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架构对比分析

article 2025/2/24 15:41:08

您提到的两种架构描述本质上遵循相同的分层设计理念，但存在差异的原因在于 视角不同 和 硬件平台特性。以下是详细解析：

一、架构对比分析

1. 逻辑分层（通用软件设计视角）

应用层（UI/用户交互）
  ↓
业务逻辑层（平衡算法/文件管理）
  ↓
驱动层（传感器采集/硬件控制）

特点：
- 功能导向：按软件功能模块划分，与硬件无关
- 通用性：适用于任何硬件平台（如PC/嵌入式/手机）
- 典型应用：传统单核设备（如STM32F4系列）

2. 物理分层（STM32MP157异构平台视角）

+---------------------+
|     Qt应用层         |  
+---------------------+
|   Linux服务层        | 
+---------------------+
|  FreeRTOS实时层      | 
+---------------------+
| 硬件抽象层（HAL）     | 
+---------------------+

特点：
- 硬件耦合：紧密结合双核异构架构（A7+M4）
- 实时性优化：明确区分实时任务（M4）与非实时任务（A7）
- 典型应用：需要硬实时+复杂UI的场景（如工业HMI）

二、分层差异的原因

1. 多出的"Linux服务层"与"FreeRTOS实时层"

硬件差异：
- STM32MP157 的双核特性要求明确划分操作系统层级：
  - Linux层：管理UI、网络、文件系统等非实时任务
  - FreeRTOS层：处理ADC采样、电机控制等实时任务
- 单核芯片（如i.MX6ULL）：无需此分层，所有任务在单一OS中运行
功能必要性：

2. 硬件抽象层（HAL）的定位

在传统分层中：HAL属于"驱动层"的一部分

在异构分层中：HAL作为独立层，屏蔽双核差异：

// HAL接口示例（统一A7/M4访问）
typedef struct {
    int (*read_sensor)(void);      // M4实现
    void (*set_led)(int state);    // A7实现
} HAL_Operations;

三、非STM32MP157平台的架构调整

1. 使用纯Linux平台（如i.MX6ULL）

应用层（Qt）
  ↓
业务逻辑层（算法+文件）
  ↓
Linux内核层（驱动+实时补丁）
  ↓
硬件层（传感器/屏幕）

关键调整：
- 移除FreeRTOS层，实时任务通过 Linux PREEMPT_RT 补丁实现
- 示例配置：
```
# 内核配置
CONFIG_PREEMPT_RT_FULL=y
CONFIG_HIGH_RES_TIMERS=y
```

2. 使用低端MCU（如STM32F4）

应用层（裸机UI）
  ↓
业务逻辑层（简化算法）
  ↓
驱动层（HAL库）

典型方案：
- UI使用嵌入式GUI（如TouchGFX/LVGL）
- 文件系统使用FatFS
- 实时性由中断保障

3. 不同硬件平台的架构映射表

硬件平台	对应架构分层	实时性保障方案
STM32MP157（双核）	Qt应用 + Linux服务 + FreeRTOS实时 + HAL	M4核硬实时
i.MX6ULL（单核）	Qt应用 + Linux内核（RT补丁） + HAL	软实时（PREEMPT_RT）
STM32F4（单核）	裸机应用 + 驱动层	中断优先级控制

四、架构设计建议

1. 通用设计原则

模块化隔离：

// 业务逻辑层接口（硬件无关）
class BalanceAlgorithm {
public:
    virtual double calculate(QVector<double> samples) = 0;
};

// 平台相关实现
class STM32MP157Balance : public BalanceAlgorithm { /*M4核实现*/ };
class LinuxRTBalance : public BalanceAlgorithm { /*PREEMPT_RT实现*/ };

跨平台HAL设计：

// hal.h
#if defined(STM32MP157)
  #include "hal_stm32mp157.h"
#elif defined(IMX6ULL)
  #include "hal_imx6ull.h"
#endif

2. 选择依据

考量因素	推荐架构	原因
需要硬实时（<10μs）	STM32MP157异构分层	M4核专用于实时任务
成本敏感	i.MX6ULL单核Linux架构	省去M4核开发成本
界面复杂度低	STM32F4裸机架构	减少OS开销

五、示例：i.MX6ULL单核方案实现

1. 软件架构

应用层（Qt Quick）
  ↓
业务逻辑层（平衡算法 + 模板管理）
  ↓
Linux内核层（带PREEMPT_RT补丁）
  ↓
驱动层（SPI/I2C/ADC驱动）

2. 实时数据采集实现

// 内核模块（确保实时性）
static irq_handler_t adc_isr(int irq, void *dev) {
    struct adc_sample *sample = kmalloc(sizeof(*sample), GFP_ATOMIC);
    sample->value = read_adc();
    kfifo_put(&adc_fifo, sample); // 无锁环形缓冲区
    return IRQ_HANDLED;
}

// 用户空间线程（设置实时优先级）
void *data_thread(void *arg) {
    struct sched_param param = { .sched_priority = 99 };
    pthread_setschedparam(pthread_self(), SCHED_FIFO, &param);
    
    while(1) {
        struct adc_sample sample;
        if(kfifo_get(&adc_fifo, &sample)) {
            process_sample(sample.value);
        }
    }
}