工具开发-ESP32程序管理系统 | 系统设计

好的设计创造好的工具。

最近在玩ESP32开发板，连一些电路用ESP32进行一些简单控制，由此我产生了一个想法，如何用同一块ESP32控制多个电路而不用每次都重新烧录对应的代码？

我想到可以用一个menu菜单来组织各个功能程序，我提前写好每个功能的代码，通过一些方式组织起来，用按键和屏幕进行选择，这样就可以实现不同功能便捷切换了。

比如现在我想用GPIO18控制一个led亮起，我就选中控制led亮起的程序，提前写好或是提供选择让它使用GPIO18。过了一会我拔掉了led把电路换到了舵机上，此时我不必重新烧入舵机的控制程序，我可以直接在菜单上选择舵机程序，同样让它使用GPIO18，这样就完成了一个丝滑的切换。

如果你对程序的设计有些疑问，不妨看看我的思路。本篇我们将创造一个简单的架构，完成基础的设计，下一篇我们将思考具体实现，最后我们将进行优化。

架构设计

每编写一个程序前应该先想想你的程序要实现什么功能，哪些功能可以为一个模块，哪些模块之间相互联系，它们之间的调用链如何，依赖关系如何。

我开始思考这个问题。

纵观全局

首先，我的程序必须有一个菜单界面，供我选择不同的功能进行启动等其它操作。

再想想，我要有一个模块来专门负责组织这些程序，让它们有一个统一的入口而不是一个程序一个写法。要为它们实现一个统一的协议，给它们一个对外的接口，外部调用这个接口并告诉接口它要操作的对象，然后就能方便的操作。

然后呢，我们肯定要告诉这个控制模块我们有什么程序，这样它才能以此来组织程序，外部才能正常的调用它们。

现在，我们已经有了一个基础的流程，大概是这样的:

1.告诉管理器有什么程序
2.通过菜单选择要执行的程序
3.调用接口，程序开始执行

接下来我们就要开始细化了。

管理器与协议设计

首先，管理器要有什么功能才能组织这些程序？

没错，它要有一个添加程序的方法，让我们告诉它这个程序你可以调用。

似乎还是不够，我们要再给它一个可以列举出所有程序的数据结构，在C++中它可以是数组，这样，管理器就可以便捷的知道自己有哪些可调用的程序，并以此为索引进行调用。

好了，到此管理器的核心功能就差不多了。

接下来我们要定一个统一的标准，让各个程序实现一个统一的协议，便于我们调用。

所谓协议，就是所有程序一定要遵循的结构规范。

一个程序模块，可能有如下信息:

1. name名称
2. 一句简短的描述
3. 调用入口函数

有了这些，我们就可以在菜单上显示它的名称，或许还有它的描述，然后确认后就可以调用它的入口函数开始执行这个程序。

定完协议，我们管理器添加程序的函数也能有一个大致的框架了。

这个函数必须接收一个名称，一个入口函数，一个可选的描述。由此向数组中添加一个新的程序对象，存储下来以便后续使用。

菜单详细设计

再来想想菜单。

菜单要选择程序，肯定需要知道当前有哪些程序，这要怎么做呢？别忘了我们前面告诉了管理器我们有什么程序，那菜单需要的时候直接问管理器就可以了。

所以就需要给管理器再实现一个功能，用于告诉菜单有什么程序。

然后，当我们在菜单选择到一个程序时，我们肯定要执行它，如何来做？

管理器作为所有程序的组织者，它一定有一个执行方法，传入一个关联到程序的参数，由管理器调用对应程序的入口函数，这样一个程序就可以被执行了。

至此，我们菜单的设计也基本完成了。

结合语言

当我们有了架构形状，我们就可以开始将它们和编程语言进行结合，来思考我们设计的功能如何转化为编程语言来实现。

对于ESP32开发，我们常用到Arduino框架，语言为C++，所以接下来我们将思考如何把架构翻译为代码。

类型（模块）

我们提到，将有多个程序交给管理器管理，所以每个程序为一个对象或一个函数才能让我们更好的进行组织。为了代码的可扩展性，防止我们写出难以理解的屎山逻辑，我们将选用对象来进行组织。

现在，每个程序都是一个对象。

管理器让程序启动，所以，对于程序对象，我们应该实现一个方法，让它能被调用，从而启动运行。

接着，管理器要对程序进行管理，调度，要实现程序的添加，执行等功能，所以它需要一系列函数来执行对应操作。对于一个有如此多功能，功能之间又有联系的模块，毫无疑问类与对象就是最好的选择。

同样，要正常使用，短期来说，管理器对象应该具有添加，执行，返回程序列表的方法。

接着，我们要考虑菜单，菜单作为一个高级的模块，用于控制各个程序的运行，我们要好好研究研究。

首先，菜单应该能收到按键的输入，这样我们才能正常进行选择以及确认等操作，需要高频检查按键是否被按下。在Arduino框架下，main.cpp里的loop()函数会无限循环执行，所以我们可以将菜单的按键检测功能放在这里，每次循环都检查一次，频率非常之高。

那么作为一个能检测按键，能控制程序运行，能向管理器请求以获取程序信息并供我们选择的模块，对象应该还是最优解。

到这里不难发现，对于执行层的模块，对象是组织它们的一个不错的方式，这也是C++强的一个方面。

类型 （数据）

数据的组织也是重要的一方面。我们要维护一个存储程序信息的结构，让我们能获取它的信息，又能便利地执行它。

前面提到，一个程序有多个属性，这就需要我们用一个合适的数据类型把它们关联起来。

在C++中，结构体(struct)是一个不错的选择。

为每个程序创建一个struct，让我们便利地管理。

struct Program{
    const char* name;
    const char* dsc;
    void (*run)();
};

在上述代码示例中，我们创建了一个结构体类型，用于存储程序的名称，描述，以及入口函数的指针。

那么解决了一个程序的存储，我们有那么多程序，要怎么关联呢？

数组让我们可以存储一类东西。

Program programs[16]；

利用上述代码，我们创建了一个能存储16个程序结构体的数组。

programs[0] = {
    "a program",
    "a program to do sth",
    &example.run
};

再以如此形式，将此数组的第一个结构体初始化为此示例结构，即添加一个新的程序，此过程我们可以称为“注册”。

综合应用

如此就有了一个基础的链条。

我们需要把程序信息交给管理器的注册方法，管理器将把信息以特定格式写入程序数组，完成一次注册。

显示菜单时，菜单向管理器请求程序列表，管理器依照program结构体数组返回一个合适的表单。

当我们在菜单选择一个程序并确认，菜单将调用管理器的执行方法，传入程序的名称（或索引等可以指向该程序的字段），管理器依据传入的参数找到对应程序的索引。

programs[0].run();

管理器内部以索引执行程序的run方法。

程序执行……

结语

本次，我们构造了一个简单的执行框架，并依据C++的一些特性设计了基础的数据类型与执行机制。

现在的代码并不是可用的状态，后续我们将继续优化当前结构，在此基础上构建出一个最小可用版本，并逐步拓展与完善，最终完成一个完整的可用版本。请静候下篇的详细讲解。

当然，过程不会一帆风顺，程序设计中我们会面对各种问题，包括稍不留神的语法错误，甚至是编译器无法检出的内存问题。

但请记住，错误让我们完善代码，完善的代码让我们放心使用程序解决问题。