Чистая архитектура. Искусство разработки программного обеспечения

Раздел между оборудованием и остальной частью системы — объективная реальность, по крайней мере после определения оборудования (рис. 29.2). Именно здесь часто возникают проблемы при попытке пройти тест на профпригодность. Ничто не мешает знаниям об оборудовании инфицировать весь код. Если не проявить осторожность при структурировании кода и не ограничить просачивание сведений об одном модуле в другой, код будет трудно изменить. Я говорю не только о случае, когда изменяется оборудование, но также о ситуации, когда понадобится исправить ошибку или внести изменение по требованию пользователя.

Рис. 29.2. Оборудование должно отделяться от остальной системы

Смешивание программного обеспечения и микропрограмм — это антишаблон. Код, демонстрирующий этот антишаблон, будет сопротивляться изменениям. Кроме того, изменения сопряжены с опасностями, часто ведущими к непредвиденным последствиям. Даже незначительные изменения требуют полного регрессионного тестирования системы. Если вы не создали тесты с внешним оборудованием, готовьтесь проводить тестирование вручную, а затем ожидать новых сообщений об обнаруженных ошибках.

Оборудование — это деталь

Линия между программным обеспечением и микропрограммами обычно видна не так четко, как линия, разделяющая код и оборудование (рис. 29.3).

Одна из задач разработчика встраиваемого программного обеспечения — укрепить эту линию. Границу между программным обеспечением и микро-

Рис. 29.3. Линия между программным обеспечением и микропрограммами обычно более размытая, чем линия между кодом и оборудованием

программой (рис. 29.4) называют слоем аппаратных абстракций (Hardware Abstraction Layer; HAL). Это не новая идея: она была реализована в персональных компьютерах еще в эпоху до Windows.

Рис. 29.4. Слой аппаратных абстракций

Слой HAL существует для программного обеспечения над ним, и его API должен приспосабливаться под потребности этого программного обеспечения. Например, микропрограмма может хранить байты и массивы байтов во флеш-памяти, а приложению требуется хранить и читать пары имя/значение с использованием некоторого механизма хранения. Программное обеспечение не должно заботиться о деталях хранения пар имя/значение во флеш-памяти, на вращающемся диске, в облаке или в основной памяти. Слой аппаратных абстракций (HAL) предоставляет услугу и не раскрывает программному обеспечению, как она работает. Реализация поддержки флеш-памяти — это деталь, которая должна быть скрыта от программного обеспечения.

Еще один пример: управление светодиодом привязано к биту GPIO[59]. Микропрограмма может предоставлять доступ к битам GPIO, а слой HAL может иметь функцию Led_TurnOn(5). Это довольно низкоуровневый слой аппаратной абстракции. Давайте посмотрим, как повысить уровень абстракции с точки зрения программного обеспечения/продукта. Какую информацию сообщает светодиод? Допустим, что включение светодиода сообщает о низком заряде аккумулятора. На некотором уровне микропрограмма (или пакет поддержки платформы) может предоставлять функцию Led_TurnOn(5), а слой HAL — функцию Indicate_LowBattery(). Таким способом слой HAL выражает назначение услуги для приложения. Кроме того, уровни могут содержать подуровни. Это больше напоминает повторяющийся фрактальный узор, чем ограниченный набор предопределенных уровней. Назначение ввода/выводов GPIO — это детали, которые должны быть скрыты от программного обеспечения.

Не раскрывайте деталей об оборудовании пользователям HAL

Встраиваемое программное обеспечение с чистой архитектурой допускает возможность тестирования без целевого оборудования. Удачно спроектированный слой аппаратных абстракций (HAL) предоставляет тот шов, или набор, точек подстановки, которые облегчат тестирование без оборудования.

Процессор — это деталь

Когда сборка встраиваемого программного обеспечения производится с применением специализированного набора инструментов, в комплект часто входят заголовочные файлы с поддержкой дополнительных конструкций [60]. Эти компиляторы часто допускают вольное обращение с языком C, добавляя новые ключевые слова для доступа к функциям процессора. Код выглядит как код на C, но он больше не является кодом на C.

Иногда компиляторы языка C, поставляемые производителем оборудования, поддерживают нечто, напоминающее глобальные переменные, дающие прямой доступ к регистрам процессора, портам ввода/вывода, таймерам, битам интерфейсов ввода/вывода, контроллерам прерываний и другим функциям процессора. Их удобно использовать для доступа ко всему перечисленному, но вы должны понимать, что код, использующий эти вспомогательные средства, больше не является кодом на языке C. Он не будет компилироваться для другого процессора или даже другим компилятором для этого же процессора.