如何模块化编程

科技绿洲 2023-06-22 1294

描述

引言

当项目小组做一个相对较复杂的工程时，意味着你不再独自单干。而是和小组成员分工合作，这就要求小组成员各自负责一部分工程。比如你可能只是负责通讯或者显示这一块。

这个时候，你就应该将自己的这一块程序写成一个模块，单独调试，留出接口供其它模块调用。

最后，小组成员都将自己负责的模块写完并调试无误后，由项目组长进行组合调试。

像这些场合就要求程序必须模块化。模块化的好处是很多的，不仅仅是便于分工，它还有助于程序的调试，有利于程序结构的划分，还能增加程序的可读性和可移植性。

要说的话

初学者往往搞不懂如何模块化编程,其实它是简单易学,而且又是组织良好程序结构行之有效的方法之一。

本文将先大概讲一下模块化的方法和注意事项，最后将以初学者使用最广的keil c编译器为例，给出模块化编程的详细步骤。

模块化程序设计应该理解以下概述:

模块即是一个.c 文件和一个.h 文件的结合，头文件(.h)中是对于该模块接口的声明；

这一条概括了模块化的实现方法和实质：将一个功能模块的代码单独编写成一个.c文件,然后把该模块的接口函数放在.h文件中.举例:假如你用到液晶显示，那么你可能会写一个液晶驱动模块，以实现字符、汉字和图像的现实，命名为: led_device.c，该模块的.c文件大体可以写成:

#include …
…
//定义变量
 unsigned char value；//全局变量
…
//定义函数
//这是本模块第一个函数,起到延时作用,只供本模块的函数调用,所以用到static关键字修饰
/********************延时子程序************************/
static void delay (uint us) //delay time
{}
//这是本模块的第二个函数,要在其他模块中调用
/*********************写字符程序**************************
** 功能：向LCD写入字符
** 参数：dat_comm 为1写入的是数据，为0写入的是指令
content 为写入的数字或指令
******************************************************/
void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)
{}
……
……
/***************************** END Files***********************************/

注：此处只写出这两个函数,第一个延时函数的作用范围是模块内,第二个，它是其它模块需要的。为了简化,此处并没有写出函数体.

.h文件中给出模块的接口.在上面的例子中, 向LCD写入字符函数：wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)就是一个接口函数,因为其它模块会调用它,那么.h文件中就必须将这个函数声明为外部函数（使用extrun关键字修饰），另一个延时函数：void delay (uint us)只是在本模块中使用（本地函数，用static关键字修饰），因此它是不需要放到.h文件中的。

.h文件格式如下：

//声明全局变量
extern unsigned char value；
//声明接口函数
extern void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content); //向LCD写入字符
……
/***************************** END Files***********************************/

这里注意三点:

在keil 编译器中，extern这个关键字即使不声明,编译器也不会报错,且程序运行良好,但不保证使用其它编译器也如此。强烈建议加上，养成良好的编程规范。
.c文件中的函数只有其它模块使用时才会出现在.h文件中,像本地延时函数static void delay (uint us)即使出现在.h文件中也是在做无用功,因为其它模块根本不去调用它,实际上也调用不了它(static关键字的限制作用)。
注意本句最后一定要加分号”;”,相信有不少同学遇到过这个奇怪的编译器报错: error C132: 'xxxx': not in formal parameter list，这个错误其实是.h的函数声明的最后少了分号的缘故。

模块的应用：假如需要在LCD菜单模块lcd_menu.c中使用液晶驱动模块lcd_device.c中的函数void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content),只需在LCD菜单模块的lcd_menu.c文件中加入液晶驱动模块的头文件lcd_device.h即可.

#include“lcd_device.h //包含液晶驱动程序头文件，之后就可以在该.c文件中调用//lcd_device.h中的全局函数，使用液晶驱动程序里的全局//变量（如果有的话）。
…
//调用向LCD写入字符函数
wr_lcd (0x01,0x30)；
…
//对全局变量赋值
value=0xff；
…

某模块提供给其它模块调用的外部函数及数据需在.h 中文件中冠以extern 关键字声明；

这句话在上面的例子中已经有体现，即某模块提供给其它模块调用的外部函数和全局变量需在.h 中文件中冠以extern 关键字声明。

下面重点说一下全局变量的使用。使用模块化编程的一个难点（相对于新手）就是全局变量的设定，初学者往往很难想通模块与模块公用的变量是如何实现的，常规的做法就是本句提到的，在.h文件中外部数据冠以extern关键字声明。

比如上例的变量value就是一个全局变量，若是某个模块也使用这个变量，则和使用外部函数一样，只需在使用的模块.c文件中包含#include“lcd_device.h”即可。

另一种处理模块间全局变量的方法来自于嵌入式操作系统uCOS-II，这个操作系统处理全局变量的方法比较特殊，也比较难以理解，但学会之后妙用无穷，这个方法只需用在头文件中定义一次。方法为：

在定义所有全局变量（uCOS-II将所有全局变量定义在一个.h文件内）的.h头文件中：

#ifdef xxx_GLOBALS
#define xxx_EXT
#else
#define xxx_EXT extern
#endif

.H 文件中每个全局变量都加上了xxx_EXT的前缀。xxx 代表模块的名字。

该模块的.C文件中有以下定义：

#define xxx_GLOBALS
#include "includes.h"

当编译器处理.C文件时，它强制xxx_EXT（在相应.H文件中可以找到）为空，（因为xxx_GLOBALS已经定义）。

所以编译器给每个全局变量分配内存空间，而当编译器处理其他.C 文件时，xxx_GLOBAL没有定义，xxx_EXT 被定义为extern，这样用户就可以调用外部全局变量。为了说明这个概念，可以参见uC/OS_II.H,其中包括以下定义：

#ifdef OS_GLOBALS
#define OS_EXT
#else
#define OS_EXT extern
#endif
OS_EXT INT32U OSIdleCtr;
OS_EXT INT32U OSIdleCtrRun;
OS_EXT INT32U OSIdleCtrMax;

同时，uCOS_II.H 中有以下定义：

#define OS_GLOBALS

#include “includes.h”

当编译器处理uCOS_II.C 时，它使得头文件变成如下所示，因为OS_EXT 被设置为空。

INT32U OSIdleCtr;

INT32U OSIdleCtrRun;

INT32U OSIdleCtrMax;

这样编译器就会将这些全局变量分配在内存中。当编译器处理其他.C 文件时，头文件变成了如下的样子，因为OS_GLOBAL没有定义，所以OS_EXT 被定义为extern。

extern INT32U OSIdleCtr;

extern INT32U OSIdleCtrRun;

extern INT32U OSIdleCtrMax;

在这种情况下，不产生内存分配，而任何 .C文件都可以使用这些变量。这样的就只需在 .H文件中定义一次就可以了。

模块内的函数和全局变量需在.c 文件开头冠以static 关键字声明；

这句话主要讲述了关键字static的作用。Static是一个相当重要的关键字，他能对函数和变量做一些约束，而且可以传递一些信息。

比如上例在LCD驱动模块.c文件中定义的延时函数static void delay (uint us)，这个函数冠以static修饰，一方面是限定了函数的作用范围只是在本模块中起作用，另一方面也给人传达这样的信息：该函数不会被其他模块调用。

下面详细说一下这个关键字的作用，在C 语言中，关键字static 有三个明显的作用：

在函数体，一个被声明为静态的变量在这一函数被调用过程中维持其值不变。
在模块内（但在函数体外），一个被声明为静态的变量可以被模块内所用函数访问，但不能被模块外其它函数访问。它是一个本地的全局变量。
在模块内，一个被声明为静态的函数只可被这一模块内的其它函数调用。那就是，这个函数被限制在声明它的模块的本地范围内使用。

前两个都比较容易理解，最后一个作用就是刚刚举例中提到的延时函数（static void delay (uint us)），本地化函数是有相当好的作用的。

永远不要在.h 文件中定义变量！

比较一下代码：

代码一：

/*module1.h*/
int a = 5; /* 在模块1 的.h 文件中定义int a */
/*module1 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块1 中包含模块1 的.h 文件 */
/*module2 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块2 中包含模块1 的.h 文件 */
/*module3 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块3 中包含模块1 的.h 文件 */

以上程序的结果是在模块1、2、3 中都定义了整型变量a，a 在不同的模块中对应不同的地址元，这个世界上从来不需要这样的程序。正确的做法是：

代码二：

/*module1.h*/
extern int a; /* 在模块1 的.h 文件中声明int a */
/*module1 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块1 中包含模块1 的.h 文件 */
int a = 5; /* 在模块1 的.c 文件中定义int a */
/*module2 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块2 中包含模块1 的.h 文件 */
/*module3 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块3 中包含模块1 的.h 文件 */

这样如果模块1、2、3 操作a 的话，对应的是同一片内存单元。

注：

一个嵌入式系统通常包括两类（注意是两类，不是两个）模块：

硬件驱动模块，一种特定硬件对应一个模块；
软件功能模块，其模块的划分应满足低偶合、高内聚的要求。

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