模块化编程到底有多重要?

嵌入式ARM 2020-09-19


引言

我们在一个项目小组做一个相对较复杂的工程时,意味着你不再独自单干。而是和小组成员分工合作,这就要求小组成员各自负责一部分工程。比如你可能只是负责通讯或者显示这一块。


这个时候,你就应该将自己的这一块程序写成一个模块,单独调试,留出接口供其它模块调用。最后,小组成员都将自己负责的模块写完并调试无误后,由项目组长进行组合调试。像这些场合就要求程序必须模块化。模块化的好处是很多的,不仅仅是便于分工,它还有助于程序的调试,有利于程序结构的划分,还能增加程序的可读性和可移植性。

要说的话


初学者往往搞不懂如何模块化编程,其实它是简单易学,而且又是组织良好程序结构行之有效的方法之一。

本文将先大概讲一下模块化的方法和注意事项,最后将以初学者使用最广的keil c编译器为例,给出模块化编程的详细步骤。

模块化程序设计应该理解以下概述:

模块即是一个.c 文件和一个.h 文件的结合,头文件(.h)中是对于该模块接口的声明;

这一条概括了模块化的实现方法和实质:将一个功能模块的代码单独编写成一个.c文件,然后把该模块的接口函数放在.h文件中.举例:假如你用到液晶显示,那么你可能会写一个液晶驱动模块,以实现字符、汉字和图像的现实,命名为: led_device.c,该模块的.c文件大体可以写成:

   
#include …

//定义变量
unsigned char value;//全局变量

//定义函数
//这是本模块第一个函数,起到延时作用,只供本模块的函数调用,所以用到static关键字修饰
/********************延时子程序************************/
static void delay (uint us) //delay time
{}
//这是本模块的第二个函数,要在其他模块中调用
/*********************写字符程序**************************
** 功能:向LCD写入字符
** 参数:dat_comm 为1写入的是数据,为0写入的是指令
content 为写入的数字或指令
******************************************************/
void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)
{}
……
……
/***************************** END Files***********************************/

注:此处只写出这两个函数,第一个延时函数的作用范围是模块内,第二个,它是其它模块需要的。为了简化,此处并没有写出函数体.

.h文件中给出模块的接口.在上面的例子中, 向LCD写入字符函数:wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)就是一个接口函数,因为其它模块会调用它,那么.h文件中就必须将这个函数声明为外部函数(使用extrun关键字修饰),另一个延时函数:void delay (uint us)只是在本模块中使用(本地函数,用static关键字修饰),因此它是不需要放到.h文件中的。

.h文件格式如下:
   
//声明全局变量
extern unsigned char value;
//声明接口函数
extern void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content); //向LCD写入字符
……
/***************************** END Files***********************************/
这里注意三点:

  1. 在keil 编译器中,extern这个关键字即使不声明,编译器也不会报错,且程序运行良好,但不保证使用其它编译器也如此。强烈建议加上,养成良好的编程规范。

  2. .c文件中的函数只有其它模块使用时才会出现在.h文件中,像本地延时函数static void delay (uint us)即使出现在.h文件中也是在做无用功,因为其它模块根本不去调用它,实际上也调用不了它(static关键字的限制作用)。

  3. 注意本句最后一定要加分号”;”,相信有不少同学遇到过这个奇怪的编译器报错: error C132: 'xxxx': not in formal parameter list,这个错误其实是.h的函数声明的最后少了分号的缘故。


模块的应用:假如需要在LCD菜单模块lcd_menu.c中使用液晶驱动模块lcd_device.c中的函数void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content),只需在LCD菜单模块的lcd_menu.c文件中加入液晶驱动模块的头文件lcd_device.h即可.
   
#include“lcd_device.h //包含液晶驱动程序头文件,之后就可以在该.c文件中调用//lcd_device.h中的全局函数,使用液晶驱动程序里的全局//变量(如果有的话)。

//调用向LCD写入字符函数
wr_lcd (0x01,0x30);

//对全局变量赋值
value=0xff;

某模块提供给其它模块调用的外部函数及数据需在.h 中文件中冠以extern 关键字声明;

这句话在上面的例子中已经有体现,即某模块提供给其它模块调用的外部函数和全局变量需在.h 中文件中冠以extern 关键字声明,下面重点说一下全局变量的使用。使用模块化编程的一个难点(相对于新手)就是全局变量的设定,初学者往往很难想通模块与模块公用的变量是如何实现的,常规的做法就是本句提到的,在.h文件中外部数据冠以extern关键字声明。

比如上例的变量value就是一个全局变量,若是某个模块也使用这个变量,则和使用外部函数一样,只需在使用的模块.c文件中包含#include“lcd_device.h”即可。

另一种处理模块间全局变量的方法来自于嵌入式操作系统uCOS-II,这个操作系统处理全局变量的方法比较特殊,也比较难以理解,但学会之后妙用无穷,这个方法只需用在头文件中定义一次。方法为:

在定义所有全局变量(uCOS-II将所有全局变量定义在一个.h文件内)的.h头文件中:
   
#ifdef xxx_GLOBALS
#define xxx_EXT
#else
#define xxx_EXT extern
#endif

.H 文件中每个全局变量都加上了xxx_EXT的前缀。xxx 代表模块的名字。

该模块的.C文件中有以下定义:
   
#define xxx_GLOBALS
#include "includes.h"

当编译器处理.C文件时,它强制xxx_EXT(在相应.H文件中可以找到)为空,(因为xxx_GLOBALS已经定义)。

所以编译器给每个全局变量分配内存空间,而当编译器处理其他.C 文件时,xxx_GLOBAL没有定义,xxx_EXT 被定义为extern,这样用户就可以调用外部全局变量。为了说明这个概念,可以参见uC/OS_II.H,其中包括以下定义:

   
#ifdef OS_GLOBALS
#define OS_EXT
#else
#define OS_EXT extern
#endif
OS_EXT INT32U OSIdleCtr;
OS_EXT INT32U OSIdleCtrRun;
OS_EXT INT32U OSIdleCtrMax;

同时,uCOS_II.H 中有以下定义:
   
#define OS_GLOBALS

#include “includes.h”

当编译器处理uCOS_II.C 时,它使得头文件变成如下所示,因为OS_EXT 被设置为空。
   
INT32U OSIdleCtr;

INT32U OSIdleCtrRun;

INT32U OSIdleCtrMax;

这样编译器就会将这些全局变量分配在内存中。当编译器处理其他.C 文件时,头文件变成了如下的样子,因为OS_GLOBAL没有定义,所以OS_EXT 被定义为extern。
   
extern INT32U OSIdleCtr;

extern INT32U OSIdleCtrRun;

extern INT32U OSIdleCtrMax;

在这种情况下,不产生内存分配,而任何 .C文件都可以使用这些变量。这样的就只需在 .H文件中定义一次就可以了。

模块内的函数和全局变量需在.c 文件开头冠以static 关键字声明;

这句话主要讲述了关键字static的作用。Static是一个相当重要的关键字,他能对函数和变量做一些约束,而且可以传递一些信息。

比如上例在LCD驱动模块.c文件中定义的延时函数static void delay (uint us),这个函数冠以static修饰,一方面是限定了函数的作用范围只是在本模块中起作用,另一方面也给人传达这样的信息:该函数不会被其他模块调用。

下面详细说一下这个关键字的作用,在C 语言中,关键字static 有三个明显的作用:
  1. 在函数体,一个被声明为静态的变量在这一函数被调用过程中维持其值不变。

  2. 在模块内(但在函数体外),一个被声明为静态的变量可以被模块内所用函数访问,但不能被模块外其它函数访问。它是一个本地的全局变量。

  3. 在模块内,一个被声明为静态的函数只可被这一模块内的其它函数调用。那就是,这个函数被限制在声明它的模块的本地范围内使用。


前两个都比较容易理解,最后一个作用就是刚刚举例中提到的延时函数(static void delay (uint us)),本地化函数是有相当好的作用的。

永远不要在.h 文件中定义变量!


比较一下代码:

代码一:
   
/*module1.h*/
int a = 5; /* 在模块1 的.h 文件中定义int a */
/*module1 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块1 中包含模块1 的.h 文件 */
/*module2 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块2 中包含模块1 的.h 文件 */
/*module3 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块3 中包含模块1 的.h 文件 */

以上程序的结果是在模块1、2、3 中都定义了整型变量a,a 在不同的模块中对应不同的地址元,这个世界上从来不需要这样的程序。正确的做法是:

代码二:
   
/*module1.h*/
extern int a; /* 在模块1 的.h 文件中声明int a */
/*module1 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块1 中包含模块1 的.h 文件 */
int a = 5; /* 在模块1 的.c 文件中定义int a */
/*module2 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块2 中包含模块1 的.h 文件 */
/*module3 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块3 中包含模块1 的.h 文件 */

这样如果模块1、2、3 操作a 的话,对应的是同一片内存单元。

注:
一个嵌入式系统通常包括两类(注意是两类,不是两个)模块:

  • 硬件驱动模块,一种特定硬件对应一个模块;

  • 软件功能模块,其模块的划分应满足低偶合、高内聚的要求。



-END-


来源 | 技术让梦想更伟大


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