引言

在當(dāng)今的軟件設(shè)計(jì)中，為了在不同的產(chǎn)品線上重復(fù)使用相同的代碼，需要將代碼從一個(gè)平臺(tái)移植到另一個(gè)平臺(tái)。雖然這種代碼的重復(fù)利用非常重要，但是很少有人討論該采用何種方法來(lái)減少設(shè)計(jì)可移植軟件的成本，本文將介紹一種可行的設(shè)計(jì)方案。

可移植代碼的重要性

過(guò)去，嵌入式應(yīng)用程序一般不需要運(yùn)行在不同的硬件平臺(tái)和不同的操作系統(tǒng)上，因此開(kāi)發(fā)者也不需要考慮讓代碼運(yùn)行到多平臺(tái)上的問(wèn)題。

隨著技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈，廠家必須不斷開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。如果是需要為新產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)新軟件，一來(lái)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，另一方面，代碼要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試后才能推出，就會(huì)影響產(chǎn)品的面市時(shí)間。因此，將已有的、已經(jīng)過(guò)測(cè)試的代碼移植到新產(chǎn)品上就是一個(gè)很好的辦法，進(jìn)而開(kāi)發(fā)者被要求 設(shè)計(jì)出可運(yùn)行在不同硬件平臺(tái)或不同操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序。但是，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)可選擇不同的設(shè)備、不同的子系統(tǒng)以及CPU，范圍非常廣泛，這樣的不確定性勢(shì)必會(huì)增加開(kāi)發(fā)多平臺(tái)軟件的難度。

使用抽象層設(shè)計(jì)可移植代碼

抽象層的先進(jìn)之處在于它能夠提取應(yīng)用程序的基本內(nèi)容，并將其與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相隔離。這里關(guān)鍵是要將應(yīng)用程序的邏輯算法與其運(yùn)行環(huán)境相隔離。例如，在讀取文件時(shí)，應(yīng)用程序應(yīng)該只關(guān)心文件的內(nèi)容，而不在意文件是存在于FAT文件系統(tǒng)中，還是EXT2文件系統(tǒng)中；在數(shù)據(jù)通信中，通信雙方應(yīng)該只關(guān)心收發(fā)的數(shù)據(jù)本身，至于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿襟w則不是應(yīng)用程序該考慮的。

多平臺(tái)軟件的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，這種方法可廣泛地應(yīng)用在各種應(yīng)用程序中。就像系統(tǒng)的機(jī)械組件可以被抽象，通信接口、CPU資源、存儲(chǔ)設(shè)備等也可以被抽象。靈活使用抽象層可以將應(yīng)用程序簡(jiǎn)化為一個(gè)緊湊并可重復(fù)利用的代碼。

圖1 多平臺(tái)軟件系統(tǒng)構(gòu)成圖

操作系統(tǒng)抽象層

操作系統(tǒng)函數(shù)永遠(yuǎn)不要被直接調(diào)用，應(yīng)將其包裝到一個(gè)“操作系統(tǒng)抽象層”的庫(kù)中，把應(yīng)用程序從底層的操作系統(tǒng)中脫離出來(lái)。于是，當(dāng)將應(yīng)用程序移植到其他操作系統(tǒng)時(shí)，只要簡(jiǎn)單地移植操作系統(tǒng)抽象層即可，無(wú)需修改應(yīng)用程序的代碼。 這不僅將原應(yīng)用程序的正確性和可靠性帶到了新平臺(tái)上，還加速了移植過(guò)程。此外，當(dāng)在向新平臺(tái)移植的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，操作系統(tǒng)抽象層將是調(diào)試的最有效的起點(diǎn)。

操作系統(tǒng)抽象層應(yīng)該輸出函數(shù)原型，同時(shí)，不管底層的操作系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)的，抽象層應(yīng)該對(duì)應(yīng)用程序隱藏它們的一些特殊行為。例如，拿對(duì)信號(hào)量的操作來(lái)說(shuō)，在大多數(shù)操作系統(tǒng)中，相同的進(jìn)程可以多次獲取一個(gè)信號(hào)量，而某些操作系統(tǒng)在遞歸獲取信號(hào)量時(shí)會(huì)阻塞調(diào)用者。這里假設(shè)操作系統(tǒng)抽象層庫(kù)輸出一個(gè)信號(hào)量獲取函數(shù)OS_SemTake（），那么它必須禁止該系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)操作，完成通用信號(hào)量獲取的功能，使該函數(shù)獨(dú)立于底層的操作系統(tǒng)。在遞歸獲取信號(hào)量這個(gè)例子中，開(kāi)發(fā)者必須實(shí)現(xiàn)遞歸行為本身。具體實(shí)現(xiàn)中，一些操作系統(tǒng)可能要比較兩個(gè)任務(wù)的ID，這兩個(gè)任務(wù)一個(gè)是上次要求獲取信號(hào)量的任務(wù)，另一個(gè)是本次要求獲取信號(hào)量的任務(wù)。如果兩個(gè)ID相同，說(shuō)明是在同一進(jìn)程中，函數(shù)將增加信號(hào)量的計(jì)數(shù)器，且不調(diào)用操作系統(tǒng)的信號(hào)量獲取函數(shù)。相應(yīng)的，信號(hào)量釋放函數(shù)必須對(duì)信號(hào)量的計(jì)數(shù)器進(jìn)行遞減操作，直到計(jì)數(shù)器為0，才調(diào)用操作系統(tǒng) 程序中編寫(xiě)的函數(shù)封裝應(yīng)該保證在所有的操作系統(tǒng)中具有相同的行為，這可以避免底層操作系統(tǒng)的特殊性對(duì)應(yīng)用程序的影響。

Socket庫(kù)函數(shù)中的select（）提供了一個(gè)很好的例子來(lái)說(shuō)明函數(shù)封裝的重要性。對(duì)于不同的操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可選擇的設(shè)備有相當(dāng)大的差異，一些系統(tǒng)只允許選擇插口，而其它系統(tǒng)可以選擇插口、管道和消息隊(duì)列。在移植過(guò)程中，對(duì)底層操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的抽象使應(yīng)用程序免于不必要的、雜亂的修改。如果某個(gè)操作系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)select（）的超時(shí)功能，只要在抽象層庫(kù)中就能夠完成修改。否則，就需要對(duì)應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重大修改。

邏輯接口

這一步需要將物理接口轉(zhuǎn)換為邏輯接口。比如一個(gè)系統(tǒng)中所有的外圍設(shè)備都連接到一個(gè)總線上，那么就可以建立一組訪問(wèn)總線的函數(shù)，例如讀總線數(shù)據(jù)函數(shù)BusReadFrom（）、向總線發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)BusSendTo（）等，這可以有效地將總線操作從應(yīng)用程序中提取出來(lái)。這樣，無(wú)論總線是用PCI、VME、串口或其它形式實(shí)現(xiàn)，都可使用邏輯接口將應(yīng)用程序與物理接口隔離開(kāi)。

邏輯接口特別適用于數(shù)據(jù)通信應(yīng)用。如果一個(gè)系統(tǒng)利用TCP/IP協(xié)議在以太網(wǎng)上參與一次會(huì)話(huà)，那么可將會(huì)話(huà)從IP連接中劃分出來(lái)，通過(guò)編寫(xiě)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯會(huì)話(huà)，如：SessionOpen（）、SessionClose（）、SessionSend（）、SessionReceive（）等。邏輯接口將底層的物理接口隱藏，使得應(yīng)用程序便于移植到不同的物理接口上。真正的移植工作將在邏輯接口中完成，而會(huì)話(huà)實(shí)現(xiàn)沒(méi)有改變，改變的是會(huì)話(huà)傳輸?shù)拿襟w。如果能很好地創(chuàng)建邏輯接口，應(yīng)用程序?qū)⒛芤浦驳讲煌?lèi)型的、具有多種接口的設(shè)備中。

當(dāng)應(yīng)用程序需要運(yùn)行在多種處理器上時(shí)，可以使用相同的方法實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序代碼。將與處理器相關(guān)的代碼提取出來(lái)，應(yīng)用程序就可以自由地從一種處理器移植到另一種處理器上。例如進(jìn)程間的通信機(jī)制，只要在抽象層中完成不同處理器的進(jìn)程間通信功能，應(yīng)用程序就可以毫無(wú)修改地運(yùn)行在新的處理器上。

控制系統(tǒng)也可以使用相同的方法，控制系統(tǒng)只關(guān)心命令本身，至于命令到底是來(lái)源于人機(jī)命令接口、還是紅外線、或是SNMP代理，都不是控制系統(tǒng)要關(guān)注的?？刂泼畹妮斎霗C(jī)制應(yīng)該被分離出來(lái)，形成獨(dú)立的一層。

協(xié)議隔離

實(shí)現(xiàn)某種協(xié)議時(shí)，協(xié)議本身不應(yīng)與具體的傳輸媒體打交道，同時(shí)應(yīng)用程序中的一些特殊功能也不該在協(xié)議中實(shí)現(xiàn)。

協(xié)議的最終傳輸應(yīng)在抽象層中完成，其核心部分只完成數(shù)據(jù)處理工作。這種代碼的組織方式可以將協(xié)議自由地嵌入到各種設(shè)備中。同時(shí)，還可以不依賴(lài)硬件而測(cè)試協(xié)議自身的正確性。因此，在硬件完成之前就可以調(diào)試代碼，當(dāng)硬件完成時(shí)即可保證協(xié)議是正確的，如果有錯(cuò)誤則應(yīng)該發(fā)生在與硬件的接口上或硬件本身。

還有一點(diǎn)很重要，一定不要將應(yīng)用程序的一些特殊功能放到協(xié)議中，這樣會(huì)影響協(xié)議的獨(dú)立性。應(yīng)用程序的特殊功能也應(yīng)該放到抽象層中，而不是在協(xié)議中實(shí)現(xiàn)。

使用系統(tǒng)服務(wù)

系統(tǒng)服務(wù)是一組軟件組件，它向應(yīng)用級(jí)軟件提供服務(wù)。系統(tǒng)服務(wù)隱藏各種硬件平臺(tái)的差異，向用戶(hù)提供一組標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。系統(tǒng)服務(wù)能用來(lái)管理非易失性存儲(chǔ)器、處理器資源、提供硬件級(jí)的精確定時(shí)服務(wù)。同時(shí)，它還能用于管理繼電器、開(kāi)關(guān)或其他外圍硬件。

系統(tǒng)服務(wù)還可以提供不依賴(lài)于某些特殊的物理硬件的軟件服務(wù)，包括進(jìn)程間通信、軟件健壯性檢查、事件日志、時(shí)間戳服務(wù)等。

建立程序框架

為了使程序便于移植，還有一個(gè)工作就是建立應(yīng)用程序框架，將所有與硬件平臺(tái)相關(guān)的初始化代碼放到一個(gè)模塊當(dāng)中。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先調(diào)用與平臺(tái)相關(guān)的框架模塊來(lái)對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化和置。一旦這些特殊的硬件的信號(hào)量釋放函數(shù)釋放信號(hào)量。初始化完畢，框架便開(kāi)始執(zhí)行應(yīng)用程序。由于這些特殊的平臺(tái)代碼是與應(yīng)用程序分離的，因此應(yīng)用程序可以運(yùn)行在任何其它的框架結(jié)構(gòu)中。

當(dāng)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序需要運(yùn)行在不同平臺(tái)上時(shí)，最好要考慮兩種開(kāi)發(fā)環(huán)境的差異。比如：Windows和Linux。有些Windows環(huán)境在文件路徑中既可以使用斜杠“/”，也可以使用反斜杠“\”，而Linux環(huán)境中只能使用斜杠“/”。Linux對(duì)文件的大小寫(xiě)敏感，因此程序中頭文件的大小寫(xiě)必須與文件系統(tǒng)中的完全匹配，而在Windows系統(tǒng)中則沒(méi)有這種要求。另外，這兩種環(huán)境下的編輯器對(duì)特殊字符的處理也不盡相同，這些字符包括：“Tab”、換行、“Enter”等。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要避免因?yàn)檫@些差異而要修改已完全測(cè)試通過(guò)的源代碼的情況。

實(shí)例

接下來(lái)本文將以一個(gè)TCP/IP協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)例子來(lái)介紹抽象化的設(shè)計(jì)方法。首先為它規(guī)劃一個(gè)框架：

Core：TCP、IP協(xié)議的核心代碼；

API：與上層代碼實(shí)現(xiàn)接口的函數(shù)；

Arch：與體系相關(guān)的代碼；

Netif：網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)。

Core部分是實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的核心代碼，不是本文要討論的內(nèi)容。

API部分是協(xié)議棧提供的與高層應(yīng)用的接口，主要實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，包括select、綁定函數(shù)bind、監(jiān)聽(tīng)函數(shù)listen、接收連接函數(shù)accept等，此外還有各種IP地址轉(zhuǎn)換函數(shù)、各種TCP/IP協(xié)議用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。

Arch部分是協(xié)議棧與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼，主要實(shí)現(xiàn)與操作系統(tǒng)以及與處理器相關(guān)的代碼。與處理器相關(guān)的內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)齊方式、存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)格式（大端或小端）、協(xié)議棧用到的數(shù)據(jù)類(lèi)型等。與操作系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容包括：進(jìn)程處理、信號(hào)量處理、消息隊(duì)列處理、定時(shí)功能等。

Netif部分是協(xié)議棧使用的網(wǎng)絡(luò)接口代碼，主要實(shí)現(xiàn)IP包在物理媒體上的傳輸，實(shí)際上是數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)時(shí)將TCP/IP協(xié)議本身放到Core部分，而將其它的放到抽象層中，這樣，協(xié)議運(yùn)行的操作系統(tǒng)支持由Arch部分完成，傳輸媒體支持由Netif部分完成，與高層的應(yīng)用由API部分完成。當(dāng)需要將協(xié)議移植到新的平臺(tái)上時(shí)，要做的工作是修改Arch部分，利用新的操作系統(tǒng)提供的函數(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程處理、信號(hào)量處理、消息隊(duì)列處理和定時(shí)功能等，并根據(jù)所用處理器修改與處理器相關(guān)的內(nèi)容。若網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)生改變，例如使用另一種芯片時(shí)，則只要完成Nefif中的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)即可。

結(jié)語(yǔ)

抽象是多平臺(tái)開(kāi)發(fā)強(qiáng)有力的工具。通過(guò)抽象，把應(yīng)用程序的核心部分分離出來(lái)，將其它系統(tǒng)支持部分在抽象層中完成，這樣就能夠把代碼的移植工作集中在抽象層里。合理地利用抽象，就能以最小的代價(jià)完成代碼的移植。

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