作者：一只大喵咪1201
专栏：《智能家居项目》
格言：你只管努力，剩下的交给时间！
目录
- 项目简介
- 输入子系统(按键)
-
- ⚽应用层
- ⚽设备层
- ⚽ 内核层抽象层
- ⚽芯片抽象层
- ⚽硬件操作
- 按键单元测试
-
- ⚽串口
- ⚽测试
- 源码
- 总结
在这个专栏中，本喵要实现一个智能家居的小项目，先基于HAL库实现裸机版本，之后再实现一个RTOS版本，为了无缝实现从裸机到RTOS的移植以及维护，本喵会使用面向对象的思想，将整个项目分层来实现，构建一种编程架构。
本项目重点：
- 设计出优秀的程序框架：容易扩展、容易维护。
- 具体：
- 把项目拆分为各个子系统。
- 使用面向对象的思想，把子系统抽象为结构体。
- 编写函数时，有一定的封装细节，看函数名就知道怎么用，不需要深入函数内部看它的实现。
项目简介
如上图，使用百问网的STM32F103ZET6开发板，实现：
- 开发板启动后，自动连接家里的路由器，在OLED上显示出IP。
- 手机上启动微信小程序，输入开发板OLED上显示的IP，连接开发板。
- 在微信小程序里，点击图标控制开发板的LED、风扇。
如上图所示，在程序设计过程中，分为几个层次：
- 第1层：软件系统，就是整个系统、整个程序。
- 第2层：分解为子系统，比如我们可以拆分为：输入子系统、显示子系统、业务系统。
- 第3层：分解为类，在C语言里没有类，可以使用结构体来描述子系统。
- 第4层：分解成子程序，实现那些结构体中的属性和方法(结构体中有函数指针)。
如上图所示，在本项目中，可以分为6个子系统：
- 设备子系统：比如实现LED控制、风扇控制。
- 显示子系统：在OLED上显示信息。
- 输入子系统：可以接收按键数据、网络数据。
- 网络子系统：负责网络连接、数据收发。
- 字体子系统：获得字符的字库。
- 业务子系统：起综合作用，根据输入值(网络数据)，控制设备。
其中业务子系统包含其余5个子系统，可以看作是上层，并且同样也可以看作一个子系统。
输入子系统(按键)
首先来实现输入子系统，它可以接收来自按键，网络，标准输入等设备的数据，然后供上层业务子系统去使用。整个输入子系统划分为五个层次实现，这里本喵仅实现按键一个输入设备。
⚽应用层
- 对于传递的”数据数据”，我们把它称为”输入事件”。
如上图，在input_system.h输入子系统头文件中定义输入事件结构体，用来描述发生的输入事件，无论是按键输入还是网络以及标准输入，都会创建一个这样的结构体对象，但是INPUT_EVENT_TYPE不同，只有根据该成员变量的值才可以确定发生了哪种输入，通过其他成员变量可以获取到需要的事件属性，比如发生事件，按键编号，以及字符串数据等等。
输入事件类型有多种，在这个项目中并不会用到触摸屏输入，本喵这样写是为了表明拓展维护的方便性，在输入子系统层面，需要增加输入事件类型，以及描述输入事件的结构体InputEvent中增加触摸屏触摸的位置。
接下来就是输入事件的来源了，从框图中看到有按键输入，网络输入，标准输入，以后甚至可以扩展更多的输入来源，这些输入来源产生输入事件。
- “输入事件”由”输入设备”产生。
如上图，在input_system.h输入子系统头文件中定义输入设备结构体，用来描述输入设备，每一个设备都会创建一个这样的结构体对象，其中包含设备的名称，获取输入事件，初始化设备，去初始化设备等方法，以及下一个设备节点的指针。
每一个设备都自带获取输入事件的方法，也就是获取InputEvent对象的函数，站在输入子系统的层面，它并不关心该方法是如何实现的，只在需要获取输入数据的时候直接调取该方法即可。
包括初始化和去初始化也是设备自带的方法，上层只需要直接调用即可，至于去初始化是在不需要某个设备的时候，将其配置恢复到初始化状态，从系统中抹除该设备。
为了管理多个设备，本喵将其放在一个链表中，所以还有一个pNext指针指向下一个设备节点。
- 在输入子系统层面，并不关心获取输入事件函数是如何实现的，而且该函数的实现涉及到了硬件底层，所以并不在子系统层面实现。
如上图，在input_system.c源文件中，创建一个全局链表，用来让输入子系统管理输入设备，并且实现注册输入设备，增加输入设备，初始化所有输入设备等函数。
注册输入设备的本质就是将新增加的输入设备节点插入到链表中，让输入子系统能够通过操作链表来维护使用输入设备。
增加输入设备也是输入子系统要处理的事情，在增加输入设备函数中再调用增加具体输入设备的函数，需要增加多少输入设备，就将对应设备的增加函数放进去。
初始化所有输入设备的时候，只需要变量链表中的设备节点，调用每个设备节点自带的初始化化函数即可。
- 这三个函数要在
input_system.h中声明。
无论是一个输入设备还是多个输入设备，所产生的数据并不只一个，但是使用者只有输入子系统一个，为了防止数据丢失，所以这些数据也需要维护起来，这里使用环缓冲区列来维护，主要有输入事件产生，就将相应的InputEvent对象放入环形缓冲区中，子系统只需要从环形缓冲区读取数据就可以，不用关心数据是怎么来的。
如上图所示，环形缓冲区本质上也是一个数组，就拿写来说，当这个数组被写满后ring_buffer[7] = data，就通过取模运算pW = (7 + 1) % 8 = 0重新从数组的起始位置开始写数据，读也是类似的道理。
- pR是向环形缓冲区读数据时的下标。
- pW是向环形缓冲区写数据时的下标。
通过pR是否等于pW来判断环形缓冲区中是否有数据，没有数据就相等，有数据就不相等，同样通过pW是否等于pR来判断环形缓冲区是否写满数据，相等就写满了，不相等就没写满。
如上图所示，定义环形缓冲区结构体，通过维护pW和pR来维护环状，以及从存放输入事件的buffer中读写事件。
输入子系统还需要提供读写数据的方法：
如上图所示，创建一个全局的环形缓冲区对象，由于是静态全局变量，且没有初始化，所以编译器会用0去初始化，并放在未初始化数据段，读写事件都是在操作这个全局的环形缓冲区。
此时，输入子系统已经具有了上图所示结构以及对应的操作方法，输入子系统的层就完成了，到目前位置丝毫没有提及到和STM32F103ZE开发板有关的内容，连一句相关的代码也没有，实现了应用层和硬件的解耦。
⚽设备层
此时输入子系统中的上层部分已服务器托管网经完成了，还需要处理输入子系统设备层，这里本喵仅实现按键输入设备：
如上图所示，在gpio_key.h中定义了两个按键的编号，之后直接使用即可。
如上图所示，在gpio_key.c中实例化出一个按键对象，并进行初始化，赋值设备名，初始化函数等，还要提供一个增加按键设备的函数AddInputDeviceGPIOKey供应用层在初始化所有设备时候调用。
- 对于裸机程序，事件获取方法不用注册到设备队列中，而是在后面中断函数中调用。
此时，已经实现了按键的设备层，包括按键设备的实例化，按键设备的初始化方法，以及增加按键设备的方法。
⚽ 内核层抽象层
本喵想让这个系统支持多个系统，包括裸机，FreeRTOS，RT-Thread，甚至是Linux，这里将裸机也看作是一种内核。
不同内核下的数据来源：
- 裸机：数据来自中断，在中断中解析数据并放入环形缓冲区。
- RTOS：创建任务，在任务中解析数据并放入环形缓冲区。
内核抽象层中，根据不同的内核对按键进行初始化，本喵这里仅实现裸机的按键初始化：
如上图，初始化按键的时候，调用KAL_GPIOKeyInit，在函数内部再调用不同内核对按键的初始化函数，对于裸机则调用芯片层的CAL_GPIOKinit函数进行初始化，如果是RTOS，则仅需要将该函数改成对应的初始化函数即可。
- 设备抽象层调用的是该层的
KAL_GPIOKeyInit，根本不关心具体的实现逻辑。
在描述输入事件的结构体InputEvent中有一个time成员变量用来记录事件发生的事件，而这个时间在不同的内核中表现方式不同，所以在内核抽象层需要实现获取时间的函数。
如上图，在使用的时候，直接调用内核抽象层的KAL_GetTime获取时间即可，在该函数内部，根据具体的获取方式调用对应的函数。
如本喵使用的STM32F103ZET6是通过滴答定时器来获取时间的，需要获取芯片中寄存器的值，所以要调用CAL_GetTime从芯片获取时间。
对于Linux，它在系统内部会记录着时间，此时就可以直接返回时间，不用再向下调用。
此时，内核抽象层也实现了，设备层会调用内核抽象层的初始化函数。
⚽芯片抽象层
项目的最终实现需要依托具体的芯片，本喵用的STM32F103ZET6是支持HAL库的，但是也有一些芯片并没有HAL库，需要用它自己的库来操作，所以在这一层要实现对不同类型芯片的支持。
如上图，在芯片抽象层会调用CAL_GPIOKeyInit来初始化按键，在函数内部根据不同的芯片再调用它对应的初始化函数，如ST芯片就调用KEY_GPIO_ReInit。
同样，不同芯片获取时间的方式也不同，这里也要实现针对不同芯片获取时间的方式：
如上图所示，从芯片寄存器中获取时间的时候，对于ST芯片，调用HAL_GetTick获取即可，对于其他芯片，放入对应的获取方式即可。
此时芯片抽象层也实现了，内核抽象层会调用该层的CAL_GPIOKeyInit初始化按键。
⚽硬件操作
本喵使用的是STM32F103ZET6芯片，使用CubeMX和HAL库进行按键初始化，在初始化的时候，要在中断函数中进行输入数据的读取，并放入环形缓冲区中。
如上图，在driver_key.h中进行一些芯片的资源定义，方便后面使用。
如上图，使用HAL库对按键进行初始化，在按键中断函数中处理输入事件InputEvent并且放入到环形队列中
服务器托管网此时，具体芯片的硬件配置也设置好了，输入子系统中按键设备就完全写好了。
如上图，现在整个代码结构是这样，其中智能家居项目部分全部放在了smartdevice文件夹中，包含输入子系统的应用层，设备抽象层，内核抽象层，芯片抽象层。
其余部分是通过CubeMX进行的基本外设配置，整个输入子系统中，只有在硬件操作的时候会用到这里的配置，其余四层都是独立的，不存在耦合。
按键单元测试
⚽串口
为了观察按键按下后的现象，使用串口将发生的输入事件InputEvent打印出来，此时串口配置并不属于我们实现的输入子系统，只是一个调试工具，直接使用HAL库配置就可以。
如上图所示是串口的头文件，只包含串口的使能和失能函数声明。
如上图所示是串口的具体配置函数，这里同样需要一个环形缓冲区，这里本喵就不展示它的实现了，后面本喵会放源码。
在调用EnableDebugIRQ打开串口后，在向串口发送数据的时候，直接调用printf即可，因为printf底层会调用fputc函数，所以需要在这里将fput重定向，使得printf符合我们的要求。
在fputc中，先将发送完成标志清0，然后调用HAL库的中断发送函数发送一个字节，当发送完成标志位为0时就一直等待，说明没有发送完成。这个字节发送完成以后，会进入串口的发送中断回调函数，在中断函数中将发送标志位置1，让fputc退出循环等待。printf发送多个字节就调用多次fputc。
在获取串口发送来的数据时，直接调用scanf即可，因为scanf底层会调用fgetc函数，所以也需要重定向fgetc函数，使得scanf符合我们的要求。
当串口上有数据到来时，会发生串口中断，通过判断SR寄存器的第五位确定是接收到了数据，并且将接收到的数据放入到环形缓冲区中。fgetc直接从环形缓冲区中读取数据。
- 为了像在PC端一样使用标准库中的
printf和scanf，必须重新实现fputc和fgetc函数，让终端变成串口，符合我们的要求。
⚽测试
为了看我们设计的输入子系统是否正确，需要专门写一个单元测试函数来测试一下：
如上图所示，将按键设备添加到输入子系统中，然后进行初始化，在while(1)循环中读取输入事件，并通过串口打印输入事件的信息。
在main函数中调用该测试函数，通过串口调试助手查看打印信息：
如上图，将板子的串口和电脑连在一起后，通过串口调试助手可以看到，当按键1或者按键2按下后，会打印出发生的事件信息，包括事件类型，发生事件，按键编号，以及按键值，说明设计的输入子系统是成功的。
源码
这部分代码是在OLED代码的基础上写的，包含源码以及串口调试工具，需要的小伙伴自取传送门。
总结
这篇文章实现了智能家居项目中输入子系统中的按键设备，最重要的是介绍的代码框架和编程思想，之后的项目部分都会按照这个思路来扩展维护。
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