在資源有限的嵌入式系統中，架構設計至關重要。它不僅影響系統的效能和穩定性，也決定了後續的開發和維護成本。合理的模組化設計，搭配清晰的介面定義，能有效降低系統的複雜度，提升程式碼的可重用性。此外，妥善的狀態管理策略，例如利用靜態變數和物件導向的設計思維，能避免全域變數汙染，提升程式碼的可讀性和可維護性。
設計模式的應用能進一步最佳化嵌入式系統架構。例如，Adapter 模式能橋接不同模組之間的介面差異，SPI 介面設計就是一個典型案例。而單例模式則能確保系統中特定資源的唯一性，例如日誌模組。此外，MVC 模式能有效分離資料、顯示和控制邏輯，提升程式碼的結構性和可測試性。最後，沙盒環境的建立，讓開發者得以在模擬環境中進行測試和除錯，降低開發風險，確保系統的穩定性。
3. 設計嵌入式軟體
設計嵌入式軟體需要考慮許多因素，例如系統的限制、使用者需求和軟體的可靠性。以下是設計嵌入式軟體的一些原則：
3.1 模組化設計
模組化設計是指將軟體分成多個獨立的模組，每個模組負責一部分功能。這樣可以提高軟體的可維護性和可靠性。
3.2 資訊隱藏
資訊隱藏是指將軟體的實作細節隱藏起來，只暴露必要的介面。這樣可以提高軟體的安全性和可靠性。
3.3 介面設計
介面設計是指設計軟體之間的介面，確保不同模組之間可以正確地通訊。
建立系統架構
在建立系統架構的過程中，瞭解系統的複雜性和模組之間的互動作用是非常重要的。一個良好的系統架構可以幫助我們更好地理解系統的運作原理，從而提高系統的可靠性和可維護性。
組織圖
組織圖是一種用於描述系統模組之間關係的圖表。它可以幫助我們瞭解系統的結構和模組之間的互動作用。組織圖通常由多個模組組成，每個模組代表著系統的一部分。模組之間的關係可以透過箭頭或線條來表示。
層次圖
層次圖是一種用於描述系統模組之間層次關係的圖表。它可以幫助我們瞭解系統的層次結構和模組之間的依賴關係。層次圖通常由多個層次組成，每個層次代表著系統的一個層面。模組之間的關係可以透過箭頭或線條來表示。
設計變化
在設計系統架構的過程中，變化是不可避免的。變化可能來自於需求的改變、技術的進步或其他因素。因此，設計系統架構時需要考慮到變化的可能性，並盡量減少變化對系統的影響。
封裝模組
封裝模組是指將模組的內部實作細節隱藏起來，只暴露必要的介面和功能。這樣可以提高系統的可維護性和可擴充套件性。封裝模組還可以幫助我們減少模組之間的耦合度，從而提高系統的可靠性。
委派任務
委派任務是指將任務分配給不同的模組或團隊成員。這樣可以提高系統的可維護性和可擴充套件性。委派任務還可以幫助我們減少模組之間的耦合度，從而提高系統的可靠性。
###驅動程式介面 驅動程式介面是指驅動程式與其他模組之間的介面。驅動程式介面通常包括開啟、關閉、讀取、寫入和控制等功能。驅動程式介面需要盡量簡單和統一，以便於使用和維護。
程式碼風格
程式碼風格是指程式碼的組織和格式。程式碼風格需要盡量統一和簡潔，以便於閱讀和維護。程式碼風格還可以幫助我們減少錯誤和提高系統的可靠性。
內容解密：
本文主要介紹了建立系統架構的過程和相關概念，包括組織圖、層次圖、設計變化、封裝模組、委派任務、驅動程式介面和程式碼風格等。透過瞭解這些概念，可以幫助讀者建立出一個良好的系統架構，從而提高系統的可靠性和可維護性。
圖表翻譯：
graph LR
A[組織圖] --> B[層次圖]
B --> C[設計變化]
C --> D[封裝模組]
D --> E[委派任務]
E --> F[驅動程式介面]
F --> G[程式碼風格]
本圖表展示了建立系統架構的過程和相關概念之間的關係。透過這個圖表，可以幫助讀者瞭解建立系統架構的步驟和相關概念。
建立系統架構
在建立系統架構時，需要考慮多個因素，包括模組化、介面定義、狀態管理等。以下是相關內容的重寫版本：
模組化和介面定義
一個良好的系統架構應該是模組化的，每個模組都有明確的介面定義。這樣可以使得系統更容易維護、擴充套件和修改。介面定義應該盡可能簡單和通用，以便於不同模組之間的溝通。
例如，SPI（Serial Peripheral Interface）是一種常見的介面，通常用於連線外部裝置。一個SPI介面可能包含以下函式：
spi_open(): 開啟SPI介面SpiOpen(WITH_LOCK): 開啟SPI介面並鎖定SpiIoctl(kChangeFrequency, THIRTY_MHz): 設定SPI頻率
這些函式提供了一個簡單和通用的介面，讓上層模組可以輕鬆地使用SPI介面。
Adapter Pattern
Adapter Pattern是一種常見的設計模式，用於將一個介面轉換為另一個介面。這樣可以使得不同模組之間的溝通更加方便。例如，一個顯示模組可能需要使用SPI介面來與外部裝置溝通，但SPI介面可能不是顯示模組所期望的介面。這時，可以使用Adapter Pattern來將SPI介面轉換為顯示模組所期望的介面。
狀態管理
狀態管理是系統架構中的一個重要方面。每個模組都可能有自己的狀態，需要被管理。有一種方法是使用全域性變數來儲存狀態，但這種方法可能會導致 spaghetti code。另一種方法是使用靜態變數來儲存狀態，這樣可以使得狀態被封裝在模組內部。
例如，一個日誌模組可能需要儲存日誌級別和日誌訊息。可以使用靜態變數來儲存這些狀態：
static tBoolean gLogOnPrivate;
static tLogLevel gLogLevel;
這樣可以使得日誌模組的狀態被封裝在模組內部，避免了全域性變數的使用。
物件導向程式設計
物件導向程式設計是一種常見的程式設計正規化，用於封裝資料和行為。即使在C語言中，也可以使用物件導向程式設計的思想來封裝資料和行為。例如，可以使用靜態變數來儲存狀態，並使用函式來封裝行為。
static tBoolean gLogOnPrivate;
void log_on() {
gLogOnPrivate = TRUE;
}
void log_off() {
gLogOnPrivate = FALSE;
}
這樣可以使得日誌模組的狀態和行為被封裝在模組內部，避免了全域性變數的使用。
建立系統架構
在建立系統架構時，需要考慮到各個模組之間的關係和溝通。一個好的架構應該能夠保持模組之間的獨立性和可重用性。
全域變數和結構
在 C 語言中，使用全域變數可能會導致變數汙染和難以追蹤的問題。一個更好的方法是使用結構來封裝相關的變數。例如：
struct {
tBoolean logOn;
enum eLogLevel outputLevel[NUM_LOG_SUBSYSTEMS];
} sLogStruct;
static struct sLogStruct gLogData;
這樣可以將相關的變數封裝在一起，並且可以透過函式來存取和修改這些變數。
單例模式
單例模式是一種常用的設計模式，確保某個類別只有一個例項。這個例項可以被全域性存取，但所有存取都需要透過單例類別的介面。
class Singleton {
public:
static Singleton* GetInstance() {
if (instance_ == NULL) {
instance_ = new Singleton;
}
return instance_;
}
protected:
Singleton(); // no one can create this except itself
private:
static Singleton* instance_; // the one single instance
};
單例模式可以用於 logging 子系統，確保只有一個 logging 例項被建立。
模型-檢視-控制器模式
模型-檢視-控制器（MVC）模式是一種常用的設計模式，將應用程式分為三個部分：模型、檢視和控制器。模型負責儲存和管理資料，檢視負責顯示資料，控制器負責處理使用者輸入和更新模型和檢視。
- 模型：儲存和管理資料
- 檢視：顯示資料
- 控制器：處理使用者輸入和更新模型和檢視
MVC 模式可以用於分離應用程式的邏輯和顯示，從而使得開發和測試更加容易。
沙盒環境
沙盒環境是一種虛擬環境，允許開發者在一個隔離的環境中測試和除錯演算法。沙盒環境可以模擬真實系統的輸入和輸出，從而使得開發者可以在不影響真實系統的情況下測試和除錯演算法。
- 輸入：模擬真實系統的輸入
- 輸出：模擬真實系統的輸出
- 演算法：在沙盒環境中測試和除錯
沙盒環境可以用於測試和除錯複雜的演算法，從而使得開發者可以在不影響真實系統的情況下確保演算法的正確性和可靠性。
從底層驅動程式到高階應用程式，嵌入式軟體設計是一門融合多項專業的工程藝術。考量系統資源有限、即時性要求嚴苛以及與硬體緊密耦合的特性，開發者必須在效能、功耗和穩定性之間取得精妙的平衡。
分析嵌入式軟體設計的核心，模組化設計是至關重要的。如同精密儀器中的齒輪般，各個模組各司其職，又緊密協作。清晰的介面定義如同契約，規範了模組間的互動，降低耦合性，提升系統的維護性和可擴充套件性。資訊隱藏原則則如同保險箱，保護了模組內部的敏感資訊，避免外部幹擾，增強系統的穩定性。
然而，僅僅做到模組化設計並不足夠。在實務中，我們還需要藉助設計模式來解決常見問題。例如，介面卡模式（Adapter Pattern）能巧妙地橋接不同模組間的介面差異，如同翻譯官般，讓它們順暢溝通。狀態管理則是系統的脈搏，記錄著系統的執行狀態。有效管理狀態，例如使用靜態變數封裝模組內部狀態，避免全域變數汙染，能讓系統的行為更加可預測和可靠。
展望未來，隨著物聯網裝置的普及和邊緣運算的興起，嵌入式軟體設計將面臨更大的挑戰和機遇。更小巧的裝置、更低的功耗、更智慧的演算法，都將驅動嵌入式軟體設計不斷進化。玄貓認為，掌握物件導向的設計思想，即使在資源受限的嵌入式系統中，也能有效提升程式碼的可讀性、可維護性和可重用性，是未來嵌入式軟體工程師的必備技能。
