C++框架介绍.pdf

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1、摘要： 框架作为一种大粒度的重用技术在桌面软件开发中得到了广泛应用，而在嵌入 式开发领域， 目前还没有一套完整的标准框架可供使用。本文以通信领域的嵌入式软件开发 为例，介绍使用C+ 语言，在ARM 平台 Nucleus plus操作系统下实现嵌入式开发框架EFC 的方法和应用实例。 关键词：框架 C+ ARM Nucleus MFC EFC 面向对象 1 框架概述 1.1 什么是框架 国外著名的软件设计大师Ralph Johnson对面向对象技术进行了长期而深入的研究。 在他的主页中，对框架进行了如下定义：A framework is a reusable design expressed a

2、s a set of abstract classes and the way their instances collaborate.It is a re usable design for all or part of a software system.（框架是整个系统或系统的一部 分的可重用性设计，由一组抽象出来的类及其实例间的相互作用方式组成。） 框架把一个系统有机地分解成一组相对独立的构件，并定义了各个构件间的接口和作 用关系， 符合软件工程中设计的模块化、独立化和信息隐藏等特征。框架提供了一个大粒度 的重用技术， 即不仅支持源代码级的重用，而且支持分析和设计以及体系结构的重用，因

3、而 被认为是一种最有前途的面向对象技术。 框架必须是健壮的、可扩展的、灵活的，它要求基于开放或共享标准。框架的设计要 力求做到完备性、灵活性、可扩展性、可理解性，同时抽象能用于不同的场合；用户能轻松 地添加和修改功能，定制框架； 用户和框架的交互清晰，文档齐全。 框架设计的一个核心问 题就是发现可重用的设计和“热点” ，以保证框架具备充分的灵活性，使用户能在已有构件 的基础上生成应用程序，实现“零代码编写”的理想目标。 1.2 如何设计框架 目前框架的设计大都采用实践法。实践法是指从若干个具体的典型应用中，抽象出现 似点来构建框架；框架反过来又应用于不同的问题，并在解决不同问题的过程中得到更新

4、； 在框架的设计和实现的两步中，不断反复， 等到框架逐渐成熟时，需要修改和反复的内容就 会越来越小。 具体步骤为： 分析问题域， 确定所需框架，从一类应用而不是单个的程序去分 析、比较各种不同的软件解决方案，寻求这些方案的共性和每个程度的唯一性特性。这些共 性，尤其是那些经常被多个程序使用的部分将成为框架的基础。然后， 定义框架体系结构并 设计，包括设计用户与框架间的交互、给用户提供的最终工具等。 框架的实现：包括框架核心类的实现、框架的测试、框架的试运行、框架的反复更新。 框架的部署：包括文档的提供和分发过程、为用户提供技术支持、维护和更新框架。 2 嵌入式框架EFC 框架技术在桌面软件的开

5、发中得到了广泛的应用，但在嵌入式开发领域，由于嵌入式 开发的多样性及嵌入式操作系统的多样性，目前还没有一套完整的开发框架可供使用。因此， 在嵌入式软件开发中常常是从底层做起，应用程序和RTOS密不可分。这样的开发方式不但 效率不高，也不利于软件的移植。 EFC （Embedded Foundation Classes）即嵌入式基础类库，是笔者借鉴Microsoft公 司的 MFC （微软基础类库桌面系统框架库的工业标准）构建的一套在ARM 平台 Nucleus p lus 操作系统下的嵌入式开发框架。由于框架全部采用C+开发，没有和处理器相关的汇编 代码， 所以在其它硬件平台可不加修改地使用。

6、如果更换不同的操作系统，则需要修改操作 系统抽象层的部分代码；但由于 EFC提供给上层应用程序的接口不变，所以应用程序不需要 修改代码。 就软件的层次来说，EFC是一个操作系统之上、应用程序之下的中间件，如图1 所示。 在 EFC中有一个操作系统抽象层，对RTOS 进行了抽象和封装，提供包括任务（task ）、 /O 驱动（ driver）、定时器（ timer ）、信号量（ semaphore）、消息队列（ quecue）、事件（ e vent group）、邮箱（ mailBox ）、管道（ pipe ）以及高级中断（HISR）等基本服务的封装。 为上层应用程序提供更高级的统一编程接口，它

7、样就使应用软件的开发与具体的软件平台无 关，解决了嵌入式应用软件的移植问题。 图 2 EFC 静态结构图 在图 1 中，各模块之间有交界表明模块之间有接口关系。EFC 、应用程序以及RTOS 都 和硬件驱动有接口：EFC要使用一部分核心驱动（例如实时时钟的驱动、ARM 串口和网口的 驱动、 I2C 总线的驱动等） ；应用程序中调用的驱动是针对具体设备的；RTOS所需要的驱动 就是系统的BSP部分。 EFC的静态结构图（类图）如图2 所示。类图是在UML （统一建模语言）中用类和它们 之间的关系描述系统的一种图示。类用类名、 类的属性以及操作来表示，在图中为简单起见， 省略了属性和操作；类与类之

8、间的关系使用不同的连线表示，图中带空心三角箭头的连线表 示继承关系， 两端带数字的连线表示关联关系。在类图中， 类的属性 / 方法的可见性使用 “+” 、 “- ”及“ #”表示：“ +”表示公共的（public），“ - ”表示私有的（private），“ #”表 示受保护的（ protected）。 从图 2 中可以看出，CMessage 、CRTApp 、CDevice、Cboard 及 Cinterface都派生于公 共的类 CRTObject。CRTApp对象中有受保护的CMessage 、CEventLog、Cuser 及 CDevice 各 一个。 CDevice 对象中有一个或

9、多个CBoard 对象，相应的每个CBorad 对象中有 0 个到多个 CxxxInterace对象。 2.1 基本数据类型 构建一个框架，需要一些基本的元素，这些元素要在框架的构造以及应用程序开发中 大量使用。这些基本数据类型包括字符串类CString 、集合类CArray 、Clist及 Cmap 。CSt ring包括一个长度可变的字符序列，提供使用非常直观方便的运算符（例如 +， +=，=，=，！ =）和一些Todouble()、Tolong() 、Tohex() 等）； CArray 是具有内建索元素很快的检索速 度；Clist为其所存储的每一个元素，都提供了两个指针，分别指向位于其

10、前和其后的元素， 形成一个双向链表，这使得插入和删除操作十分快捷；CMap为其存储的每个数据都附带一 个关键字，并以关键字所组成的一个hash 表作为索引，从而使得元素搜索、增加和删除操 作都具有很高的效率。 2.2 RTOS 的抽象和封装 CRTObject 是一个 EFC中最基础的类，它不但是EFC中 CRTApp 、CDevice 等类的基类， 而且可以作为所有使用EFC的嵌入式开发人员定义新的类的超类。CRTObject 类在 EFC中主 要承担 RTOS抽象和封装任务。它提供了下面一些最基本的功能： *CRTObject 对 RTOS的常用对象进行了封装，提供包括Task、Drive

11、r 、Timer 、Event Group、Semaphore、Queue 、Pipe、Mailbox等的创建、删除、查找等功能的成员函数。这 些函数提供了一个简单有效的方法来使用RTOS的对象。使用这些函数能够保证对象创建与 销毁的安全性，而不会造成内存泄漏。 *CRTObject 提供了对RTTI（Run-Time Type Information，运行时类型信息）的支持， 在新的 C+标准中， RTTI 已经是 C+ 的一个功能，但并不是所有的编译器都提供支持这些新 特性， ADS1.2 就不支持。所以在这里参考MFC ，通过宏的方式为每个类定义一个CRuntimeC lass类型的静态

12、常量和相关的成员函数。CRuntimeClass 结构保证了类型的静态常量和相关 的成员函数。 CRuntimeClass 结构保存了类的名称、大小等信息，这样我们就能在程序运行 时确定对象的具体类型。 *CRTObject 还提供了把类的成员函数作为任务及定时器的回调函数的功能。在 Nucleu s 中，任务和定时器的回调函数只能是全局函数或者类的静态成员函数，这在面向对象的开 发中很不方便。这里通过把成员函数指针和对象的this指针作为参数传递给RTOS ，在 RTO S调用公共回调函数时再取出来。通过函数指针的方式去调用类的成员函数，这样把有派生 于 CRTObject 的类就可方便地使

13、用成员函数作为任务、定时器等对象的回调函数。 2.3 应用程序类CRTApp CRTApp类用来定义整个应用程序对象，提供系统初始化、管理其它对象以及运行应用 程序的功能。任何使用EFC框架的应用程序有且只能有一个派生于此类的对象。CRTApp对 象中包含了动态创建的CMessage 、CEventLog、CDevice 及 Cuser 对象。 通过在 Nucleus 的入口函数Application_Initialize中创建系统初始化任务（回调函 数为 CRTApp类的成员函数InitTask），来把系统控制权交给CRTApp对象，在其中完成其 它对象的创建、系统的配置以及初始化任务。 2

14、.4 文件系统 在嵌入式设备中通常使用Flash 存储器来保存程序代码和数据，每片Flash 一般由一 定数量大小不等的扇区组成。它在读取方面与普通RAM 存储器类似，可以实现随机的读取， 但在写入操作上却有很大的不同。Flash 中只有空白的单元才可以进行写入操作，要向非空 的单元写入数据， 需要先擦除整个扇区。 所以程序中如果直接对Flash 进行操作会很不方便。 最好的办法就是在其上构造一个文件系统，文件系统提供简便、可靠的接口供上层使用，而 把复杂的操作屏蔽在文件系统内部。 这里文件系统包括内存文件系统和Flash 文件系统。 CFile 是一个抽象类， 只是定义文 件系统的接口函数（

15、例如Open 、Read、Write 、Seek、GetLength 、Close 等），具体的实现 在 CMemFile（内存文件）及CFlashFile（ Flash 文件）类中完成。 2.5 设备管理 在 EFC中，设备管理由CDevice、CBoard、CInterface及其派生类完成。CDevice 类代 表整个设备， 1 个设备中包含1 到多个 CBoard对象，而每个CBoard 对象中又包含0 个到多 个接口对象（ CInterface类的派生类对象）。这样以来，嵌入式设备（仅限通信领域）都 可由这几个类组合而成，大大简化了软件的设计。 2.6 命令处理 CMessage类是

16、系统的命令处理模块，它直接派生于CRTObject 类。它的功能主要是接 收网管软件通过串口或网口发送未来的各种命令，完成对设备的配置管理、性能管理、 告警 管理、安全管理和维护管理等管理功能。CMessage类主要有表1 所列的任务。 表 1 CMessage 类中的任务 任务名称任务处理函数说 明 TCP 服务器监听任务 TCPServerTask 用于监听客户端 的连接请求 TCP 响应任务 TCPEchoTask 对每客户端的连接都创建一响应任务串口任务 U artTask 通过串口对系统进行管理 TFTP 备分份任务 TFTPClientPutTask 备份应用程序和 系统配置文件

17、TFTP 升级任务 TFTPClientGetTask 用于升级应用程序及修改用户配置文件 2.7 其它模块 CFlash 类封装对Flash 芯片的操作， 主要包括读、 写、擦除等操作。 从图 2 可以看出， CEventLog 和 CFlashFile类中都包含CFlash 对象； CEventLog 类记录系统中的发生的事件 以及系统运行过程中产生的告警信息。为了实现掉电保存功能，这些事件都保存在Flash 芯片中； Cuser 类用来对系统的用户进行管理，防止对系统非授权的访问。 3 使用 EFC的设计方案举例 这里以在通信和工业自动化领域使用较多的串口服务器为例，来说明使用FEC嵌入

18、式 开发框架的设计方案。串口服务器是一种可把多路异步RS232/RS485串行数据与通过以太网 口传送的TCP/IP 数据包进行相互转换，使传统的异步串行数据信息能通过Internet或 Int ranet传送或共享的设备。 设每个串口对应TCP/IP 的一个端口，则可画出图3 所示的静态结构图（图中SerSvr 是 Server 的简写）。 从图 3 可以看出， 共对五个类进行了派生。CSerSvrMessage 类派生于CMessage类，用 于通过网管对串口服务器进行管理（这里具体命令略）；CserSvrDevice类派生于CDevice 类，代表串口服务器设备；CserSvrDevic

19、e类对象中有一个或多个派生于CBoard 类的 Cser SvrBoard 类对象， 而每个 CserSvrBoard类对象拥有一个或多个派生于CasyInterface类的 CSerSvrInterface类对象； ScerSvrApp 类派生于CRTApp类，代表整个应用程序，并重载了 虚函数 OnCreateMessage() 及 OnCreateDevice （），用来在其中创建系统的CSerSvrMessag e 和 CserSvrDevice类的实例来代替系统默认的CMessage和 CDevice 实例。 图 3 串口服务器系统软件静态结构图 串口类 CSerSvrInterfa

20、ce的设计是整个设计的关键，在每个串口类中都有一个TCP监 听任务 TCPServerTask 用来作为服务器去监听客户端的连接；一个 TCP客户端任务TCPClie ntTask 用来连接其它服务器。无论是通过TCPServerTask 还是 TCPClientTask建立连接后， 就挂起这两个任务而启动另外两个任务TCPSendTask和 TCPRecvTask， 它们分别用来通过网 口发送数据和接收数据。TCPSendTask每隔 10ms （对波特率为115.2K 的情况， 10ms最多收 到的字节数为115200/（ 8+2）/1000*10=115.2字节， 所以串口的FIFO 应

21、大于 116 字节） 把 从串口读到的数据打包从网口发送出去；而 TCPTecvTask 使用阻塞方式读取网口数据。在读 到数据后， 根据串口发送缓冲区的情况慢慢通过串口往外发送，没发送完之前就不进行下一 次从网口的数据读取。这样把串口类设计成一个完备的处理类，设备中每块板有多少串口就 在 CSerSvrBoard 类的实例中有多少CSerSvrInterface类的实例。硬件模块化的结构简单地 对应软件模块化的结构。 结语 本文讲述了在嵌入式软件开发中使用C+ 构建系统开发框架的方法，并给出了框架的模 型和应用实例。 可以看出， 使用面向对象的框架技术对于提高开发效率、降低开发难度、 规 范开发模式、便于软件的移植和维护方面，具有传统面向过程的开发方法不可比拟的优势。