回调函数的注册机制为什么会在嵌入式固件开发中应用如此广泛？

杨源鑫

发布于 2022-03-24 09:04:23

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发布于 2022-03-24 09:04:23

在我们平时开发STM32或者其它单片机时，我们经常都会用到原厂提供的固件库函数，固件库函数中有非常多回调函数。那么什么是回调函数呢？回调函数是作为参数传递给另一个函数的函数。接受回调作为参数的函数预计会在某个时间点执行它。回调机制允许下层软件层调用上层软件层定义的函数。

上图表示用户应用程序代码和硬件驱动程序之间的交互。硬件驱动程序是一个独立的可重用驱动程序，它不了解上面的层(在本例中为用户应用程序)。硬件驱动程序提供 API 函数，允许用户应用程序将函数注册为回调。然后，此回调函数由硬件驱动程序作为执行的一部分进行调用。如果不使用回调，就会被编码为直接调用。这将使硬件驱动程序特定于特定的高级软件级别，并降低其可重用性。回调机制的另一个好处是，在程序执行期间可以动态更改被调用的回调函数。

1、C语言中的回调

不同的编程语言有不同的实现回调的方式。在本文中，我们将重点介绍C编程语言，因为它是用于嵌入式软件开发的最流行的语言。C语言中的回调是使用函数指针实现的。函数指针就像普通指针一样，但它不是指向变量的地址，而是指向函数的地址。在程序运行期间，可以设置相同的函数指针指向不同的函数。在下面的代码中，我们可以看到如何使用函数指针将函数作为参数传递给函数。该函数将函数指针和两个整数值作为参数和。将执行的算术运算取决于将传递给函数指针参数的函数。

uint16_t cal_sum(uint8_t a, uint8_t b) {
    return a + b;
}
uint16_t cal_mul(uint8_t a, uint8_t b) {
    return a * b;
}
uint16_t cal_op (uint16_t (*callback_func)(uint8_t, uint8_t),uint8_t a, uint8_t b) {   
    return callback_func(a,b);
}

void main() {
    cal_op(cal_mul,4,10); 
    cal_op(cal_sum,9,5); 
}

2、回调的实际使用

回调可用于多种情况，并广泛用于嵌入式固件开发。它们提供了更大的代码灵活性，并允许我们开发可由最终用户进行微调而无需更改代码的驱动程序。

在我们的代码中具有回调功能所需的元素是：

将被调用的函数(回调函数)
将用于访问回调函数的函数指针
将调用回调函数的函数("调用函数")

接下来介绍使用回调函数的简单流程。首先声明一个函数指针，用于访问回调函数我们可以简单地将函数指针声明为：

uint8_t (*p_CallbackFunc)(void);

但是对于更清晰的代码，最好定义一个函数指针类型：

typedef uint8_t (*CallbackFunc_t) (void);

定义回调函数——重要的是要注意回调函数只是一个函数。由于它的使用方式(通过函数指针访问)，我们将其称为回调。所以这一步只是我们之前声明的指针将指向的函数的定义。

uint8_t Handler_Event(void) {
/* code of the function */
}

注册回调函数——这是为函数指针分配地址的操作。在我们的例子中，地址应该是回调函数的地址。可以有一个专门的函数来注册回调函数，如下所示：

static CallbackFunc_t HandlerCompleted;

/*用来注册回调函数的功能函数*/
void CallbackRegister (CallbackFunc_t callback_func) {
     HandlerCompleted = callback_func;
}

/* 注册Handler_Event作为回调*/
CallbackRegister(Handler_Event);

3、代码应用案例

3.1、事件回调

在这个例子中，我们展示了如何使用回调来处理事件。下面的示例代码是基于较低级别物理通信接口(例如 UART、SPI、I2C 等)构建的数据通信协议栈。通信协议栈实现了两种不同类型的帧——标准通信帧和增强型通信帧。有两种不同的函数用于处理接收到的字节事件。在初始化函数中，函数指针被分配了应该使用的函数的地址用于处理事件。这是注册回调函数的操作。

/*指向回调函数的函数指针*/
uint8_t ( *Receive_Byte) ( void );

/*
 * 简化的初始化函数
 * 这里函数指针被分配了一个函数的地址(注册回调函数)
 */
void Comm_Init( uint8_t op_mode) {
        switch ( op_mode ) {
        case STD_FRAME:           
            Receive_Byte     = StdRxFSM;
            break;
        case ENHANCED_FRAME:  
            Receive_Byte     = EnhancedRxFSM;
            break;
        default:
            Receive_Byte     = EnhancedRxFSM;
        }
}

/* 这些是在通信栈中实现的函数(回调)
* 它们不会在任何地方直接调用，而是使用函数指针来访问它们 */
uint8_t  StdRxFSM(void) {
    //在这里完成处理工作
}
uint8_t  EnhancedRxFSM(void) {
    //在这里完成处理工作
}

当从物理通信接口(例如 UART)接收到新字节(事件)时，用户应用程序代码会调用我们示例中的回调函数。

extern uint8_t (*Receive_Byte)( void );
void receive_new_byte() 
{
   Receive_Byte(); 
}

3.2、寄存器中的多个回调

这个例子展示了我们如何创建一个寄存器来存储回调函数。它是使用数据类型元素的数组实现的。数据类型是具有成员和成员的结构。用于为寄存器中的每个回调函数分配一个标识(唯一编号)。函数指针被分配与唯一关联的回调函数的地址。以下实现的是添加和删除回调的功能：

#define FUNC_REGISTER_SIZE 255
#define FUNC_ID_MAX 127
//函数指针类型
typedef  uint8_t (*callback_func) ( uint8_t * p_data, uint16_t len );
typedef struct 
{
    uint8_t           function_id;
    callback_func p_callback_func;
} function_register_t;

//一组函数处理程序，每个处理程序都有一个id
static function_register_t func_register[FUNC_REGISTER_SIZE];

//注册函数回调
uint8_t RegisterCallback (uint8_t function_id, callback_func p_callback_func ) {
    uint8_t    status;
    if ((0 < function_id) && (function_id <= FUNC_ID_MAX)) 
    {
        //向寄存器添加函数
        if ( p_callback_func != NULL ) { 
            for (int i = 0; i < FUNC_REGISTER_SIZE; i++ ) {
                if (( func_register[i].p_callback_func == NULL ) ||
                    ( func_register[i].p_callback_func == p_callback_func )) {
                    func_register[i].function_id = function_id;
                    func_register[i].p_callback_func = p_callback_func;
                    break;
                }
            }
     if (i != FUNC_REGISTER_SIZE) {
        status = SUCESSFULL;
     }
     else {
        status = FAILURE;
     }
        }
        else { 
            //从寄存器中删除
            for ( i = 0; i < FUNC_REGISTER_SIZE; i++ ) {
                if ( func_register[i].function_id == function_id ) {
                    func_register[i].function_id = 0;
                    func_register[i].p_callback_func = NULL;
                    break;
                }
            }
            status = SUCESSFULL;
        }
    }
    else {
        status = FAILURE; /* Invalid argument */
    }
    return status;
}

在下面的代码中，我们可以看到一个函数示例，该函数可用于根据函数 id 调用回调。

//具有特定函数代码的回调函数如何被调用的示例
uint8_t execute_callback(uint8_t FuncCode, uint8_t * p_data_buf, uint16_t len) 
{  
    uint8_t status;
    status = FAILURE;
    for( i = 0; i < FUNC_REGISTER_SIZE; i++ ){
        /* No more callbacks registered, exit. */
        if( func_register[i].function_id == 0 ){
            break;
        }
        else if( func_register[i].function_id == FuncCode) {
            status = func_register[i].p_callback_func( p_data_buf, len );
            break;
        }
     }
     return status;
}