单片机开发---分层架构设计

一、架构总览

一个结构良好的单片机程序通常会被划分为不同的层次，每一层都职责明确，从而提高代码的可读性、可维护性、可移植性和可测试性。

典型的单片机程序可以划分为以下四个核心层次，从最接近硬件的到最接近用户的逻辑。

单片机程序分层架构总览

下图清晰地展示了常见的四层架构及其依赖关系：

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详细分层说明

下面我们来详细解释每一层的职责、使用方法和示例。

1. 硬件抽象层 (Hardware Abstraction Layer - HAL)

职责：这是最底层，直接与单片机寄存器和外设打交道。它的核心目标是将硬件操作封装成统一的函数接口，从而屏蔽不同型号单片机之间的寄存器操作差异。

使用：

• 对下：直接操作单片机的特定外设寄存器（如 USART1->DR, GPIOA->ODR）。
• 对上：为驱动层提供标准化的、与硬件无关的API（如 void HAL_UART_WriteByte(uint8_t byte)）。
• 当更换单片机型号时，理论上只需要重写或替换这一层代码，上层代码几乎无需改动。

示例代码：

// hal_uart.h
#ifndef __HAL_UART_H
#define __HAL_UART_Hvoid HAL_UART_Init(uint32_t baudrate);
void HAL_UART_WriteByte(uint8_t byte);
uint8_t HAL_UART_ReadByte(void);#endif// hal_uart.c (针对特定MCU，如STM32)
#include "stm32f1xx.h"
#include "hal_uart.h"void HAL_UART_Init(uint32_t baudrate) {// ... 复杂的寄存器配置，如使能时钟、设置波特率、数据位等USART1->BRR = ...; // 根据baudrate计算USART1->CR1 |= USART_CR1_UE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE; // 使能USART、发送、接收
}void HAL_UART_WriteByte(uint8_t byte) {while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)); // 等待发送寄存器空USART1->DR = byte; // 写入数据寄存器
}

2. 驱动层 (Driver Layer)

职责：在HAL的基础上，驱动具体的硬件模块或芯片。它不再关心单片机寄存器，而是关心如何操作一个完整的设备（如温湿度传感器、LCD屏幕、电机驱动芯片）。这一层会实现该设备特定的通信协议和控制逻辑。

使用：

• 对下：调用HAL提供的函数来控制GPIO、SPI、I2C、UART等。
• 对上：为业务逻辑层提供面向功能的API（如 DHT11_ReadTempHumidity）。

示例代码：

// dht11_driver.h
#ifndef __DHT11_DRIVER_H
#define __DHT11_DRIVER_Htypedef struct {float temperature;float humidity;
} DHT11_Data_t;int DHT11_Init(void);
int DHT11_ReadTempHumidity(DHT11_Data_t *data);#endif// dht11_driver.c
#include "hal_gpio.h" // 使用HAL的GPIO函数
#include "hal_delay.h" // 使用HAL的延时函数
#include "dht11_driver.h"// DHT11的通信时序（例如，拉低总线18ms启动信号）
int DHT11_ReadTempHumidity(DHT11_Data_t *data) {// 1. 调用HAL_GPIO_WritePin将数据线拉低// 2. 调用HAL_Delay_ms(18)// 3. 调用HAL_GPIO_ReadPin读取数据线，解析40位数据// 4. 将解析出的二进制数据转换为temperature和humidity，填入data结构体// 5. 返回成功或失败状态
}

3. 业务逻辑层 (Business Logic Layer - BLL) / 中间件层 (Middleware Layer)

职责：这是系统的“大脑”，实现具体的产品功能和应用逻辑。它协调多个驱动，完成复杂的任务。FreeRTOS、文件系统、网络协议栈等也常被视作这一层的一部分。

使用：

• 对下：调用驱动层提供的各种设备API。
• 对上：为应用层提供简洁的服务接口（如 CheckButtonAndControlMotor）。

示例代码：

// control_logic.h
#ifndef __CONTROL_LOGIC_H
#define __CONTROL_LOGIC_Hvoid ControlLogic_Init(void);
void ControlLogic_Run(void); // 主循环中调用#endif// control_logic.c
#include "dht11_driver.h"
#include "fan_driver.h"
#include "button_driver.h"
#include "control_logic.h"void ControlLogic_Run(void) {DHT11_Data_t env_data;static uint32_t last_check_time = 0;// 每5秒检查一次温湿度if (HAL_GetTick() - last_check_time > 5000) {if (DHT11_ReadTempHumidity(&env_data) == SUCCESS) {// 业务逻辑：如果温度高于28度，则打开风扇if (env_data.temperature > 28.0f) {Fan_TurnOn();} else {Fan_TurnOff();}}last_check_time = HAL_GetTick();}// 处理按键事件if (Button_IsPressed()) {Fan_Toggle();}
}

4. 应用层 (Application Layer)

职责：这是整个程序的**“总指挥”，是程序的入口。它负责初始化所有下层模块、创建任务（如果使用RTOS）、启动调度器、并定义整个程序的执行框架**。这一层通常不实现复杂逻辑，只进行组织和调度。

使用：

• 对下：调用业务逻辑层的初始化函数和主循环函数。
• 对外：它是 main.c 的核心内容。

示例代码：

// main.c
#include "hal.h"     // 初始化硬件
#include "drivers.h" // 初始化所有驱动
#include "control_logic.h" // 业务逻辑
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"// 如果没有RTOS
int main(void) {// 1. 初始化所有底层硬件和驱动HAL_Init();SystemClock_Config();DHT11_Init();Fan_Init();Button_Init();// 2. 初始化业务逻辑ControlLogic_Init();// 3. 主循环（轮询架构）for (;;) {ControlLogic_Run(); // 在循环中执行业务逻辑// 可能还有其他任务...}
}// 如果使用FreeRTOS
int main(void) {// 1. 硬件和基础驱动初始化HAL_Init();SystemClock_Config();// 2. 创建业务逻辑任务xTaskCreate(ControlLogic_Task, "ControlLogic", 128, NULL, 2, NULL);// 3. 启动RTOS调度器vTaskStartScheduler();// 4. 永远不会执行到这里for (;;);
}

总结与优势

层次	核心思想	依赖关系	变化影响
应用层	组织与调度	依赖BLL	产品功能改变时修改
业务逻辑层	功能与逻辑	依赖Driver	业务规则改变时修改
驱动层	设备与协议	依赖HAL	更换传感器/设备时修改
硬件抽象层	抽象与统一	依赖MCU硬件	更换单片机型号时修改

采用分层架构的优势：

• 高内聚，低耦合：每一层只关注自己的职责。
• 易于移植：换MCU？主要改HAL。换传感器？主要改Driver。
• 易于协作与测试：可以模拟下层接口，对上层的业务逻辑进行单元测试。
• 代码复用：为同一款MCU写的HAL和Driver，可以用在多个不同的项目中。

在实际项目中，根据系统复杂度，层次可能会合并或进一步细分（例如，在HAL和Driver之间再增加一个板级支持包BSP），但核心的“分层”思想是相通的。

二、更详细一点的层

在单片机项目开发中，为了提高代码的可维护性、复用性和模块化程度，通常会采用分层设计思想。除了直接实现业务逻辑的应用层，常见的分层还包括以下几层（不同项目可能有细微差异，核心是按功能职责划分）：

1. 硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer, HAL）

• 核心作用：屏蔽底层硬件细节，提供统一的软件接口，使上层代码无需直接操作寄存器或硬件引脚。
• 具体功能：
  • 对单片机的外设（如GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、定时器等）进行封装，提供标准化函数（如 gpio_init()、uart_send()）。
  • 处理硬件相关的初始化参数（如引脚定义、波特率、时钟频率），与具体芯片型号绑定。
• 举例：
  无论用STM32还是51单片机，上层调用 uart_send_data(buf, len) 即可发送数据，无需关心底层寄存器配置（如STM32的USART寄存器、51的SBUF寄存器）。

2. 驱动层（Driver Layer）

• 核心作用：在HAL之上，针对具体外部硬件（如传感器、执行器、模块）编写专用驱动，实现硬件的控制逻辑。
• 具体功能：
  • 基于HAL提供的接口，实现特定硬件的初始化、数据读写、状态控制等（如OLED屏驱动、温湿度传感器DHT11驱动、电机驱动L298N）。
  • 处理硬件的时序要求、通信协议（如I2C协议的传感器驱动需实现起始/停止信号、数据收发逻辑）。
• 与HAL的区别：
  HAL针对单片机内部外设（芯片自带功能），驱动层针对外部硬件模块（芯片外部的元器件）。

3. 中间层（Middleware Layer）

• 核心作用：提供通用功能或协议支持，连接驱动层与应用层，解决跨模块的共性问题。
• 常见模块：
  • 通信协议栈：如Modbus、MQTT、蓝牙协议（BLE）、WiFi协议的封装，使应用层无需处理复杂协议细节。
  • 数据处理：如数据校验（CRC、校验和）、加密解密（AES）、JSON/XML解析。
  • 任务调度：在多任务系统（如FreeRTOS）中，封装任务创建、信号量、队列等接口，简化应用层的任务管理。
  • 通用工具：如内存管理、日志打印、延时函数等。

4. 接口层（Interface Layer）

（部分项目会单独划分，或融入中间层/HAL）

• 核心作用：定义各层之间的接口标准，明确函数的输入输出、返回值和功能职责，实现“接口与实现分离”。
• 具体形式：
  通常用头文件（.h）定义函数声明、结构体、枚举等，而.c文件实现具体逻辑。例如，sensor_interface.h 定义传感器的通用接口（sensor_read()），不同传感器的驱动（DHT11、SHT30）分别实现该接口。

5. 板级支持包（Board Support Package, BSP）

（多见于复杂项目，可理解为“硬件抽象层+驱动层”的结合）

• 核心作用：针对特定电路板（而非单一芯片）提供硬件支持，包含板载资源的初始化和控制。
• 具体内容：
  例如，某块开发板上有LED、按键、OLED屏、温湿度传感器，BSP层会统一初始化这些硬件，并提供 bsp_led_on()、bsp_key_scan() 等接口，应用层直接调用即可，无需关心硬件在板上的具体连接（如LED接哪个GPIO引脚）。

分层设计的优势

• 模块化：每层职责清晰，修改某一层（如更换传感器驱动）不影响其他层。
• 可移植性：更换单片机型号时，只需修改HAL层，上层代码可复用。
• 协作效率：多人开发时，可按层分工（如一人写驱动，一人写应用逻辑）。

实际项目中，分层并非绝对严格，简单项目可能只分“应用层+驱动层”，复杂项目（如带操作系统的工业控制）则会细分更多层级。