 语句数加1。合适于单元测验的代码的杂乱度一般以为不应该超越10。

　　扇入是指一个模块被其他模块所引证。扇出是指一个模块引证其他模块。咱们都知道好的规划应该是高内聚低耦合的，也便是高扇入低扇出。一个扇出超越7的模块一般以为是规划欠佳的。扇出过大的模块进行单元测验不管从桩设置仍是掩盖率上都是困难的。将体系的传出耦合和传入耦合的数量结合起来，构成另一个衡量：不安稳性。

　　这个值的规划从0到1。值越挨近1，它就越不安稳。在规划和完结架构时，应当尽量依靠安稳的包，因为这些包不太或许更改。相反的，依靠一个不安稳的包，发生更改时刻接受到损伤的或许性就更大。

　　结构的运用在很大程度上能够协助进行单元测验。因为二次开发者被限制完结特定的接口，而这些接口必然都是功用清晰，简略，低耦合的。之前的结构示例代码也演示了这一点。这再次阐明晰，由高水平的工程师规划出的结构，能够强制初级工程师发生高质量的代码。

　　在实践的开发中，代码违背精心规划的架构是很常见的作业，比方下图示例了一个嵌入式设备中规划的MVC办法：

　　View依靠于Controller和Model, Controller依靠于Model，Model作为底层服务供给者，不依靠View或许Controller. 这是一个适用的架构，能够在恰当程度上别离事务，数据和界面。可是，某个程序员在完结时，运用了一个从Model到View的调用，损坏了架构。

　　这种现象一般发生在产品的保护阶段，有时也发生在架构的完结阶段。为了添加一个功用或许批改一个过错，程序员因为不了解原有架构的思路，或许仅仅单纯的偷闲，走了“捷径”。假如这样的完结不能及时发现并纠正，规划杰出的架构就会被逐渐损坏，也便是咱们常说的“架构”腐烂了。一般一个有必定年纪的软件产品的架构都有这个问题。怎样监督并避免这种问题，有技能上的和办理上的手法。

　　技能上，凭借东西，能够对体系组件的依靠进行剖析，架构的外在体现最重要的便是各个部分的耦合联系。有一些东西能够计算软件组件的扇入和扇出。能够用这种东西编写测验代码，对组件的扇出进行检测，一旦发现测验失利，就阐明架构遭到了损坏。这种检查能够集成在一些IDE中， 在编译时同步进行，或许在check in的时分进行。更高档的东西能够对代码进行反向工程生成UML，能够供给更进一步的信息。但一般对扇入扇出做检查就能够了。

　　经过设置代码检视的开发流程，对程序员check in的代码进行评定，也能够避免此类问题。代码检视是开发中十分重要的一环，它归于开发后期阶段用来避免坏的代码进入体系的重要手法。代码检视一般要重视以下问题：

　　代码检视一般以会议的办法进行，时刻点设置在项目阶段性完结，需求check in代码时。关于迭代式开发，则能够在一个迭代周期完毕前安排。参加人员包含架构师，项目经理，项目成员，其他项意图资深工程师等。一般时刻不要太长，以不超越2个小时为宜。会议前2天左右宣布会议告诉和相关文档代码，与会者有必要先了解会议内容，进行预备。会议中，由代码的作者首要解说代码需求完结的功用，自己的完结思路。然后展现代码。与会者依据自己的阅历提出各种问题和改善定见。这种会议最忌讳的是让作者感到被责备或许小看，所以，会议安排者要首要界说会议的基调：会议成功与否的规范不是作者的代码质量怎样，而是与会者是否供给了有利的主张。会后由作者给与会者打分，而不是反之。

　　上世纪九十时代，互联网的极速开展让通讯测验设备也得到了极大的开展。那个时代，能够完结某种丈量的硬件是竞赛的中心，软件的意图仅仅是驱动硬件运转起来，再供给一个简略的界面。所以，开端的产品的软件结构十分简略，相似前面的城铁门禁体系。

　　仍然坚持上面的主逻辑，可是界面部分不只能够显现实时的数据，也能够从ResultManager中读取数据来显现。

　　缺点：ResultManager仅仅作为一个东西存在，担任保存和装载历史数据。界面和数据的来历仍然耦合的很紧。不同的界面需求的不同数据都是经过硬编码判别的。

　　跟着功用不断杂乱，界面窗口越来越多，本来靠一个类来制作各种界面的办法现已不能接受。所以窗口的概念被引进。每个界面都被视为一个窗口，窗口中的元素为控件。窗口的翻开，封闭，躲藏则由窗口办理器担任。

　　跟着规划进一步扩展，开端的大循环结构总算无法满意日益杂乱的需求了。规范的MVC办法被引进，阅历了一次大的重构。

　　数据中心作为Model被独立出来，保存着当时最新的数据。View被放在了独立的使命中履行，定时从DataCenter轮询数据。用户的操作经过View发送给Controller，进一步调用硬件驱动履行。硬件履行的成果从驱动到Controller更新到DataCenter中。界面，数据，指令三者根本解耦。ResultManager成为DataCenter的一个组件，View不再直接与其通讯。

　　到上一步，作为一个独自的嵌入式设备，其架构根本能够满意需求。可是跟着商场的扩展，越来越多的设备被规划出来。这些设备尽管履行的详细丈量使命不同，可是他们都有着相同的操作办法，相似的界面，更首要的是，它们面对的问题范畴是相同的。长时刻以来，仿制和张贴是仅有的复用办法，乃至类名变量名都来不及改。一个过错在一个设备上被批改，相同一段代码的过错在其他设备上却来不及批改。而跟着团队规划的扩展，乃至MVC的根本架构在一些新设备上都没能恪守。

　　客户期望将设备固定安放在网络的某个方位，作为“探针”运用，在办公室经过长途操控来拜访这个设备。这关于原本是作为纯手持设备规划的体系又是一个应战。走运的是，MVC架构具有恰当的弹性，前期的投入取得了报答。

　　因为TL1指令恰当多，而TL1又往往不是客户的榜首需求，许多设备的TL1指令开端不无缺。究其原因，仍是手写TL1指令的解说器太累。后来经过引进Bison和Flex，这个问题有所改善，但仍是缺少。主动化代码生成在这个阶段被引进。经过以如下的格局界说TL1，东西能够主动生成TL1的编码和解码器代码。

　　经过数十年的堆集，产品现已成为一个系列，几十种设备。大部分设备进入了保护期，常常有客户提一些小的改善，或许要求批改一下缺点。深重的手艺回归测验成为了噩梦。

　　依据TL1的主动化测验极大的解放了测验人员。经过在PC上运转的测验脚本，回归测验变得简略而牢靠。仅有缺少的是界面部分无法验证。

　　从这个实践的嵌入式产品重构的进程能够看出，第三步引进MVC办法和第四步的结构化是十分要害的。老练的MVC办法确保了后续一系列的可扩充性，而结构则确保了这个架构的在一切产品中的精确重用。

　　本文是针对嵌入式软件开发的特色，评论架构规划的思路和办法。企图给咱们供给一种思想，启示咱们的思想。结构，主动化代码生成和测验驱动的架构是中心内容，其间结构又是贯穿一直的要素。有人问我，什么是架构师，怎样样才干成为架构师？我回答说：编码，编码，再编码；改错，改错，再改错。当你觉得厌烦的时分，停下来想想，怎样才干更快更好的完结这些作业？架构师便是在实践中发生的，架构师来自于那些勤于考虑，懒于重复的人。回来搜狐，检查更多