详解嵌入式编程上下文切换及完美解耦的一种方法

我个人理解，嵌入式应用设计中，应用(App)和驱动程序(Driver)的解耦可以分为三个层次：

1. 构建解耦：提高代码可读性

合理设计头文件和函数接口，将驱动和应用层的代码(*.c)分离编译。代码中的调用关系保持不变。

将App和Driver在文件的层面上分离，有助于提高代码可读性。但是经过编译-链接环节后，显式的调用关系会让App和Driver在二进制层面是混合在一起的。

2. 二进制解耦：接口抽象(隐藏不必要信息，提高可移植性)

通过函数指针和注册机制，将驱动程序和应用层在二进制层面上分离。应用层通过函数指针，以查找并跳转的方式执行驱动程序。

注册机制实质上就是查找表(Look Up Table)。App和Driver可以单独被链接到不同的地址，但是通过指定的函数指针查找并跳转，二者依然可以建立调用关系。

但是由于App和Driver间的调用关系从未真正解除，二者的代码会运行在同一个程序上下文中。我们很难高效地在同一个程序上下文中，分离App和Driver的代码，有针对性地部署安全策略。在App/Driver的API中插桩虽然可以实现权限控制的需求，但无论是开发效率，还是执行效率，都非常低下。当系统规模逐渐膨胀、逻辑逐渐复杂的时候，这种实现方式对效率的影响是灾难性的。

3. 逻辑解耦：程序安全(分离执行上下文，提高安全性)

应用层和驱动层仅通过结构化信息，传递驱动请求和响应。由于二者间不存在显式/隐式的调用关系，所以驱动层和应用层可以运行在不同的地址空间，使得可以适应相对复杂安全设计。

举个例子，App线程和Driver线程，以某种IPC方法传递一类自描述结构体。在这类自描述结构体中，应当能够描述App线程需要的一系列驱动动作请求。当Driver线程拿到自描述结构体时，就会根据其中所描述的动作，调用指定的驱动代码完成指定的动作，并将结果以类似的方式传回App线程。这种设计使得App和Driver间不存在任何调用关系，并且由于App和Driver运行在不同的程序上下文，易于实现更有效的安全机制。我们可以使用MMU或者MPU这类硬件，非常轻松地划定App和Driver代码的运行权限。通过在Driver线程中实现更完备的安全检查，程序可以更有效地拦截并处理空指针、非法数据格式这类异常，提高系统健壮性。

当然，使用独立的Driver线程并不是逻辑解耦的唯一实现方法。现代处理器一般都会提供一类特殊的SVC中断，作为System Service的入口。通过指定的SVC请求号，即可在SVC中断上下文中调用指定的驱动程序。

但这种设计方法也不是没有代价的。由于消除了调用关系，这种方法中的驱动请求和驱动执行是异步关系。对于高频执行，或者高实时性要求的驱动需求来说，异步机制引入的不确定性是需要谨慎斟酌的。

需要说明的是，上述三类解耦的设计方法是逐渐递进，而不是并列或者互斥的关系。

在构建解耦的基础上，实现二进制解耦有助于提高程序的抽象程度，从而提高程序的可移植性。

而在构建解耦、二进制解耦的基础上，实现**逻辑解耦**则有利于进一步地提高程序的健壮性。

我们通常认为，在中断中，不能执行耗时的操作，否则会影响系统的稳定性，尤其对于嵌入式编程。对于带操作系统的程序而言，可以通过操作系统的调度，将中断处理分成两个部分，耗时的操作可以放到线程中去执行，但是对于没有操作系统的情况，又应该如何处理呢

比较常见的，我们可能会定义一些全局变量，作为flag，然后在mainloop中不停的判断这些flag，再在中断中修改这些flag，最后在mainloop中执行具体的逻辑，但是这样，无疑会增加耦合，增加程序维护成本。

cpost

cpost正是应用在这种情况下的一个简单但又十分方便的工具，它可以特别方便的进行上下文的切换，减少模块耦合。

cpost借鉴的Android的handler机制，通过在mainloop中跑一个任务，然后在其他地方，可以是中断，也可以是模块逻辑中，直接抛出需要执行的函数，使其脱离调用处的上下文，运行在mainloop中。cpost还支持延迟处理，可以指定函数在抛出后多久执行

使用

cpost的使用十分简单，这里以使用在嵌入式无操作系统中为例，主要用作中断延迟处理的情况

1、配置系统tick

配置cpost.h中的宏CPOST_GET_TICK，配置成获取系统tick，以stm32 hal为例

# defineCPOST_GET_TICK HAL_GetTick

2、配置处理进程 在mainloop调用cpostProcess函数

intmain( void)

{

...

while( 1)

{

cpostProcess;

}

return0;

}

3、抛出任务

在中断等需要进行上下文切换的地方调用cpsot接口，使其在mainloop中运行

cpost(intHandler);

原理解析

cpost的原理其实很简单，其代码量也十分少，总共加起来就只有几十行代码，cpost维护了一个而全局的数组

CpostHandler cposhHandlers[CPOST_MAX_HANDLER_SIZE] = { 0};

其中，数组的每一个元素表示包含了需要执行的函数和参数，当调用cpost接口时，被post的函数和参数会被保存在这个数组中，然后mainloop中运行的cpostProcess函数会遍历这个数组，当满足条件时，执行对应的函数，从而达到上下文切换的目的

voidcpostProcess( void)

{

for( size_ti = 0; i < CPOST_MAX_HANDLER_SIZE; i++)

{

if(cposhHandlers[i].handler)

{

if(cposhHandlers[i].time == 0|| CPOST_GET_TICK >= cposhHandlers[i].time)

{

cposhHandlers[i].handler(cposhHandlers[i].param);

cposhHandlers[i].handler = NULL;

}

}

}

}

其实，cpost的方式，和一开始提到的使用全局的flag进行上下文切换的方法很像，只不过，cpost通过一个数组的维护和直接post函数的方式，省去了维护flag的成本，也不需要将需要执行的函数耦合到mianloop中，从而变得简单易用。

完美解耦 - cevent应用

对于模块化编程来说，如何实现各模块间的解耦一直是一个比较令人头疼的问题，特别是对于嵌入式编程，由于控制逻辑复杂，并且对程序体积有控制，经常容易写出各独立模块之间相互调用的问题。由此，cpost中的cevent组件，通过模仿Android系统中的广播机制，提供了一种非常简单的模块间解耦实现。

原理

cevent借鉴的是Android系统的广播机制，一方面，各模块在工作的时候，都会有多个具体的事件点，在高耦合的编程中，可能会在这些地方调用其他模块的功能，比如说，在通信模块接收到指令的时候，需要闪烁一下指示灯。

使用cevent，我们可以在这些地方抛出一个事件，当前模块不需要关心在这各地方需要执行哪些其他模块的逻辑，由其他模块，或者用户定义一个事件监听，当具体的事件发生时，执行相应的动作。

使用

cevent使用注册的方式监听事件，会依赖于编译环境，目前支持keil，iar，和gcc，对于gcc，需要修改链接文件(.ld)，在只读数据区添加：

_cevent_start = .;

KEEP (*(cEvent))

_cevent_end = .;

1、初始化cevent

系统初始化时，调用ceventInit

ceventInit;

2、注册cevent事件监听

在c文件中，调用CEVENT_EXPORT导出事件监听

CEVENT_EXPORT( 0, handler, ( void*)param);

3、发送cevent事件

在事件发生的地方，调用ceventPost抛出事件

ceventPost( 0);

使用cevent解耦模块初始化

嵌入式编程中，我们习惯会在程序启动的时候，调用各个模块的初始化函数，其实这也是一种耦合，会造成main函数中出现很长的初始化代码，借助cevent，我们可以对初始化进行优化解耦。

1、定义初始化事件

定义初始化事件的值，对于初始化，有些模块可能会依赖于其他模块的初始化，会有一个先后顺序要求，所以这里我们可以把初始化分成两个阶段，定义两个事件，当然，如果有更复杂的要求，可以再多分几个阶段，只需要多定义几个事件就行

# defineEVENT_INIT_STAGE1 0

# defineEVENT_INIT_STAGE2 1

2、初始化cevent，抛出事件

在main函数中初始化cevent，并抛出初始化事件

intmain( void)

{

...

ceventInit;

ceventPost(EVENT_INIT_STAGE1);

ceventPost(EVENT_INIT_STAGE2);

...

return0;

}

3、注册事件监听

对所有需要初始化的函数注册事件监听，这里我以对letter-shell注册事件监听为例，分为两个部分，初始化串口和初始化shell。

在serial模块中，将串口初始化注册到初始化第一阶段，cevent支持将不大于7个的参数直接传递到注册的监听函数中，下面的注册方式，相当于在EVENT_INIT_STAGE1事件发生的地方，也就是main函数中对应的位置，调用serialInit(&debugSerial)

CEVENT_EXPORT(EVENT_INIT_STAGE1, serialInit, ( void*)(&debugSerial));

然后再shell模块中，将shell初始化函数注册到初始化第二阶段。

CEVENT_EXPORT(EVENT_INIT_STAGE1, shellInit);

使用cevent解耦mainloop

再无操作系统的嵌入式编程中，我们如果同时希望运行多个模块的逻辑，通常是在mainloop中循环调用，这种将函数写入mainloop的做法，也会增加耦合

intmain( void)

{

...

while( 1)

{

// 写在mainloop中的模块逻辑

shellTask(&shell);

LedProcess;

...

}

return0;

}

通过使用cevent，也可以很方便的消除这种耦合

1、定义mainloop事件

定义mainloop事件的值

# defineEVENT_MAIN_LOOP 3

2、在mainloop中抛出事件

去掉mainloop中对其他模块的调用，改为排除mainloop事件

intmain( void)

{

...

while( 1)

{

ceventPost(EVENT_MAIN_LOOP);

}

return0;

}

3、在各模块中注册事件监听

分别在各个模块中，注册对mainloop事件的监听

CEVENT_EXPORT(EVENT_MAIN_LOOP, shellTask, ( void*)(&shell));

CEVENT_EXPORT(EVENT_MAIN_LOOP, LedProcess);