访问硬件的设计模式

 

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〇、访问硬件的基本概念

　　软件可以访问的硬件可以分成四种：基础设施（cpu，内存，存储设备，定时器，输入设备，输出设备，端口，中断...）、通信（RS485、RS232、以太网、USB、802.11x、DMA...）、传感器（使用电子机械或化学方法检测物理现象的状态）和致动器（发动机、暖风机、水泵、发电机和交换器...）。通常会经过四个步骤：初始化、测试、配置、执行。主要有以下7种：

1.硬件代理模式：将硬件封装到类或者结构体中

2.硬件设配器模式：使需要的和提供的接口相适应

3.中介者模式：协调复杂的交互

4.观察者模式：支持高效数据分布

5.去抖模式：抑制间歇硬件信号

6.中断模式：处理高紧急硬件信号

7.轮询模式：定期检测新数据

 

一、硬件代理模式：将硬件封装到类或者结构体中

1.抽象：包含尽可能完整的硬件操作，这里指的是读写数据，初始化，配置，开关。关键提倡易于修改。

2.问题：需要隐藏位编码、加密和压缩，这些内部私有化。

3.模式结构：合理利用void，需要有私有方法、公有函数和数据单元。

4.协作角色：物理设备，代码，去调用代码的人。代码中主要的方法应该包含以下

　　access:公有，返回需要的数据。

　　configure:公有，配置硬件的方法。

　　disable:公有，设备安全开关。

　　deviceAddr:私有，直接访问硬件。

　　initialize:公有，初始化。这里尽量避免传入参数。

　　marshal:私有，访问内部其他方法，提供影藏加密压缩包装的作用。

　　mutate:公有，写入操作

　　unmarshal:私有，返回给用户之前，需要对设备中获取的数据解码，解包和解压等。

5.效果：降低了操作硬件的灵活性，因此需要合理隐藏方法和开放接口。往往操作原始格式的数据是最高效的，隐藏编码细节降低了可维护性。

6.策略：这里有一个多态的概念。在同一套系统中，需要考虑一个方法可以完成多个设备操作，甚至是多种。

7.实例：参考马达系统的设计模式。

8.小结

　　该模式简单的实现不能实现任何线程安全性。可以和临界区模式、守卫调用模式或队列模式组合使用提供线程安全性。为了避免死锁，可以和排序锁定模式和同时锁定模式组合使用。

二、硬件设配器模式：使需要的和提供的接口相适应

1.抽象：一种方法可以满足已经存在的硬件接口能适应应用期望。

2.问题：不同的硬件之间往往有相似的接口，在满足语义和不影响性能情况下，尽可能做到一段代码适配多种硬件。

3.模式结构：可以理解成多了一张列表来维护。

4.协作角色：硬件适配，用户，接口适配，硬件及硬件操作。

5.效果：一段代码，换个硬件不需要改动还是可以完美适配。重用性。

6.策略：考虑多态和继承。

7.实例：参考多类型传感器的设计模式。

8.小结

　　该模式介于硬件代理和用户调用之间。（和虚拟内存的原理相似，但具体很不相同）

三、中介者模式：协调复杂的交互

1.抽象：硬件元素必须按照确定且复杂的方式协调的时候，提供了复杂交互协调的一种方法。将复杂的硬件操作时向上提供简洁的接口。

2.问题：比如控制运动手臂，不需要协调细节，但需要提供完整的协调，也就是说，让手臂到指定位置，做某种动作，并不需要关心内部的制动器是怎么转的，这里没必要向上提供。

3.模式结构：一组动作有一个方法提供，隐藏某些细节。

4.协作角色：用户，中介者，具体合作的一系列操作。

5.效果：直接调用中介的方法，不需要直接耦合硬件操作。降低耦合并在单个集合汇总的协作极大的简化的整体设计。

　这就需要考虑具体的了，控制高精度的时间成本，包括响应，通信，致动，重点考虑制动器和多中介间以及多中介本身之间。

6.策略：中介者必须能够连接到每个具体的操作者。考虑指针数组。

7.实例：《Design Patterns》和《Readl-Time Design Patterns》中的架构格局模式相似。具体参考机器人的设计模式。

8.小结

　　当你需要隐藏中介者时候，可以考虑观察者模式和中介者直接连接。具体的操作分组分类是一件很有必要的事，大部分时候向上提供公有接口。这里需要注意有多个合作者的情况。

四、观察者模式：支持高效数据分布

1.抽象：提供一种方法使对象“监听”其他对象。

2.问题：也就是，发布-订阅。

3.模式结构：和现实生活中订阅公众号一个逻辑，客户可以取消订阅，也可以订阅，消息却是服务器发出的，也可以理解成客户端选择性屏蔽。

4.协作角色：客户端，服务端，客户端感兴趣的数据元。

5.效果：在设计时还不明确的客户分发数据的过程，并且在运行时动态的管理感兴趣客户列表

6.策略：通知句柄的管理。（C语言的话需要用到链表）

7.实例：观察者模式和硬件代理模式或者硬件适配器模式中非常常见。

8.小结：

　　个人理解：这个模式其实是客户端被动接受消息，主动发起订阅，而服务端被动接受订阅，主动发布消息。

五、去抖模式：抑制间歇硬件信号

1.抽象：开关、按钮和继电器等都是电子系统的输入设备，

2.问题：电信号间歇性跳跃应该怎么处理？

3.模式结构：接受初始事件，等到震动减弱，然后对他的状态进行数据源取样。

4.协作角色：事件接受者，硬件，去抖逻辑，定时器。

5.效果：方便用户只关注硬件状态变化中真实需要的部分。

6.策略：设备主动使用中断向量来联系客户，另一种是延时后取样（需要联调降低误差），甚至可以把这个延时利用起来，运行其他程序。

7.实例：中断模式可以很好一你该用在去抖模式中，或者使用超时状态机。

8.小结

　　用于消除来自金属表面间歇连接引起的多个假事件，其实就是降噪的过程。

六、中断模式：处理高紧急硬件信号

1.抽象：中断模式是一种构建系统的方法。往往中断可以被中断。

2.问题：优先级控制。

3.模式结构：基本上这里的中断句柄没有参数，可以增加效率。

4.协作角色：中断服务程序（注册和注销服务），中断向量表，触发事件。

5.效果：

6.策略

7.实例

8.小结

　　物理世界从根本山还说是并发与异步的，也是非线性的。

七、轮询模式：定期检测新数据

1.抽象

2.问题

3.模式结构

4.协作角色

5.效果

6.策略

7.实例

8.小结