如何设计一个好的软件架构，如何提高软件的可扩展性、可移植性、可重用性和可读性？
很多做嵌入式开发的朋友经常会遇到这种情况：一个项目软件设计完成，客户提出了一些新的功能需求。这时，如果客户的新需求不多，软件可以增加一些新功能，但增加新功能后，程序容易出现各种异常问题。这个时候，如果客户有很多新的需求，那么整个软件的很多部分都需要修改，甚至可能导致软件重写。造成这种结果的原因是软件设计没有遵循软件设计的原则，没有使用正确的设计模式和正确的软件架构。
软件设计的五大原则：单一原则、开放封闭原则、移动期望替代原则、接口隔离原则和依赖反转原则。
27种设计模式：适配器模式、装饰器模式、观察者模式、迭代器模式、访问者模式等等(不一一列举)。
软件架构：分层架构、过滤架构、插件架构、MVC架构等等。
规则和方法很多，往往很难应用到实际项目中。接下来，我用一个项目来介绍如何遵循软件设计的原则，以及如何使用好的设计模式和框架。本项目是一个智能家具系统的网关软件设计项目。
先来看看智能家居系统，由网关、智能触摸屏、控制模块、检测模块等组成。实现对家居设备的智能控制。该系统可以控制灯光、空调、窗帘、蓝牙音乐、地暖等家用设备。用户可以通过语音指令、智能触摸屏、手机APP、电脑云等监控家庭设备的状态。该系统的应用场景如下：
网关功能描述
智能家居系统的控制中枢是网关。网关的主要任务是监控触摸模块、控制模块和检测模块的状态。网关的功能如下：
1.利用嵌入式以太网控制器硬件实现对局域网内本地服务器和外网云服务器的TCP访问。本地服务器可以配置网关参数，通过网络端口升级网关固件，用户可以通过移动APP通过云服务器向网关发送数据。
2.使用485总线接收来自面板和环境传感器的报告数据，分析数据并发出485指令来操作开关控制器以控制执行单元。
3.用户可以通过扩展的输入输出IO端口实现简单的开关输入和控制。
网关的硬件描述
网关硬件采用华大的HC32F460单片机为核心，外围设备包括485电路、RTC电路、LCD电路、以太网控制器电路和IO控制电路。网关的硬件框图如下：
软件框架
网关软件采用FreeRTOS操作系统，采用模块化设计方法，各功能独立成为一个模块，各个独立模块采用分层设计。软件框架图如下：
软件采用模块化设计方法。模块化设计的核心思想是“分而治之”，即将一个复杂的问题分解成几个简单的问题，然后逐一解决。在嵌入式软件设计中，硬件外设通常分为：485模块、RTC模块、LCD模块、温湿度模块、ADC数据采集模块、GPIO控制模块等模块。模块化设计提高了软件系统的扩展性，模块可以根据需求进行部署和删除，模块化设计遵循单一原则。工程源代码中的模块划分如下：
单独的功能模块采用分层设计，分层设计的核心思想是“分而治之”。分层设计将软件功能层次划分为合理的子系统，软件中密切相关的部分集中在一层。设计的分层框图如下：
分层架构具有以下优势：
1.每一层都抽象出一个特定的功能。
2.可以减少代码的相互依赖性，并且在更改代码时几乎没有层受到影响。
3.层可以复用。
工程源代码中GPIO任务的BSP层代码如下：
每一层都有一个xxxx_interface()函数
件通过这个函数使用下层提供的服务，这种设计原则为接口隔离原则。3层模型的调用关系图如下：每个功能模块采用了3层的分层设计，第1层处理MCU寄存器相关操作，第2层处理驱动控制和逻辑控制，第2层用来处理与其他业务模块的数据交互.分层设计提高了软件系统的移植性，如果项目更换了MCU那么只用修改第1层，如果更换改了外设那么只用修改第2层，如果更改了业务逻辑那么只用修改第3层。
任务之间通信
网关软件中的普通任务相互隔离，所有普通任务只与消息推送任务进行数据交互，消息推送任务将消息推送给相应任务。各个任务之间的信息交互模式如下：
这种设计模式为中间者模式。在中间者模式，对象之间不能直接通信，而是间接地通过中间者进行通信。中间者收到信息后，再将信息转发给相关对象，这样减少了对象之间的相互依赖。中间者模式有以下优点：
1、对象之间是松耦合
2、将多对多的关系通过中间者转换成一对一的关系
3、修改一个对象，不需要考虑其它对象通信适应问题。
消息推送任务采用订阅与发布机制。普通任务状态改变向消息推送任务发布消息，推送任务获取发布任务的发布信息名称，并一层检查其他任务的订阅信息名称，是否包含发布信息名称，然后将信息推送给相关任务。这样减少了任务之间的耦合，提高了软件的扩展性。消息推送任务代码如下：
业务控制
网关软件使用模块化设计，普通任务不参入软件的整体业务控制，每个普通任务只负责完成模块内部的控制逻辑，如RTC任务时负责设置时间和读取时间，GPIO只负责读取IO口和控制IO口。软件设计了一个特殊的逻辑控制任务，这个任务负责记录软件整体状态，并通过发布消息改变其他的任务的状态。这种也是使用的中间者模式。逻辑框图如下：
逻辑控制任务是通过发布特定的消息来实现对子任务的控制，子任务状态改变后也是通过发布消息通知逻辑控制任务。
逻辑控制任务分析
网关软件中逻辑控制任务控制整个程序运行状态，因此逻辑控制任务设计非常关键，逻辑控制任务设计软件设计框架如下：
子任务将信息发布给逻辑控制任务，由于不同的子任务发布的消息格式不同，数据长度不同，因此逻辑控制任务先用指令归一化接口，将不同模块的不同格式的数据转换成逻辑任务中统一的数据格式如：指令类型+指令数据。代码如下：
指令归一化处理后将指令放入队列缓存器中，然后指令过滤器读取队列缓存器中的指令进行处理，这种设计模式为命令模式，这种设计模式可以把一个命令的形成和执行在时间上去耦，命令的生成和执行可以在不用时间完成。
指令过滤器从指令队列中读取指令，并一层一层处理指令得到有效的执行指令，这种设计构架为过滤器构架，代码如下：
经过逻辑处理后产生一些控制指令，并将控制指令放入队列缓存，指令分发处理模块读取控制指令，根据控制指令类型发布消息给相应的任务。
总结
网关的软件框架基本描述完了，希望获取源码的朋友们可以在评论区里留言，我将提供学习源码（删减部分与商业相关代码）。
总结一下关键词：
模块化设计，分层设计，单一原则，接口隔离原则，中间者模式，订阅发布，归一化，命令模式，过滤器架构