面向接口的編程——平臺技術(shù)、開關(guān)量信號

周立功教授新書《面向AMetal框架與接口的編程（上）》，對AMetal框架進行了詳細介紹，通過閱讀這本書，你可以學(xué)到高度復(fù)用的軟件設(shè)計原則和面向接口編程的開發(fā)思想，聚焦自己的“核心域”，改變自己的編程思維，實現(xiàn)企業(yè)和個人的共同進步。經(jīng)周立功教授授權(quán)，即日起，致遠電子公眾號將對該書內(nèi)容進行連載，愿共勉之。

第四章為面向接口的編程，本文內(nèi)容包括：4.1 平臺技術(shù)、4.2 開關(guān)量信號。

本章導(dǎo)讀：

在結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計中，由于高層模塊依賴底層模塊，通常一個變化會引出另外的問題發(fā)生改變，則變化的代價就會急劇上升。所以在引入接口時，一個重要的經(jīng)濟考量是軟件的不可預(yù)測性，因為需求和技術(shù)都在以不可預(yù)測的方式變化，其目的就是為了降低依賴。

4.1 平臺技術(shù)

>>> 4.1.1 創(chuàng)新的窘境

雖然嵌入式系統(tǒng)和通用計算機系統(tǒng)同源，由于應(yīng)用領(lǐng)域和研發(fā)人員的不同，嵌入式系統(tǒng)很早就走向了相對獨立的發(fā)展道路。通用計算機軟件幫助人們解決了各種繁雜的問題，隨著需求的提升，所面臨的問題越來越復(fù)雜，軟件領(lǐng)域的大師們對這些問題進行了深入研究和實踐，于是誕生了科學(xué)的軟件工程理論，無需多言通用計算機軟件的發(fā)展是我們有目共睹的。

再回過頭來看嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，其需求相對來說較為簡單，比如，通過熱電阻傳感器測溫、上下限報警與繼電器的動作，因此嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)似乎沒有必要使用復(fù)雜的軟件工程方法，于是通用計算機系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)走上了不同的發(fā)展道路。

當(dāng)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到今天，所面對的問題也日益變得復(fù)雜起來，而編程模式卻沒有多大的進步，這就是所面臨的困境。相信大家都或多或少地感覺到了，嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的環(huán)境已經(jīng)開始發(fā)生了根本的改變，智能硬件和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等都讓人始料不及，危機感油然而生。

盡管企業(yè)投入巨資不遺余力地組建了龐大的開發(fā)團隊，當(dāng)產(chǎn)品開發(fā)完成后，從原材料BOM 與制造成本角度來看，毛利還算不錯。當(dāng)扣除研發(fā)投入和合理的營銷成本后，企業(yè)的利潤所剩無幾，即便這樣員工依然還是感到不滿意，這就是傳統(tǒng)企業(yè)管理者的窘境。

雖然ZLG 投入了大量的人力資源，但重復(fù)勞動所造成的損耗以億元計。上千種MCU，由于缺乏平臺化的技術(shù)，即便相同的外圍器件，幾乎都要重新編寫相應(yīng)的代碼和文檔并進行測試，所有的應(yīng)用軟件很難做到完美地復(fù)用。

在開發(fā)同一系列高中低三個層次的產(chǎn)品時，通常會遇到這樣的問題，主芯片可能使用ARM9、雙核A9 和DSP，其操作系統(tǒng)分別為μC/OS-II、Linux 和SysBIOS。不僅驅(qū)動代碼不兼容，而且應(yīng)用層代碼也不一樣，顯然浪費在這上面的開銷是不可想象的。

>>> 4.1.2 AWorks

在MCU 產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，不同的MCU 外設(shè)的差異千差萬別。AWorks 對同一類外設(shè)進行了抽象，并設(shè)計了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)接口與對應(yīng)的中間層，使得不同廠商、型號的MCU 外設(shè)都能以標(biāo)準(zhǔn)的接口操作。

對于上層操作系統(tǒng)而言，對各個外設(shè)都需要編寫驅(qū)動。在編寫特定操作系統(tǒng)下的驅(qū)動時，必須熟悉特定的驅(qū)動平臺與操作系統(tǒng)調(diào)用，以至于程序員不得不花費大量的時間學(xué)習(xí)與此相關(guān)的知識。對于同一個外設(shè)而言，如果要支持多個操作系統(tǒng)，則需要編寫多個驅(qū)動，其實驅(qū)動底層對硬件的操作是有相通之處的，AWorks 的出現(xiàn)便是解決這里提到的問題。

1． AWorks 的特點

如圖4.1 所示是AWorks 的標(biāo)識符，這是ZLG 經(jīng)過十多年時間積累開發(fā)的IoT 物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，成功地應(yīng)用到ZLG 的示波器、功率計、功率分析儀、電壓監(jiān)測儀、電能質(zhì)量分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀與工業(yè)通訊等系列高性能儀器和工業(yè)IoT 產(chǎn)品中。

圖4.1 AWorks

雖然AWorks 內(nèi)嵌了操作系統(tǒng)，但AWorks 中的操作系統(tǒng)如同一個驅(qū)動代碼一樣，僅僅是一個可以根據(jù)需要任意更換的組件。操作系統(tǒng)適配器直接駐留在操作系統(tǒng)接口之上，主要用于屏蔽各類操作系統(tǒng)和硬件接口的差異，從而增強了AWorks 的可移植性和可維護性，詳見圖4.2。

圖4.2 AMetal 與AWorks 的關(guān)系

AWorks 的核心是制定了統(tǒng)一的接口規(guī)范，可以“按需定制”提供各種各樣的高質(zhì)量組件，以及圖形化配置工具，則開發(fā)者無需關(guān)心與MCU、外圍器件、OS有關(guān)的技術(shù)細節(jié)。如果要對底層硬件外設(shè)進行操作，也可以直接調(diào)用底層接口。

其目的是不依賴于具體的底層硬件，實現(xiàn)“一次編程、終生使用”和“跨平臺”，通過高度復(fù)用應(yīng)用軟件組件，從而將程序員從苦海中釋放出來，使之聚焦于更有競爭力的需求分析、算法和用戶體驗等業(yè)務(wù)邏輯上。行業(yè)合作伙伴可以在該平臺上開發(fā)各種應(yīng)用，通過有線接入和無線接入收集、管理和處理數(shù)據(jù)。

由于AWorks 提供的所有組件均使用靜態(tài)內(nèi)存，不使用malloc()等動態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)，徹底避免了內(nèi)存泄漏。且程序編譯完成后，即可知道系統(tǒng)運行需要占用多大的內(nèi)存。AWorks是輕量級的實時系統(tǒng)，所有組件對初始化都進行了優(yōu)化，系統(tǒng)能以極短的時間啟動，因此在絕大部分項目中，啟動時間<1s。顯然系統(tǒng)運行時的實時性，確定性得到了最大的保障。

2． AMetal 的特點

AMetal 是AWorks 的子集，它是以API 的形式提供的，但不依賴AWorks。即：

• 將外設(shè)操作標(biāo)準(zhǔn)化，無需再次開發(fā)上層軟件、驅(qū)動；

• AMetal 作為AWorks 標(biāo)準(zhǔn)化的外設(shè)功能補充，可以直接調(diào)用；

• 可作為獨立發(fā)布的軟件包。

其特點為：

• 能獨立運行的AMetal，提供工程模板與demo，在此基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用程序；

• 不依賴操作系統(tǒng)服務(wù)，將外設(shè)的所有特性開放出來；

• 封裝時將效率和變化部分放在第一位，用戶不看手冊也能使用。

AMetal 在嵌入式軟件開發(fā)中的位置詳見圖4.3，它位于底層硬件和上層軟件之間，可以被應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)直接調(diào)用。AMetal 包括兩部分，即AMetal API 和AMetal 組件。

圖4.3 AMetal 在嵌入式軟件開發(fā)中位置

AMetal API 重在抽象MCU 本身的功能部件，比如，GPIO、SPI、UART、I²C 等，程序員再也不用查看芯片手冊就能編寫外圍器件驅(qū)動程序。AMetal 組件重在抽象外圍擴展接口器件，比如，E²PROM、SPI NOR Flash、PCF85063 RTC、zigbee、BLE、鍵盤掃描與LED顯示器電路等，程序員再也不用看原理圖和編寫外圍器件驅(qū)動程序。

AMetal 提供的不僅僅是某個MCU 的軟件包，而是一套接口規(guī)范，因此只要遵循AMetal 標(biāo)準(zhǔn)化接口函數(shù)規(guī)約，無論所用的MCU 是ARM還是DSP 或其它的內(nèi)核，則應(yīng)用軟件均可實現(xiàn)復(fù)用。

如圖4.4 所示的AMetal 框架分為硬件層、驅(qū)動層和標(biāo)準(zhǔn)接口層，上層軟件根據(jù)需求調(diào)用合適的API 接口。三層都有對應(yīng)的頭文件和用戶配置文件，供用戶引用相應(yīng)的接口。雖然各大半導(dǎo)體公司針對各自的MCU，提供了類似AMetal 這樣的裸機API，但每個新的MCU，其API 的差異很大，因此很難做到復(fù)用應(yīng)用軟件。

圖4.4 AMetal 框架

這里以GPIO 為例，給出相應(yīng)的的文件結(jié)構(gòu)圖，詳見圖4.5，AMetal 其相應(yīng)的文件有：HW 層文件、驅(qū)動層文件和用戶配置文件。通常情況下，HW 層提供了直接操作硬件寄存器的接口，接口實現(xiàn)簡潔，往往以內(nèi)聯(lián)函數(shù)的形式放在.h 文件中，因此，HW 層通常只包含.h文件，但當(dāng)某些硬件功能設(shè)置較為復(fù)雜時，也會提供對應(yīng)的非內(nèi)聯(lián)函數(shù)，存放在.c文件中。驅(qū)動層作為中間層，其使用HW 層接口，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)接口層中定義的接口，以便用戶使用標(biāo)準(zhǔn)API 訪問GPIO。用戶配置文件完成了相應(yīng)驅(qū)動的配置，如引腳數(shù)目等。

圖4.5 GPIO 文件結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)接口層對常見外設(shè)的操作進行了抽象，提出了一套標(biāo)準(zhǔn)API 接口，可以保證在不同的硬件上，標(biāo)準(zhǔn)API 的行為都是一樣的。用戶使用一個GPIO 的過程：先調(diào)用驅(qū)動初始化函數(shù)，后續(xù)在編寫應(yīng)用程序時僅需直接調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)即可。可見，應(yīng)用程序基于標(biāo)準(zhǔn)API 實現(xiàn)的，標(biāo)準(zhǔn)API 與硬件平臺無關(guān)，使得應(yīng)用程序可以輕松的在不同的硬件平臺上運行。

4.2 開關(guān)量信號

>>> 4.2.1 I/O 輸入輸出

嵌入式系統(tǒng)的主要功能就是要實現(xiàn)對現(xiàn)實事件的監(jiān)控，如同沒有配置顯示器、打印機或鍵盤的臺式計算機一樣，嵌入式系統(tǒng)必須具備輸入輸出（I/O）數(shù)字信號和模擬信號的能力。LPC824 系列MCU 可用的GPIO 數(shù)目，具體取決于芯片的封裝類型，詳見表4.1。

表4.1 GPIO 引腳

其特性為：

（1）每個GPIO 引腳均可通過軟件配置為輸入或輸出；

（2）復(fù)位時所有GPIO引腳默認(rèn)為輸入；

（3）引腳中斷寄存器允許單獨設(shè)置；

（4）可以獨立配置每個引腳的置高和置低。

當(dāng)LPC824 系列MCU 的I/O 口作為數(shù)字功能時，可配置為上拉/下拉、開漏和遲滯模式。在輸出模式下，無論配置為哪種模式，I/O 口都可輸出高/低電平。在輸入模式下，且引腳懸空時，I/O 口設(shè)置為不同模式時，其情況為：

（1）設(shè)置為高阻模式時，讀取引腳的電平狀態(tài)不確定；

（2）設(shè)置為上拉模式時，讀取引腳的電平狀態(tài)為高電平；

（3）設(shè)置為下拉模式時，讀取引腳的電平狀態(tài)為低電平；

（4）設(shè)置為中繼模式時，如果引腳配置為輸入且不被外部驅(qū)動，那么它可以令輸入引腳保持上一種已知狀態(tài)。

在默認(rèn)情況下，除I²C 總線P0_10 和P0_11 沒有可編程的上拉/下拉電阻和中繼模式外，其它所有GPIO 的上拉電阻都被使能。在默認(rèn)情況下，每個GPIO 僅分配給一個且僅一個外部引腳，外部引腳隨后便由其固定引腳GPIO 功能來標(biāo)識。但通過開關(guān)矩陣可將內(nèi)部功能分配給除電源和接地引腳外的任意外部引腳，這些功能稱為可轉(zhuǎn)移功能。而晶體振蕩器引腳（XTALIN/XTALOUT）或模擬比較器輸入等某些功能僅可分配給具有適當(dāng)電氣特性的特定外部引腳，這些功能稱為固定引腳功能。如果某個固定引腳功能未被使用，則可將其替換為任意可轉(zhuǎn)移功能。對于固定引腳模擬功能，開關(guān)矩陣可使能模擬輸入或輸出并禁用數(shù)字端口。

>>> 4.2.2 新建工程

在編程之前，必須先建立工程，然后才能將程序下載到開發(fā)板上運行。由于AMetal 已經(jīng)提供了模板工程，所以“新建工程”只需拷貝一下即可。

模板工程就是位于projects_keil5applications 目錄下的 template 文件夾。新建工程即將該文件夾重新復(fù)制一份，命名為led_blinking。接著打開led_blinking 文件夾，將工程文件命名為led_blinking，然后雙擊led_blinking.uvprojx 工程文件打開工程，更詳細的操作詳見配套開發(fā)資料中的《快速入門手冊》。

打開工程后，雖然在工程視圖的左側(cè)有很多分組（user_config 和user_code 等），每個分組下都有相應(yīng)的文件。但先不用理會，只需要關(guān)心user_code 分組下的main.c 文件，就在該文件中的am_main()函數(shù)中添加應(yīng)用程序。當(dāng)MCU 無事可做時，不能讓它閑下來，因為am_main()函數(shù)結(jié)束標(biāo)志整個應(yīng)用程序結(jié)束，從而導(dǎo)致MCU 跑飛。因此，am_main()函數(shù)中通常都存在一個while(1)死循環(huán)。當(dāng)工程建好后，即可編程了。

>>> 4.2.3 輸出控制

如圖4.6 所示為AM824-Core 板載的2 個LED發(fā)光二極管，與MCU 的I/O 引腳通過J9 和J10 相連，其中的LED0 通過J9 與MCU 的PIO0_20 相連，LED1 通過J10 與MCU 的PIO0_21 相連。當(dāng)I/O 輸出低電平0 時，由于LED 陽極加了3.3V 電壓（高電平1），因而形成了電位差，所以有電流流動，則LED 發(fā)光二極管導(dǎo)通，即LED 發(fā)光；當(dāng)I/O 輸出高電平1 時，由于無法形成電位差，則LED二極管不導(dǎo)通，即LED 熄滅。

圖4.6 板載LED 電路

電阻R3、R4 的作用是防止產(chǎn)生過電流而燒壞LED，這是由電源電壓和LED 的額定電流決定的LED 電學(xué)特性而接入的，當(dāng)LED 的電壓超過1.5V 時，電流將急劇增加，所以必須避免出現(xiàn)這樣的情況。在數(shù)字電路中，當(dāng)輸出為高電位時，則電流流到負載上；當(dāng)輸出為低電位時，則從負載一側(cè)吸入電流。前者的電流叫作源電流，后者叫作吸收電流。顯然LED只有點亮、熄滅和翻轉(zhuǎn)3 種操作，可以直接調(diào)用接口函數(shù)實現(xiàn)，led.h 接口文件的內(nèi)容詳見程序清單4.1（各接口具體的實現(xiàn)在第4 章中會詳細介紹）。

程序清單4.1 led.h 接口

其中，led_id 是LED 的編號，AM824-Core 板載LED 的編號分別為0 和1。事實上程序設(shè)計的依賴倒置原則不一定要包含函數(shù)指針或抽象類型數(shù)據(jù)，當(dāng)調(diào)用led_on()和led_off()點亮或熄滅LED 時，就使用了依賴倒置原則。它本來可以與I/O 的內(nèi)存映射直接交互，卻將直接訪問抽象成了接口。那么針對接口的編程不妨就從點亮LED 開始，詳見程序清單4.2。

程序清單4.2 點亮LED 范例程序

LED 閃爍就是讓LED 不停的亮滅，因為計算機指令的執(zhí)行速度非?？欤鋱?zhí)行時間是微秒級的，所以在微秒之間點亮和熄滅LED，眼睛是看不到閃爍現(xiàn)象的。如果想讓人眼看到LED 閃爍，就必須將LED 點亮和熄滅的停頓時間擴大近秒級別。如何實現(xiàn)停頓呢？點亮LED 后，先不要熄滅LED，而是先延時一會兒，讓“點亮LED 后，再保持一段時間”，然后再熄滅LED。在實驗之前，我們需要延時函數(shù)，它在C 語言中是怎么實現(xiàn)呢？很簡單，就是讓MCU 執(zhí)行一些沒有任何實際意義的空循環(huán)指令，進而等效于延時。延時范例程序詳見程序清單4.3，該程序中，MCU 大約就要執(zhí)行1000000 條空指令。

程序清單4.3 延時范例程序

這樣的延時函數(shù)好用嗎？由于MCU 運行速率不同，因而導(dǎo)致實際的延時結(jié)果不同。如果要求不同的延時時間，則又需要不同的延時函數(shù)。顯然，該延時函數(shù)不僅通用性太差，而且延時時間也不精確。幸運的是，AMetal 提供了使用定時器實現(xiàn)的高精度標(biāo)準(zhǔn)延時函數(shù)，主要包含了2 個延時函數(shù)，其函數(shù)原型（am_delay.h）如下：

按照前面的思路，在點亮燈之后，延時一段時間，讓“亮燈狀態(tài)”保持一段時間，再熄滅LED 燈，再延時一段時間，讓“熄滅狀態(tài)”保持一段時間，詳見程序清單4.4。

程序清單4.4 單個LED 閃爍范例程序（1）

其實LED 不停地閃爍就是讓一個I/O 不斷翻轉(zhuǎn)的過程，而AMetal 軟件包針對LED 提供了翻轉(zhuǎn)LED 狀態(tài)的函數(shù)led_toggle()，優(yōu)化后的代碼詳見程序清單4.5。

程序清單4.5 單個LED 閃爍范例程序（2）

MiniPort-LED 模塊集成了8 個LED，均為低電平有效，分別通過PIO0_8~PIO0_15 控制，其中的R1~R8 為LED 的限流電阻，詳見圖4.7。

圖4.7 LED 模塊電路

LED 模塊通過MiniPort B（排母）與AM824-Core相連，同時將其余不使用的I/O 通過MiniPort A（排針）引出，實現(xiàn)模塊的橫向堆疊，其對應(yīng)AM824-Core 的MiniPort 接口J4 的功能定義詳見圖4.8。

圖4.8 LED 模塊實物與接口定義圖

下面將以LED 流水燈為例說明通用函數(shù)接口的應(yīng)用開發(fā)方法。人們時常看到戶外動畫廣告，一會兒從左到右顯示，一會兒又從右到左顯示，這就是流水燈效果。現(xiàn)在用LED 流水燈來模擬戶外動畫廣告，使LED 順時針旋轉(zhuǎn)循環(huán)流動。假設(shè)上電初始化，將所有的GPIO 都配置為輸出，且初始化為高電平，即所有的LED 全部熄滅。首先點亮LED0，延時后熄滅LED0；接著點亮LED1，延時后熄滅LED1......；然后點亮LED7，延時后熄滅LED7；接著點亮LED0，延時后熄滅LED0……，周而復(fù)始形成了循環(huán)的圓環(huán)，詳見程序清單4.6。

程序清單4.6 LED 流水燈范例程序（1）

流水燈實驗使用的是MiniPort-LED 的8 個LED，其對應(yīng)的控制引腳與AM824-Core 上兩個LED 對應(yīng)的控制引腳是不同的。當(dāng)使用MiniPort-LED 時，需要將led.h 文件中的宏USE_MINIPORT_LED 對應(yīng)的值修改為1，表明使用MiniPort-LED。該宏的默認(rèn)值為0，使用AM824-Core 板載的兩個LED 燈。

顯然，LED 流水燈是一個典型的“首尾相接”算法，循環(huán)隊列與環(huán)形緩沖區(qū)等都屬于同一類問題，這是一種常用的軟件設(shè)計模式，優(yōu)化后的代碼詳見程序清單4.7。

程序清單4.7 LED 流水燈范例程序（2）

如圖4.9 所示為無源蜂鳴器電路原理圖，只要短接J7_1 與J7_2，則蜂鳴器接入PIO0_24。當(dāng)PIO0_24 輸出低電平時，則三極管導(dǎo)通，向蜂鳴器供電；當(dāng)PIO0_24 輸出高電平時，則三極管截止，停止向蜂鳴器供電。因此只需要輪流切換PIO0_24 的電平狀態(tài)，就可以控制蜂鳴器的“通電”和“斷電”，即以一定的頻率翻轉(zhuǎn)PIO0_24 的輸出電平。其實接通和斷開“一段時間”的總和就是蜂鳴器的振蕩周期，再稍作轉(zhuǎn)換就能夠得到確定的音頻脈沖頻率參數(shù)。從而產(chǎn)生機械振動音，只要頻率在人耳聽覺范圍內(nèi)，即可聽到蜂鳴器發(fā)聲。

圖4.9 蜂鳴器電路圖

顯然，通過翻轉(zhuǎn)引腳電平和延時，也可以讓蜂鳴器發(fā)出固定頻率的聲音。假如使蜂鳴器發(fā)出1KHz 頻率的聲音，1KHz 頻率對應(yīng)的周期為：T=1/1000（s）=1（ms），由于一個周期是低電平（接通）時間和高電平（斷開）時間的總和，因此在一個周期內(nèi)，高、低電平保持的的時間分別為500us。由此可見，要使蜂鳴器不間斷地發(fā)聲，只要以500us 的時間間隔不斷的翻轉(zhuǎn)引腳的輸出電平即可。當(dāng)需要控制蜂鳴器時，可直接調(diào)用蜂鳴器接口，buzzer.h文件內(nèi)容詳見程序清單4.8 buzzer.h 接口。

程序清單4.8 buzzer.h 接口

buzzer_init()會將發(fā)聲頻率設(shè)置為默認(rèn)值：1KHz。如需修改發(fā)聲頻率為其它值，如：2.5KHz，則應(yīng)調(diào)用發(fā)聲頻率設(shè)置函數(shù)，即“buzzer_freq_set(2500);”，詳見程序清單4.9。

程序清單4.9 蜂鳴器發(fā)聲范例程序