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# 2023 EC-basic-framework（C语言版）说明
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当前版本更新日期：2022.11.03
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本说明仅针对电控组2023赛季框架，如有变动以日期靠后的版本为准。**==由于当前仍然处在测试开发阶段，请定期拉取（`git pull`）获取最新更新。==**
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## 基本信息和开发规范
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- **开发方式**：
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本框架使用stm32cubemx生成，基于makefile，使用gcc-arm-none-eabi编译（make命令）。
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> ！deprecated：若需使用keil5开发，请在stm32cubemx的`project manager`标签页下将工具链改为MDK，然后在keil中自行添加所需包含的.c文件和头文件。关于如何在keil下添加dsplib，请参考文档。
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> ***强烈推荐使用VSCode进行开发，Ozone进行调试。***
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VSCode可通过Cortex-Debug利用OpenOCD进行调试，jlink/stlink/dap-link都支持，具体的使用方法和环境配置教程在[VSCode+Ozone使用方法](./VSCode+Ozone使用方法.md)中。**请使用UTF-8编码查看\&编辑此项目**。
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推荐使用 **SEGGER ozone** 进行调试。
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- **分层**：
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本框架主要代码分为**BSP、Module、APP**三层。三层的代码分别存放在同名的三个文件夹中，这三个文件夹存放在根目录下。开发过程中主要编写APP层代码，Module层与BSP层不建议修改。如需添加module（如oled屏幕、其他传感器和外设等），请按照规范编写并联系组长提交commit到dev分支，完善后合并至主分支。在配置git的时候，将自己的`user.name`配置成英文缩写或易懂的nick name。
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BSP层构建与HAL之上。HAL库和实时系统、DSP支持等文件都在`HAL_N_Middlewares`文件夹下（包括Cube生成的外设初始化的Inc和Src文件夹）。
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**main.c的位置在**`HAL_N_Middlewares/Src/main.c`
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- **代码格式**：
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在vscode-设置-扩展-C/C++-C_Cpp:style下修改。默认为`Visual Studio`。编写完新的代码后，使用右键-格式化文档(注：请勿对cube生成的文件使用此操作)。此操作不会改变文档的内容，但会改变缩进、空行、符号位置等，使代码更加统一、整洁。
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请保持良好的注释编写习惯，建议安装doxygen插件。务必统一在.h文件中为外部接口编写注释，并给类型定义编写必要的注释。对于私有函数（.c文件中static修饰），请在.c文件中进行注释。对于复杂的代码段，也请添加注释。
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每个功能模块编写完之后，及时添加说明文档。内容参照已有的文档，要进行简短的**总体说明、代码结构、外部接口和类型定义、私有函数和变量，以及使用的说明和范例**。如果有特别需要注意的地方，也请说明。
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==**在编写代码的时候，注意添加安全检查，“treat your users as idiots！”**==
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- **面向对象设计**：
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C语言不存在“成员函数”的概念。为实现类似效果，所有按照这一思想构建的函数都会有一个传入参数，将结构体（对象）传入。
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- **代码风格：**
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函数统一使用**动宾短语**，建议不超过4个单词。每个单词首字母大写：
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```c
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void SetMotorControl()
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```
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变量命名使用下划线命名法，统一小写。尽量不要使用缩写，并注意让变量名本身能够表达其含义：
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```c
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uint8_t gimbal_recv_cmd;
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```
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后续可能将指针类型的变量名都加上`ptr_`或`p`前缀。私有变量加上下划线`_`前缀。
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在利用`typedef`定义新的类型时，使用单词首字母大写+下划线隔开+定义后缀的方式：
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```c
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typedef struct
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{
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float Accel[3];
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float Gyro[3];
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} IMU_Data_t;
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typedef struct
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{
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can_instance_config_s can_config;
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uint8_t send_data_len;
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uint8_t recv_data_len;
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} CANComm_Init_Config_s;
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typedef struct
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{
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float *other_angle_feedback_ptr;
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float *other_speed_feedback_ptr;
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PID_t current_PID;
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PID_t speed_PID;
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PID_t angle_PID;
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float pid_ref; // 将会作为每个环的输入和输出顺次通过串级闭环
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} Motor_Controller_s;
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```
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数据类型单一、结构不复杂的类型以`_t`后缀结尾（表明这是一种数据，type）；复杂的结构体类型使用`_s`结尾，表明其功能和内涵多（structure）。对于某个bsp、module，其类型结构体应该称为`xxxInstance`:
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```c
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typedef struct _
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{
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CAN_HandleTypeDef *can_handle; // can句柄
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CAN_TxHeaderTypeDef txconf; // CAN报文发送配置
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uint32_t tx_id; // 发送id
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uint32_t tx_mailbox; // CAN消息填入的邮箱号
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uint8_t tx_buff[8]; // 发送缓存,最大为8
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uint8_t rx_buff[8]; // 接收缓存
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uint32_t rx_id; // 接收id
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uint8_t rx_len; // 接收长度,可能为0-8
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// 接收的回调函数,用于解析接收到的数据
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void (*can_module_callback)(struct _ *); // callback needs an instance to tell among registered ones
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} CANInstance;
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#pragma pack()
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```
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## BSP层(Board Sopport Package)
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- TODO：
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1. 增加SPI和I^2^C的BSP模组以便支持IST384磁力计和Oled显示屏等。
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1. 增加和module层的deteck_task配合的蜂鸣器和led闪烁配置。
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- 主要功能：实现映射功能。
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- 在本框架中，BSP层与cube高度耦合，对该层的修改可能需要使用cube重新生成工程（主要是外设的配置，通信速度，时钟频率和分频数等）。该层也是唯一允许直接出现stm32HAL库函数的代码层，**在非BSP层编写代码时，如需使用HAL_...函数，请思考是否有同功能的BSP_...函数**。不过，由于ST的HAL已经对硬件进行较高的抽象（如以handle_xxx的方式描述一个硬件外设或功能引脚），因此更换开发板需要修改的内容极少。
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- 最简单的(如gpio)仅是对HAL库函数的封装。较为复杂的则会进行一定程度的处理(如can)
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- 补充与修改：某款主控对应的BSP层应保持相同，当认为该层可能缺少部分功能或有错误时，请联系组长确认后解决并更新整个框架，**请勿自行修改**。
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- 代码移植：BSP层也是在不同系列、型号的stm32间执行代码移植时主要需要关注的代码层。向功能更强系列移植一般只需要重配cube并重新组织BSP层的映射关系，而向功能较少的系列移植还需要去掉其不支持的功能。修改BSP后一般不需要对其他两层进行修改。
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- 子文件与文件夹：
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- bsp.c/h：该层核心文件，其中.h被include至main.c中，以实现整个代码层的初始化。include了该层所有模块的.h并调用各模块的初始化函数。**注意**，有些外设如串口和CAN不需要在bsp.c中进行模块层的初始化，他们会在module层生成实例（即C语言中的结构体）并注册到bsp层时自动进行初始化。以此达到提高运行速度避免未使用的模块被加载的问题。
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- bsp_xxx.c/h：每一个成对的.c/h对应一种外设，当上面两个代码层需要使用某个外设时，这里的文件就是对应的交互接口。
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- 注册回调函数与接收：通信类外设模块有的定义了回调函数类型(函数指针类型)，若调用bsp...h中的回调函数注册函数将其他位置(HAL层)定义的符合形式的函数注册为回调函数，该函数在接收到数据后或其他设定位置会被调用。在module对模块进行初始化的时候需要将对应的协议解析函数进行设置，代码中注释有对应提示。
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## Module层
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- TODO：
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1. 增加模块离线/错误检测模块（官方例程中的`deteck_task`）。
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2. 增加超级电容模块
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3. 增加步进电机模块
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4. 增加裁判系统多机通信、UI绘制模块
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5. 增加舵机模块
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6. 增加单点激光模块
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- 主要功能：实现对设备的封装，如将IMU、PC、电机等视为一个完整的功能模块，让应用层不需要关心其底层的具体实现，直接使用接口。
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- 子文件与子文件夹
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- **注意，module层没有也不需要进行同意初始化**。app层的应用会包含一些模块，因此由app来调用各个模块的init或register函数，只有当一个module被app实例化，这个模块才会存在。
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> 命名为init()的初始化一般来说是开发板的独占资源，即有且只有一个这样的模块，无法拥有多个实例，如板载陀螺仪、LED、按键等。命名为register()的模块则可以拥有多个，比如电机。
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- monitor文件夹:实现看门狗功能。提供回调函数和count可选（TODO）
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- algorithm:该层软件库存放位置，这些功能与硬件无关，而是提供通用的数据结构和“算子”以供该层的其他部分调用，主要是算法、控制器、底盘和位姿解算等。
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- module要点：
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- 初始化：
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根据代码对应的函数说明，传入对应的配置文件。对于某些需要集中设置的参数，一般于模块的头文件中会额外设定一个xxx_config_s的结构体用于初始化的参数传递。如果不需要进行这样的集中设置，则是直接传入对应的参数或module结构体中本就存在的成员变量。
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- 结构体：
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也就是所说的“实例”，定义一个module结构体，对于app层来说就是拥有某一个功能模块的实例，比如一个特定的电机。在对电机进行操作的时候，传入该结构体指针。
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- 函数：
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.c中存放的static函数和static变量相当于这个类的private函数，.h中的则相当于public。相似的driver的public函数应较为统一。由于通信格式，使用方法等的不同，不同通信设备在读取操作、数据格式上可能有所不同，这些不同应该在driver的内部处理。**由于C语言没有对象的概念，对于通信类的module，不同的实例需要在module.c中保存一份指针，用于处理数据接收的解析。**
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- 封装程度：
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应尽可能使到上层使用时不考虑下层所需的操作。如在使用电机时，这个电机的数据该和哪些电机的数据在一个数据包中发送，can的过滤器设置，均属于应该自动处理的功能；
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接收类的driver应该封装到只有初始化（用于初始化的`register`和发送控制命令`set_control`两个函数和一个实时更新的用于给app层提供该信息的数据结构体）。
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Module层主要存放的是类型定义和实例指针数组，在该层没有进行实例化（定义或通过malloc分配空间），若在APP层没有实例化，则该模块的存在与否基本不会影响编译后的可执行文件，只会占用初始化和代码区所需的少量内存。module只会保存每个实例对象的指针，在没有初始化的时候仅仅占用一个指针数组的空间。因此，基于本框架的其他工程没有必要删除APP层未使用的module文件。
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> **待优化：**
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> 由于C语言没有对象的概念，对于需要使用通信的module，在其.c文件下都需要保存每个实例的指针，在收到消息时遍历所有实例指针，找到收到消息的实例。这种处理方式可能会导致实时性下降，CAN接收时要遍历所有注册了CAN的实例，进入module层还需要一次遍历。用C++则可以将对象的this指针和模块的回调函数进行绑定，生成一个可调用对象然后再进行CAN的注册，使得其不需要module层的遍历。
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> 后续考虑在CAN instance中加入一个额外的`void*`域成员（成员变量），其内容为module层实例的地址。这样CAN收到消息时只需要遍历所有CAN instance，对于相同的模块，可以在其回调函数内部获取CAN instance的`void*`指针并通过强制类型转换cast成模块的实例结构体指针类型，从而访问特定的模块。
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## APP层(application)
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- TODO：
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1. 完成麦克纳姆轮/全向轮底盘的功能
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2. 完成发射应用
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3. 完成云台控制应用
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4. 增加机器人整车控制应用
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- 主要功能：实现机器人的控制
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在完成BSP层和Module层后，如果在APP层没有控制代码，则代码并无实际功能。换言之，BSP层与Module层的存在是为了APP层更简单、更合理、更易于扩展和移植。本框架的初始目标即是实现：在APP层仅需思考逻辑并用无关硬件的C语言代码实现即可完成整个机器人的控制。所有需要使用的模块和算法都在Module层提供，硬件的抽象在bsp层完成。
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- APP层按照机械设计结构（如云台、发射、底盘）建立对应的子文件夹，在其中完成初始化和相关逻辑功能的编写。还有用于发布指令的云台指令应用和底盘指令应用，前者应该包含一个遥控器模块和一个视觉通信模块，后者包含裁判系统模块。它们包含的模块都会处理一些指令和控制信息，因此将这两个应用从云台和底盘应用中隔离出来。这样还可以方便兼容双板。
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- 单双板切换在application的`robot_def.h`中进行，**修改宏定义可以切换开发板的设定模式**。当设定为单板的时候，在`robot.c`中会对gimbal，chassis，shoot，gimbal_cmd，chassis_cmd五个应用都进行初始化。对于双板的情况，需要将上板配置为gimbal board，下板配置为chassis board，它们会分别初始化gimbal/shoot/gimbal_cmd和chassis/chassis_cmd。
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- 对于单板的情况，所有应用之间的信息交互通过message center完成。而使用双板时，需要通过板间通信传递控制信息（默认遥控器接收机和pc在云台板，裁判系统在底盘板，因此需要互发信息）。当前通过**条件编译**来控制信息的去向（发往message center/接收，还是通过can comm发送/接收），后续考虑将双板通信纳入message center的实现中，根据`robot_def.h`的开发板定义自动处理通信，降低应用层级的逻辑复杂度。
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## 文件树
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板级支持包的每个组件,每个moduel,每个app都有对应的说明文档.
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```shell
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ROOT:.
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│ .gitignore # git版本管理忽略文件
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│ .mxproject # CubeMX项目文件
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│ basic_framework.ioc # CubeMX初始化配置文件
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│ Makefile # 编译管理文件,为make(mingw32-make)命令的目标
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│ openocd_dap.cfg # 用于OpenOCD调试使用的配置文件
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│ openocd_jlink.cfg # 同上
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│ README.md # 本说明文档
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│ startup_stm32f407xx.s # F407汇编启动文件
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│ STM32F407.svd # F407外设地址映射文件,用于调试
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│ STM32F407IGHx_FLASH.ld # F407IGH(C板使用的MCU)的文件目标FLASH地址,用于烧录和调试
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│ VSCode+Ozone使用方法.md # 开发环境配置和前置知识介绍
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├─.vscode
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│ launch.json # 用于VSCode插件CORTEX-DEBUG调试的配置文件
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│ settings.json# 工作区配置文件,设置了代码缩进和format风格等
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│ tasks.json # 启动编译的任务配置文件
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├─assets # markdown存放图片和外链文件夹
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├─application
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│ │ application.md
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│ │ APP层应用编写指引.md
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│ │ robot.c
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│ │ robot.h
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│ │ robot_def.h
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│ │
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│ ├─chassis
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│ │ chassis.c
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│ │ chassis.h
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│ │ chassis.md
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│ │
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│ ├─cmd
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│ │ chassis_cmd.c
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│ │ chassis_cmd.h
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│ │ gimbal_cmd.c
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│ │ gimbal_cmd.h
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│ │
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│ ├─gimbal
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│ │ gimbal.c
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│ │ gimbal.h
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│ │ gimbal.md
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│ │
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│ └─shoot
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│ shoot.c
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│ shoot.h
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│ shoot.md
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│
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├─bsp # 板级支持包,提供对硬件的封装,将接口暴露给module层
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│ bsp.md
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│ bsp_buzzer.c
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│ bsp_buzzer.h
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│ bsp_can.c
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│ bsp_can.h
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│ bsp_can.md
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│ bsp_dwt.c
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│ bsp_dwt.h
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│ bsp_init.c # bsp初始化
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│ bsp_init.h
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│ bsp_led.c
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│ bsp_led.h
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│ bsp_log.c
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│ bsp_log.h
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│ bsp_log.md
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│ bsp_temperature.c
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│ bsp_temperature.h
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│ bsp_usart.c
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│ bsp_usart.h
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│ bsp_usart.md
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├─HAL_N_Middlewares # HAL库对寄存器操作的封装,以及FreeRTOS/Segger RTT等中间件
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└─modules # 模块层,使用BSP提供的接口构建对应的功能模块,将模块实例提供给应用层
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| module.md
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├─algorithm # 算法
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│ algorithm.md
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│ controller.c # 控制器
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│ controller.h
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│ crc16.c # 循环冗余校验
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│ crc16.h
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│ crc8.c
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│ crc8.h
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│ kalman_filter.c # KF
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│ kalman_filter.h
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│ LQR.c # LQR控制器
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│ LQR.h
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│ QuaternionEKF.c # 四元数EKF融合
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│ QuaternionEKF.h
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│ user_lib.c # 多个模块都会使用到的函数
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│ user_lib.h
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├─can_comm # 双板CAN通信组件
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│ can_comm.c
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│ can_comm.h
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│ can_comm.md
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├─imu # 考虑到使用SPI的设备较少,这里没有对SPI提供bsp支持,直接于此实现
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│ BMI088driver.c
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│ BMI088driver.h
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│ BMI088Middleware.c
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│ BMI088Middleware.h
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│ BMI088reg.h
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│ ins_task.c # 姿态解算任务,在RTOS中以1kHz运行
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│ ins_task.h
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│
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├─led_light
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│ led_task.c # 用于指示错误和主控是否正常运行,流水灯任务
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│ led_task.h
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│
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├─master_machine # 和上位机(视觉PC)通信的模块
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│ master_process.c
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│ master_process.h
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│ master_process.md
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│ seasky_protocol.c
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│ seasky_protocol.h
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│ 湖南大学RoboMaster电控组通信协议.md
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│
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├─message_center # 发布-订阅机制,app层应用之间交换数据用
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│ message_center.c
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│ message_center.h
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│ message_center.md
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├─motor # 电机模块
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│ dji_motor.c # DJI智能电机
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│ dji_motor.h
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│ HT04.c # 海泰-04关节电机
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│ HT04.h
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│ LK9025.c # 瓴控9025驱动轮电机
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│ LK9025.h
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│ motor_def.h # 电机通用定义
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│ motor_task.c # 电机控制任务,1kHz运行在RTOS上
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│ motor_task.h
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│
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├─referee # 裁判系统模块
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│ referee.c # 接收裁判系统信息
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│ referee.h
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│ referee_UI.c # UI绘制(发送)
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│ referee_communication.c # 多机通信
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├─remote # 遥控器模块
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│ remote_control.c
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||
│ remote_control.h
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│
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└─super_cap # 超级电容
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super_cap.c
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||
super_cap.h
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||
super_cap.md
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```
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## BSP/Module/Application介绍
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在对应应用、模块和板级支持包文件夹下。每个.c文件或完整的功能模块都有说明文档。在编写新代码时注意按照规范编写说明文档。
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## 整体架构
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### 软件分层
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### 运行任务
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### 初始化流程
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~~~mermaid
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graph TD
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HAL库初始化 --> BSP初始化 --> Application初始化 --> app调用其拥有模块的初始化 --> 启动操作系统
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~~~
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**注意，应用初始化不得放入其对应任务中，即使是在死循环前，否则可能导致一些需要定时器的任务初始化异常**。
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APP会调用其所有的模块的初始化函数（注册函数），这是因为本框架的设计思想是任何模块在被注册（构造/初始化）之前，都是不存在的，当且仅当定义了一个模块结构体（也称实例）的时候，才有一个实体的概念。
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main函数唯一需要的函数是app层的`robot.c`中的`RobotInit()`函数，它首先会调用BSP初始化，然后进行所有应用的初始化；每个应用会调用对应模块的初始化；一些依赖通信外设的模块会将通信支持相关的bsp进行初始化。初始化结束之后实时系统启动。
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> **代码参考了哈工深南宫小樱战队的框架设计，在此鸣谢。** |