【產(chǎn)品應(yīng)用】用 AWTK 和 AWPLC 快速開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序 (4)- 自定義功能塊（上）

AWPLC 是 ZLG 自主研發(fā)的 PLC 系統(tǒng)（兼容 IEC61131-3)，本文用定時(shí)器為例介紹一下如何擴(kuò)展自定義功能塊。

背景

AWTK 全稱 Toolkit AnyWhere，是 ZLG 開(kāi)發(fā)的開(kāi)源 GUI 引擎，旨在為嵌入式系統(tǒng)、WEB、各種小程序、手機(jī)和 PC 打造的通用 GUI 引擎，為用戶提供一個(gè)功能強(qiáng)大、高效可靠、簡(jiǎn)單易用、可輕松做出炫酷效果的 GUI 引擎。

AWPLC 是 ZLG 自主研發(fā)的 PLC 系統(tǒng)（兼容 IEC61131-3)，其中 AWPLC 的運(yùn)行時(shí)庫(kù)(Runtime)基于 ZLG TKC 開(kāi)發(fā)，可以移植到到任何主流 RTOS 和嵌入式系統(tǒng)。AWPLC 的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)基于 AWTK 開(kāi)發(fā)，可以運(yùn)行在 Windows、MacOS 和 Linux 系統(tǒng)之上。AWPLC 的主要目標(biāo)之一是把 PLC 中低代碼開(kāi)發(fā)方法引入到嵌入式軟件，從而提高嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)效率和可靠性。

簡(jiǎn)介

在前一篇文章中，我們說(shuō)過(guò)，AWPLC 的重要特色之一就是高度可擴(kuò)展，而且會(huì)內(nèi)置 ZLG 多年在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中積累的功能塊，包括各種算法、協(xié)議和實(shí)用功能，這將大大簡(jiǎn)化嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)。

那怎么去開(kāi)發(fā)自定義的功能塊呢？本文以 ZTIMER 為例介紹一下開(kāi)發(fā)自定義功能塊的方法。ZTIMER 是一個(gè)帶計(jì)數(shù)功能的定時(shí)器，在前一篇文章中，我們用它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)走馬燈的演示，其使用方法如下：

在 AWPLC 中，自定義功能塊和內(nèi)置功能塊具有同等待遇，因?yàn)樗鼈兌际前赐瑯拥姆绞郊尤脒M(jìn)來(lái)的。在進(jìn)入正題前，我們先聊一下，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及實(shí)現(xiàn)方法。1.可擴(kuò)展性的好處在設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜軟件的架構(gòu)時(shí)，可擴(kuò)展性是必須考慮的因素。可擴(kuò)展性至少帶來(lái)以下幾個(gè)好處：

• 可擴(kuò)展性將軟件的框架與具體的實(shí)現(xiàn)分離開(kāi)來(lái)，有助于降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。系統(tǒng)的復(fù)雜性太高，會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，比如讓可理解性、可維護(hù)性和可靠性的降低，很多項(xiàng)目因此陷入無(wú)法掙脫的焦油坑里，最后士氣低落，人員流失，項(xiàng)目取消，公司蒙受巨大損失。在設(shè)計(jì)復(fù)雜軟件時(shí)，一定要存有敬畏之心；
• 可擴(kuò)展性將軟件變化的部分隔離開(kāi)來(lái)，不但可以讓擴(kuò)展的功能獨(dú)立變化，也可以方便的擴(kuò)展新功能。在 AWPLC 中，以后會(huì)擴(kuò)展各種協(xié)議和算法的功能塊，必須保證 AWPLC 框架和這些擴(kuò)展的功能塊是獨(dú)立的，才能讓開(kāi)發(fā)工作順利進(jìn)行；
• 可擴(kuò)展性有利于團(tuán)隊(duì)的協(xié)作。不同的通訊協(xié)議和算法，需要不同團(tuán)隊(duì)的專家去開(kāi)發(fā)，可擴(kuò)展性讓大家只要按相應(yīng)的接口去實(shí)現(xiàn)，就可以方便的集成起來(lái)，不需要太多跨團(tuán)隊(duì)的交互。

2.如何保證可擴(kuò)展性

讓軟件系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，通常并不是什么難事，只要做到下面兩點(diǎn)就可以了：

• 針對(duì)接口編程。這個(gè)是大家都知道的，在《軟件設(shè)計(jì)模式》等書里，都反復(fù)強(qiáng)調(diào)了，這里不再贅述；
• 利用工廠模式隔離組件的創(chuàng)建。工廠模式也是人人都知道的，而且大家都覺(jué)得很"簡(jiǎn)單"。但是能把工廠模式用好的程序員其實(shí)并不多見(jiàn)，一個(gè)主要原因就是很多人只會(huì)套用《軟件設(shè)計(jì)模式》的工廠模式，而《軟件設(shè)計(jì)模式》里幾個(gè)工廠模式在現(xiàn)實(shí)中并不實(shí)用。利用這些這些工廠模式，無(wú)法滿足 SOLID 原則中的開(kāi)放封閉原則，增加一個(gè)新的擴(kuò)展時(shí)，仍然需要修改對(duì)應(yīng)的工廠。

AWPLC功能塊的接口

要讓 AWPLC 支持?jǐn)U展各種自定義的功能塊，首要條件條件是定義好功能塊的接口。

1.功能塊的基類在面向?qū)ο蟮?C 語(yǔ)言編程中，我們用結(jié)構(gòu)(struct)來(lái)模擬類和接口。這里所說(shuō)的接口是廣義的接口，而不是 C++或其它語(yǔ)言中只包含純虛函數(shù)的 interface，因?yàn)槌颂摵瘮?shù)指針外，這里還有一些數(shù)據(jù)成員。

/**
*@classaw_plc_fb_t
* AWPLC 功能塊接口。
*/
struct_aw_plc_fb_t{
/**
*@property{bool_t}en
*是否啟用。
*/
uint8_ten:1;
/**
*@property{bool_t}eno
*是否啟用輸出。
*/
uint8_teno:1;

/*private*/
constaw_plc_fb_vtable_t*vt;

};

2.功能塊的虛函數(shù)

在功能塊的虛函數(shù)表中，還定義了一些描述性的常量，讓對(duì)象具有一點(diǎn)反射的能力，方便在運(yùn)行時(shí)查詢它的一些狀態(tài)。順便說(shuō)一下，在定義接口的虛函數(shù)時(shí)，通常不會(huì)有創(chuàng)建函數(shù)，因?yàn)閯?chuàng)建之前對(duì)象之前，是拿不到這個(gè)虛表對(duì)象的。但也不是絕對(duì)的，有時(shí)為了方便 clone，也可能提供一個(gè) clone 函數(shù)或者 create 函數(shù)。

任何接口都要定義析構(gòu)函數(shù)(destroy)，在對(duì)象需要銷毀時(shí)，框架可以以統(tǒng)一的方式銷毀它。

typedefstruct_aw_plc_fb_vtable_t{
/*功能塊的類型名*/
constchar*type;
/*輸入參數(shù)名稱列表，以NULL結(jié)束的字符串?dāng)?shù)組*/
constchar*const*ins;
/*輸出參數(shù)名稱列表，以NULL結(jié)束的字符串?dāng)?shù)組*/
constchar*const*outs;
/*輸入輸出參數(shù)名稱列表，以NULL結(jié)束的字符串?dāng)?shù)組*/
constchar*const*in_outs;
/*執(zhí)行函數(shù)*/
aw_plc_fb_exec_texec;
/*執(zhí)行函數(shù)（帶參數(shù)）*/
aw_plc_fb_exec_ex_texec_ex;
/*獲取屬性（輸入輸出參數(shù)）的值*/
aw_plc_fb_get_prop_tget_prop;
/*獲取輸出的值*/
aw_plc_fb_get_output_tget_output;
/*設(shè)置輸出的值*/
aw_plc_fb_set_input_tset_input;
/*析構(gòu)函數(shù)*/
aw_plc_fb_destroy_tdestroy;

}aw_plc_fb_vtable_t;

* 這個(gè)虛函數(shù)表和 AWTK/TKC 中的 object 虛函數(shù)表很相似，考慮到 object 為了做得通用，有點(diǎn)臃腫了，所以決定重新定義一套。

AWPLC功能塊的工廠

前面我們說(shuō)過(guò)，可擴(kuò)展性除了針對(duì)接口編程外，離不開(kāi)工廠模式的支持。功能塊的工廠其任務(wù)當(dāng)然是創(chuàng)建功能塊了，所以提供了一個(gè)創(chuàng)建功能塊的函數(shù)。參數(shù) type 指定功能塊的類型，函數(shù)返回對(duì)應(yīng)類型的功能塊：

/**
*@methodaw_plc_fb_factory_create_fb
*創(chuàng)建 fb。
*@param {const char*} type 類型。
*
*@return {aw_plc_fb_t*}返回 fb 對(duì)象。
*/

aw_plc_fb_t*aw_plc_fb_factory_create_fb(constchar*type);

有了這個(gè)創(chuàng)建函數(shù)，確實(shí)把創(chuàng)建任務(wù)與功能塊的實(shí)現(xiàn)分開(kāi)了。但是請(qǐng)想一下，如果每次增加新的功能塊，都要修改這個(gè)創(chuàng)建函數(shù)，而這個(gè)函數(shù)又屬于框架的一部分，框架是不是還是依賴于具體實(shí)現(xiàn)了呢？為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要提供一種注冊(cè)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)依賴倒置，讓功能塊的實(shí)現(xiàn)者主動(dòng)將創(chuàng)建函數(shù)注冊(cè)進(jìn)來(lái)：

/**
*@methodaw_plc_fb_factory_register
*注冊(cè)創(chuàng)建函數(shù)。
*@param {const char*} type 類型。
*@param {aw_plc_fb_create_t} create 創(chuàng)建函數(shù)。
*
*@return {ret_t}返回 RET_OK 表示成功，否則表示失敗。
*/

ret_taw_plc_fb_factory_register(constchar*type,aw_plc_fb_create_tcreate);

這種機(jī)制非常好用，真正滿足了 SOLID 原則中的開(kāi)放封閉原則(OCP)：擴(kuò)展新的功能無(wú)需修改框架代碼。在 ZLG 開(kāi)源 GUI 引擎中，也大量使用了這種帶注冊(cè)功能的工廠模式，有興趣的朋友可以去看看 AWTK 的代碼。

ZTIMER

前面我們說(shuō)過(guò)，可擴(kuò)展性除了針對(duì)接口編程外，離不開(kāi)工廠模式的支持。功能塊的工廠其任務(wù)當(dāng)然是創(chuàng)建功能塊了，所以提供了一個(gè)創(chuàng)建功能塊的函數(shù)。參數(shù) type 指定功能塊的類型，函數(shù)返回對(duì)應(yīng)類型的功能塊：

1.ZTIMER的結(jié)構(gòu)

在 C 語(yǔ)言中，一般用結(jié)構(gòu)來(lái)模擬類，把基類作為結(jié)構(gòu)的第一個(gè)成員來(lái)模擬繼承。這里必須讓 aw_plc_fb_t 作為 aw_plc_fb_ztimer_t 的第一個(gè)成員。

/**
*@classaw_plc_fb_ztimer_t
*@parentaw_plc_fb_t
*@annotation["fb"]
*循環(huán)定時(shí)器。
*
*>當(dāng)輸入 IN 為 TRUE 時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)，輸出 Q 為 FALSE，ET 開(kāi)始記錄過(guò)去的時(shí)間。
*>定時(shí)時(shí)間到時(shí)，COUNT 增加 1，輸出 Q 在本次循環(huán)為 TRUE，ET 重置為0。
*>輸入 IN 為 FALSE 時(shí)重置定時(shí)器。
*/
typedefstruct_aw_plc_fb_ztimer_t{
aw_plc_fb_tfb;

/**
*@property{bool_t}in
*@annotation["in"]
*為 TRUE 開(kāi)始計(jì)時(shí)，為 FALSE 時(shí)重置定時(shí)器。
*/
bool_tin:1;

/**
*@property{iec_time_t}pt
*@annotation["in"]
*預(yù)設(shè)時(shí)間(ms)。
*/
iec_time_tpt;

...

}aw_plc_fb_ztimer_t;

這里的 API 注釋采用了 AWTK 中定義的格式，但是對(duì) annotation 做了一點(diǎn)擴(kuò)展，增加了 3 個(gè)新的取值：

fb 表示這是一個(gè)功能塊；

in 表示這是一個(gè)輸入?yún)?shù)；

out 表示這是一個(gè)輸出參數(shù)。

2.ZTIMER的實(shí)現(xiàn)

每個(gè)功能塊必須提供虛函數(shù)表中定義的函數(shù)，不過(guò)主要代碼集中 exec 函數(shù)里（其它函數(shù)可以自動(dòng)生成出來(lái)）：

staticret_taw_plc_fb_ztimer_exec(aw_plc_fb_t*fb){
aw_plc_fb_ztimer_t*ztimer=AW_PLC_FB_ZTIMER(fb);

if(aw_plc_fb_before_exec(fb)==RET_OK){
ztimer->current_time=aw_plc_now_ms();
if(ztimer->state==0&&!ztimer->prev_in&&ztimer->in){
ztimer->state=1;
ztimer->q=FALSE;

ztimer->et=0;
ztimer->count=0;
ztimer->start_time=ztimer->current_time;
}else{
if(!ztimer->in){
ztimer->q=FALSE;
ztimer->state=0;

ztimer->et=0;
ztimer->count=0;
ztimer->start_time=ztimer->current_time;
}elseif(ztimer->state==1){
if((ztimer->start_time+ztimer->pt)<=?ztimer->current_time){
ztimer->q=TRUE;

ztimer->et=0;
ztimer->count++;
ztimer->start_time=ztimer->current_time;
}else{
ztimer->q=FALSE;
ztimer->et=ztimer->current_time-ztimer->start_time;
}
}
}
ztimer->prev_in=ztimer->in;
}

returnRET_OK;

}

3.注冊(cè)ZTIMER

功能塊需要注冊(cè)到前面介紹的功能塊工廠：

aw_plc_fb_factory_register(AW_PLC_FB_TYPE_ZTIMER,aw_plc_fb_ztimer_create);

坦白的講，本文只是介紹了實(shí)現(xiàn)自定義功能塊的關(guān)鍵步驟，實(shí)際工作要麻煩很多。如果手工去做這些工作，開(kāi)發(fā)一個(gè)功能塊還覺(jué)得好玩，而開(kāi)發(fā)幾十個(gè)甚至幾百個(gè)功能塊，人不會(huì)變瘋就會(huì)變傻。下一篇文章會(huì)我們介紹一下，如何用代碼生成器來(lái)完成這些單調(diào)的工作，讓開(kāi)發(fā)自定義功能塊成為一項(xiàng)快樂(lè)的工作。

AWPLC 目前還處于開(kāi)發(fā)階段的早期，寫這個(gè)系列文章的目的，除了用來(lái)驗(yàn)證目前所做的工作外，還希望得到大家的指點(diǎn)和反饋。如果您有任何疑問(wèn)和建議，請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論區(qū)留言。