单片机工程经验 - 分层思想
单片机工程经验是本人对单片机编程从业以来的一点经验总结，希望能为大家的职业生涯提高一点点效率，不要陷入整日重复造轮子的境地。人生不只有工作，还有生活。
分层思想
分层思想其实一点都不神秘，它就是简单的把一个项目分成多个层级，仅可上层调用下层接口，且不能跨层级调用。这里我简单的把单片机程序分为3层。
| 应用层 |
|---|
| 驱动层 |
| 硬件层 |
矩阵键盘为例子
这里我们以矩阵键盘为例子。
- 将ROW1 ~ ROW4设置为输出模式、将COL1 ~ COL4设置为输入。
- 将ROW1输出低电平，ROW2、ROW3、ROW4输出高电平。
- 读取COL1 ~ COL4电平，如果有一列电平为低，则相应的按键按下，比如K2按下时COL2就会收到低电平，而此时K5~K16无论是否按下，对这个电平都没有影响，因为即使按下，也只是增加一个3.3V的上拉。
- 将不同的ROW输出低电平，其他输出高重复读取COL上的电平。这样每次哪一行上的ROW置低就能读取到这一ROW上4个按键的状态。
分层
硬件层
ROW1 ~ ROW4，COL1 ~ COL4需要连接到单片机的8个普通IO口上，而不同单片机的IO口操作寄存器或者库函数都不同，如果这里不做分层，那么换一个单片机就得重写矩阵键盘的驱动，这显然是我们不想要的。
首先我们对IO口操作进行抽象化处理，我们发现IO口操作无非就是设置IO输入输出模式，输出高低电平，检测输入电平的高低。
然后我们就可以抽象出这么三个函数
drv_pin_mode(int id,int mode);
drv_pin_write(int id,int level);
drv_pin_read(int id);
因为不同的IO口都可以单独配置，所以我们要将IO传入函数，这里不同的id就能代表不同的IO口。
不同单片机这三个函数的实现都不同，但这没有关系，只要我们把这三个函数的实现单独写成一个源文件，那么换单片机是不是只要换这个源文件就可以了？这样我就实现了硬件层的分层。
驱动层
驱动层就需要考虑我们需要为上层应用层提供什么东西，比如矩阵键盘需要提供哪个按键被按下、led需要提供亮灯灭灯闪烁、温度传感器需要提供温度值。而对上层应用来说，我不需要知道你是怎么实现的，驱动只要提供应用层想要的东西就行了。
对于矩阵键盘来说，应用层只需要一个函数
char get_key_date();
应用层实时调用这个函数就可以知道哪个按键被按下了。
或者我们可以使用回调函数的方式。
void set_key_callback(void (*key_date)(char key));
上层应用先写好函数，这个函数可以处理不同的键值按下，然后调用上方函数设置好回调，当矩阵键盘驱动检测到按键被按下时就可以自动调用这个回调函数。
采用这两种方法就可以实现矩阵键盘驱动写好后，下次需要使用可以直接将驱动复制而无需更改任何代码。
矩阵键盘驱动实现
首先我们思考矩阵键盘和硬件有哪些关联。
- ROW和COL的数量是不确定的
- 每个ROW和COL对应的IO口是不确定的。
因为这两个不确定，所以我们需要把这两个不确定的条件传入驱动
void set_key_row_col(int *rowMap,int rowNum,int *colMap,int colNum);
这里rowMap是ROW列的引脚id数组，rowNum是数组长度，col也同理。
比如row的id是1357，col的id是2468，那么可以这样调用
int row[] = {1,3,5,7};
int col[] = {2,4,6,8};
set_key_row_col(row,4,col,4);
在驱动层，我们就可以将这几个参数保存下来，以便后续使用。
接着我们要思考矩阵键盘的具体实现了，我们知道一开始需要将row设置成输出，col设置成输入，所以可以定义一个初始化函数
void keyi_init()
{
int i = 0;
for(i = 0; i < rowNum;i++)
{
drv_pin_mode(rowMap[i],PIN_MODE_OUT);
drv_pin_write(rowMap[i],1);
}
for(i = 0; i < colNum;i++)
{
drv_pin_mode(colMap[i],PIN_MODE_IN);
}
}
然后我们就要考虑轮流去读取col的值。
void key_thread()
{
static int rowIndex = 0;
int i = 0;
drv_pin_write(rowMap[rowIndex],0);// 将某一row输出低电平
for(i = 0; i < colNum;i++)
{
if(drv_pin_read(colMap[i]) == 0)// 如果读取到低电平
{
if(key_date)// 如果用户设置了回调函数
{
key_date(i*rowNum + rowIndex);// 执行回调函数并输入键值
}
}
}
drv_pin_write(rowMap[rowIndex],1);// 将这一row输出高电平
rowIndex++;// 换到下一轮输出低电平
if(rowIndex >= rowNum)// 如果全部row都检查过了就回到第 0 row开始检查
{
rowIndex = 0;
}
}
只要应用层不断的去调用key_thread()函数，那么就可以十分简单的获取到键值。当然这个驱动没有考虑按键消抖，辨别长按双击等，这里只介绍思想，不作深入研究，你可以根据这些思想去思考怎么完善这个程序。
应用层
经过上述介绍，应用层需要完成的事情非常简单
- 定义好row和col的id，然后调用
set_key_row_col函数 - 编写好回调函数然后调用
set_key_callback告知驱动 - 调用
keyi_init函数对驱动进行初始化 - 不断调用
key_thread函数完成驱动的操作
至此，我们就可以发现，无论是什么单片机，无论几个口的矩阵键盘，只要将硬件层和驱动层复制到项目中，都只需要上述4部即可完成对矩阵键盘的使用。
总结
分层思想的好处是，硬件层和驱动层都只需要编写一次，极大的减少工作量，工程师可以专心思考应用层的实现。而由于这两层完全不涉及逻辑，可以轻松编写单元测试代码，只要一次测试通过，以后这两层代码将安心使用而不用担心bug的出现，减少测试压力。
当然分层思想也不是没有缺点，首先就是资源占用的增加，分层势必增加许多冗余代码，而且每一层都有自己的资源分配，尽管不同层级的资源代表的东西是相同的，但是为了减少耦合不得不另外分配资源，同时部分编译器可能对调用堆栈有限制，分层的实现会加重函数调用的深度。而且部分的代码可能不支持，比如51单片机对于函数指针的使用可能会出现问题。
总结下就是，对于资源丰富的现代单片机建议使用分层思想来构筑程序，这样的程序不仅写的快而且质量高。如果单片机是落后的八九十年代的产品，那还是不要用了。