12 框架整合：应用、驱动与平台的分层

C 语言面向对象系列

总纲：C 语言面向对象设计概览

封装：结构体与多实例接口

信息隐藏：公共接口与内部实现

模块组织：命名约定与对象生命周期

数据组织：实例状态、模块状态与常量

HAL 实例：STM32 外设接口中的封装设计

结构体嵌套：公共数据与行为的复用

函数指针：可替换行为与回调

操作表：使用 ops 组织对象接口

多态：统一接口、行为分发与类型转换

接口约定：必选操作、可选操作与默认实现

框架整合：应用、驱动与平台的分层（当前篇）

工程扩展：自动注册与 Linux 内核中的对象组织

前面分别介绍了封装、结构体嵌套、函数指针和操作表。本节将它们放进一个 LED 框架，让应用通过统一接口使用设备，由具体驱动处理硬件差异。

下面给出各层的主要代码片段，部分初始化、释放函数和错误处理没有展开。

从应用中的直接硬件调用开始

如果应用直接操作 GPIO：

void app_run(void)
{
    gpio_write(5, true);
    delay_ms(100);
    gpio_write(5, false);
}

LED 改用 PWM 或 I2C 灯带后，应用中的硬件调用就需要跟着修改。可以把点亮、关闭等操作与具体硬件实现分开，让应用只表达需要执行的动作。

确定各部分的职责

运行时的设备调用主要经过四层：

层次	职责
应用层	根据业务需要调用 LED 操作
抽象接口层	提供 `led_on/off/set_brightness` 等统一接口
具体驱动层	分别实现 GPIO、PWM、I2C 等设备操作
平台层（Platform）	对接芯片或系统提供的底层功能

板级代码（Board）负责创建当前板子上的设备、完成初始化，并将设备提供给应用。它与运行时的调用分层配合，集中说明当前工程使用哪些具体实现。

抽象接口只保留公共数据和操作

基础类型保存各类 LED 共用的状态，操作表声明需要支持的接口：

typedef struct LedBase LedBase_t;

typedef struct {
    int (*on)(LedBase_t *me);
    int (*off)(LedBase_t *me);
    int (*set_brightness)(LedBase_t *me, uint8_t brightness);
    int (*deinit)(LedBase_t *me);
} LedOps_t;

struct LedBase {
    const LedOps_t *ops;
    uint8_t brightness;
    bool is_on;
    bool initialized;
};

int led_on(LedBase_t *me);
int led_off(LedBase_t *me);
int led_set_brightness(LedBase_t *me, uint8_t brightness);
int led_deinit(LedBase_t *me);

与前面的简化示例相比，这里的 LedBase_t 不再保存 pin。引脚和 PWM 通道分别放到具体类型中，应用只接触公共接口和 LedBase_t *。

GPIO 驱动负责引脚操作

GPIO LED 在基础成员之外保存引脚号，通过平台接口输出电平：

typedef struct {
    LedBase_t base;
    uint8_t pin;
} GpioLed_t;

static int gpio_led_on(LedBase_t *base)
{
    GpioLed_t *me = container_of(base, GpioLed_t, base);

    me->base.is_on = true;
    platform_gpio_write(me->pin, true);

    return 0;
}

static int gpio_led_off(LedBase_t *base)
{
    GpioLed_t *me = container_of(base, GpioLed_t, base);

    me->base.is_on = false;
    platform_gpio_write(me->pin, false);

    return 0;
}

static const LedOps_t gpio_led_ops = {
    .on = gpio_led_on,
    .off = gpio_led_off,
    .set_brightness = NULL,
    .deinit = NULL,
};

int gpio_led_init(GpioLed_t *me, uint8_t pin)
{
    if (me == NULL) {
        return -1;
    }

    me->base.ops = &gpio_led_ops;
    me->base.brightness = 100;
    me->base.is_on = false;
    me->base.initialized = true;
    me->pin = pin;

    platform_gpio_init(pin);
    platform_gpio_write(pin, false);

    return 0;
}

初始化时绑定 gpio_led_ops，记录引脚和初始状态，并配置 GPIO。点亮或关闭时，具体函数通过 container_of 取得 GpioLed_t，再访问引脚成员。

这里没有提供 set_brightness 和 deinit。统一入口需要按第 11 篇的约定处理这些空指针；如果工程要求释放 GPIO 资源，还需要提供相应的释放实现。

PWM 驱动负责通道和占空比

PWM LED 使用同一基础类型，具体成员保存 PWM 通道：

typedef struct {
    LedBase_t base;
    uint8_t channel;
} PwmLed_t;

static int pwm_led_on(LedBase_t *base)
{
    PwmLed_t *me = container_of(base, PwmLed_t, base);

    me->base.is_on = true;
    platform_pwm_set_duty(me->channel, me->base.brightness);

    return 0;
}

static int pwm_led_set_brightness(LedBase_t *base, uint8_t brightness)
{
    PwmLed_t *me = container_of(base, PwmLed_t, base);

    me->base.brightness = brightness;

    if (me->base.is_on) {
        platform_pwm_set_duty(me->channel, brightness);
    }

    return 0;
}

点亮时，驱动将保存的亮度写入 PWM 占空比。设置亮度时，先更新对象数据；只有 is_on 为真时，才立即更新输出。

这里展示了点亮和亮度设置，完整驱动还需要配套的初始化、关闭操作及操作表。应用无需直接访问通道号。

Board 代码集中创建和初始化设备

板级代码保存当前板子上的状态灯和背光灯：

typedef struct {
    GpioLed_t status_led;
    PwmLed_t backlight_led;
} Board_t;

static Board_t g_board;

int board_init(void)
{
    platform_init();

    gpio_led_init(&g_board.status_led, 5);
    pwm_led_init(&g_board.backlight_led, 1);

    return 0;
}

LedBase_t *board_get_status_led(void)
{
    return &g_board.status_led.base;
}

LedBase_t *board_get_backlight_led(void)
{
    return &g_board.backlight_led.base;
}

board_init() 先初始化平台，再初始化具体设备。应用通过 board_get_xxx() 取得基础指针，状态灯或背光灯具体使用哪种硬件由这里决定。

板级代码同时承担设备配置和接口提供的职责。示例省略了初始化返回值的处理，实际使用时需要将失败结果传给调用方。

应用通过设备用途取得接口

应用按“状态灯”“背光灯”取得对象，再执行所需操作：

void app_run(void)
{
    LedBase_t *status = board_get_status_led();
    LedBase_t *backlight = board_get_backlight_led();

    led_on(status);
    led_set_brightness(backlight, 80);

    delay_ms(100);

    led_off(status);
    led_set_brightness(backlight, 20);
}

其中，状态灯执行开启和关闭，背光灯更新亮度值。按照前面的 PWM 实现，背光灯只有已经开启时才会立即改变输出；如果尚未开启，需要先调用 led_on(backlight)。

应用不再直接写入 GPIO 或 PWM 参数。当替换后的设备能满足相同接口和行为要求时，可以保持这段应用逻辑，调整具体驱动和板级配置。

Platform 接口对接具体芯片

驱动需要的底层操作由平台接口提供：

int platform_gpio_init(uint8_t pin);
int platform_gpio_write(uint8_t pin, bool value);
int platform_pwm_init(uint8_t channel);
int platform_pwm_set_duty(uint8_t channel, uint8_t duty);
void platform_delay_ms(uint32_t ms);