軟硬件工程師應(yīng)牢記的十個(gè)技巧

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅要求了解硬件，還要求了解軟件的作用方式，以及如何與之交互。設(shè)計(jì)硬件需要的某種范式可能與設(shè)計(jì)軟件完全相反。

當(dāng)從硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向包含軟件的設(shè)計(jì)時(shí)，軟硬件工程師應(yīng)牢記以下十個(gè)技巧。

1、流程圖第一，實(shí)現(xiàn)第二

當(dāng)工程師首次邁入軟件開發(fā)領(lǐng)域時(shí)，會(huì)有種強(qiáng)烈的誘惑力促使他們立刻投入工作并開始寫代碼。

這樣的定式思維就等同于在電路邏輯圖還未完成前就試圖設(shè)計(jì)印刷電路板（PCB）。在著手開發(fā)軟件時(shí)，抑制想寫代碼的沖動(dòng)是至關(guān)重要的，應(yīng)首先用流程圖制定一個(gè)軟件架構(gòu)圖。

這樣的方法會(huì)使開發(fā)人員對(duì)應(yīng)用所需的不同部分與組件形成一個(gè)概念，就像電路邏輯圖可以告訴工程師需要哪些硬件元件一樣。這樣可確保程序整體建立在良好的組織和深思熟慮之上，減少程序調(diào)試時(shí)間，從長(zhǎng)期看，這樣做還可以節(jié)省時(shí)間、省去麻煩。

2、使用狀態(tài)機(jī)控制程序流程

狀態(tài)機(jī)是20世紀(jì)最偉大的軟件發(fā)明之一。某應(yīng)用程序往往可被分為多個(gè)狀態(tài)機(jī)，每個(gè)狀態(tài)機(jī)都控制該應(yīng)用程序的特定部件。這些狀態(tài)機(jī)都擁有自己的內(nèi)部狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從中可看出軟件如何與各種激勵(lì)相互作用。

用狀態(tài)機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)軟件，可簡(jiǎn)化軟件的開發(fā)，使之模塊化、可維護(hù)，并易于理解。目前擁有的廣泛資源可演示狀態(tài)機(jī)的理論和算法。

3、避免使用全局變量

嵌入式特別是單片機(jī)os-less的程序，最易范的錯(cuò)誤是全局變量滿天飛。這個(gè)現(xiàn)象在早期匯編轉(zhuǎn)型過(guò)來(lái)的程序員以及初學(xué)者中常見，這幫家伙幾乎把全局變量當(dāng)作函數(shù)形參來(lái)用。

在.h文檔里面定義許多雜亂的結(jié)構(gòu)體，extern一堆令人頭皮發(fā)麻的全局變量，然后再這個(gè)模塊里邊賦值123，那個(gè)模塊里邊判斷123分支決定做什么。

不否認(rèn)全局變量的重要性，但要十分謹(jǐn)慎地使用它，濫用全局變量會(huì)引申帶來(lái)其它更為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性系統(tǒng)問(wèn)題。

它會(huì)造成不必要的常量頻繁使用，特別當(dāng)這個(gè)常量沒有用宏定義“正名”時(shí)，代碼閱讀起來(lái)將萬(wàn)分吃力。

它會(huì)導(dǎo)致軟件分層的不合理，全局變量相當(dāng)于一條快捷通道，它容易使程序員模糊了“設(shè)備層”和“應(yīng)用層”之間的邊界。寫出來(lái)的底層程序容易自作多情地關(guān)注起上層的應(yīng)用。這在軟件系統(tǒng)的構(gòu)建初期的確效率很高，功能調(diào)試進(jìn)度一日千里，但到了后期往往bug一堆，處處“補(bǔ)丁”，雷區(qū)遍布。說(shuō)是度日如年舉步維艱也不為過(guò)。

由于軟件的分層不合理，到了后期維護(hù)，哪怕僅是增加修改刪除小功能，往往要從上到下掘地三尺地修改，涉及大多數(shù)模塊，而原有的代碼注釋卻忘了更新修改，這個(gè)時(shí)候，交給后來(lái)維護(hù)者的系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越像一個(gè)“泥潭”，注釋的唯一作用只是使泥潭上方再加一些迷煙瘴氣。

全局變量大量使用，少不了有些變量流連忘返于中斷與主回圈程序之間。這個(gè)時(shí)候如果處理不當(dāng)，系統(tǒng)的bug就是隨機(jī)出現(xiàn)的，無(wú)規(guī)律的，這時(shí)候初步顯示出病入膏肓的特征來(lái)了，沒有大牛來(lái)力挽狂瀾，注定慢性死亡。

兩個(gè)原則對(duì)策

能不用全局變量盡量不用，除了系統(tǒng)狀態(tài)和控制參數(shù)、通信處理和一些需要效率的模塊，其他的基本可以靠合理的軟件分層和編程技巧來(lái)解決。

如果不可避免需要用到，那能藏多深就藏多深。

1)如果只有某.c文件用，就static到該文件中，順便把結(jié)構(gòu)體定義也收進(jìn)來(lái)；

2)如果只有一個(gè)函數(shù)用，那就static到函數(shù)里面去；

3)如果非要開放出去讓人讀取，那就用函數(shù)return出去，這樣就是只讀屬性了；

4)如果非要賦值，開放函數(shù)接口傳參賦值；

5)實(shí)在非要extern強(qiáng)J我，還可以嚴(yán)格控制包含.h檔的對(duì)象，而不是放到公共的includes.h中被人圍觀，丟人現(xiàn)眼。

注意：避免使用，不是不讓使用！

4、利用模塊性的好處

無(wú)論問(wèn)哪一名工程師，項(xiàng)目的哪部分最有可能延遲交付并超出預(yù)算？答案都是軟件。軟件往往是復(fù)雜的，且難以開發(fā)和維護(hù)，尤其是當(dāng)整個(gè)應(yīng)用都存在于單一文件或松散關(guān)聯(lián)的多個(gè)文件中時(shí)。為了緩解可維護(hù)性、可重用性及復(fù)雜性，強(qiáng)烈建議程序員充分利用現(xiàn)代編程語(yǔ)言的模塊化特性，將常用功能分解成模塊。

以這樣的方式分解編碼，程序員就能著手建立函數(shù)與特性庫(kù)，然后在一個(gè)接一個(gè)的應(yīng)用中重用它們，從而通過(guò)連續(xù)測(cè)試而改善代碼質(zhì)量，同時(shí)也減少了時(shí)間，降低了開發(fā)成本。

5、保持中斷服務(wù)例程的簡(jiǎn)單性

中斷服務(wù)例程用來(lái)中斷處理器對(duì)當(dāng)前代碼分支的執(zhí)行，從而處理剛剛觸發(fā)中斷的外圍設(shè)備。無(wú)論何時(shí)執(zhí)行中斷，都需要一定數(shù)量的開銷，用于保存當(dāng)前程序的狀態(tài)、運(yùn)行中斷，然后將處理器回歸原程序狀態(tài)。

現(xiàn)代處理器要比多年前的處理器快得多，但仍需要考慮此花銷。一般情況下，程序員都想把中斷運(yùn)行時(shí)間降至最低，以避免干擾主代碼分支。這意味著中斷應(yīng)該短而簡(jiǎn)單。

中斷中不應(yīng)調(diào)用函數(shù)。此外，如果中斷開始變得過(guò)于復(fù)雜或耗時(shí)，則僅應(yīng)在必要時(shí)利用中斷做最少量的工作，例如，將數(shù)據(jù)裝入緩沖區(qū)并設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，然后讓主分支處理輸入的數(shù)據(jù)。這樣做可保證大多數(shù)處理器周期被用于運(yùn)行應(yīng)用，而不是處理中斷。

6、使用示例代碼做外設(shè)的實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)硬件時(shí)，做原型測(cè)試電路總是有益的，這樣可確保工程師對(duì)電路有正確的理解，然后再做電路板布局。此點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)軟件也同樣適用。硅片制造商通常都有示例代碼，可用來(lái)測(cè)試微處理器的各個(gè)部分，這樣工程師們就可判定該部分的工作情況。

此方法使人們洞察到軟件體系架構(gòu)的應(yīng)該組織方式，以及可能造成的任何潛在問(wèn)題。在設(shè)計(jì)初期階段認(rèn)清潛在的障礙，比在產(chǎn)品交付前最后幾小時(shí)才發(fā)現(xiàn)它們要好。

這是預(yù)先測(cè)試代碼片段的一個(gè)很好的方法，但需提醒的是，制造商代碼往往不是模塊化的，未經(jīng)大的修改不方便用于實(shí)際應(yīng)用。這一局限已隨著時(shí)間的發(fā)展而改變，也許某一天芯片供應(yīng)商會(huì)給出可用于生產(chǎn)的代碼。

7、限制功能復(fù)雜度

工程學(xué)中有一個(gè)舊詞叫“KISS”——保持簡(jiǎn)單和直接。無(wú)論在處理何種復(fù)雜工作時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法就是把它分解為更小、更簡(jiǎn)單、更易處理的任務(wù)。隨著工作或功能變得越來(lái)越復(fù)雜，人們要準(zhǔn)確無(wú)誤地記錄所有的細(xì)節(jié)也變得更困難。

在寫一個(gè)函數(shù)時(shí)，其復(fù)雜度在當(dāng)時(shí)看似適中，然而要考慮到，一名工程師如何在六個(gè)月的維護(hù)時(shí)間內(nèi)查看代碼。測(cè)量函數(shù)復(fù)雜度（如循環(huán)的復(fù)雜度）的方法很多。現(xiàn)在有工具可以自動(dòng)計(jì)算某個(gè)函數(shù)的循環(huán)復(fù)雜度。經(jīng)驗(yàn)法則建議，函數(shù)的循環(huán)復(fù)雜度保持在10以下是最理想的。

無(wú)論在處理何種復(fù)雜工作時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法就是把它分解為更易處理的任務(wù)。

8、使用源代碼存儲(chǔ)庫(kù)

人都是會(huì)犯錯(cuò)誤的，寫代碼時(shí)也會(huì)犯錯(cuò)。這就是為什么開發(fā)人員使用源代碼存儲(chǔ)庫(kù)是如此重要。源代碼存儲(chǔ)庫(kù)可使開發(fā)人員“登記”一個(gè)好的代碼版本，并描述對(duì)該代碼所做的修改。該步驟不僅使得開發(fā)人員可以復(fù)原或追溯到代碼的舊版本，還可以比較舊版本之間的不同。

如果開發(fā)人員做的一系列改變破壞了系統(tǒng)，只需點(diǎn)擊一下即可恢復(fù)好的代碼版本！請(qǐng)謹(jǐn)記，如果不頻繁提交代碼，存儲(chǔ)庫(kù)就不會(huì)達(dá)到預(yù)期目的。如果做了不可逆的修改，兩周后才提交代碼，然后再恢復(fù)，就會(huì)造成大量工作和時(shí)間的損失！

9、代碼做詳細(xì)說(shuō)明

在軟件開發(fā)的激烈戰(zhàn)斗中，開發(fā)人員很容易把注意力集中在編寫和代碼上，因此會(huì)忽略詳細(xì)解釋的需求。在壓力之下，說(shuō)明工作往往是項(xiàng)目的收尾工作，因?yàn)殚_發(fā)人員認(rèn)為它是最后的一項(xiàng)工作。

然而，當(dāng)代碼仍在你腦中新鮮熱火時(shí)就做出詳細(xì)解釋是至關(guān)重要的，這樣做可使開發(fā)人員或你自己讀懂注釋，理解代碼的工作方式。如果開發(fā)人員做的一系列改變破壞了系統(tǒng)，只需點(diǎn)擊一下即可恢復(fù)好的代碼版本！

10、學(xué)會(huì)模塊化編程、驅(qū)動(dòng)分離

當(dāng)項(xiàng)目小組做一個(gè)相對(duì)較復(fù)雜的工程時(shí)，意味著你不再獨(dú)自單干。而是和小組成員分工合作，這就要求小組成員各自負(fù)責(zé)一部分工程。比如你可能只是負(fù)責(zé)通訊或者顯示這一塊。

這個(gè)時(shí)候，你就應(yīng)該將自己的這一塊程序?qū)懗梢粋€(gè)模塊，單獨(dú)調(diào)試，留出接口供其它模塊調(diào)用。最后，小組成員都將自己負(fù)責(zé)的模塊寫完并調(diào)試無(wú)誤后，由項(xiàng)目組長(zhǎng)進(jìn)行組合調(diào)試。

像這些場(chǎng)合就要求程序必須模塊化。模塊化的好處是很多的，不僅僅是便于分工，它還有助于程序的調(diào)試，有利于程序結(jié)構(gòu)的劃分，還能增加程序的可讀性和可移植性。

記住以下四點(diǎn)就可以了：

模塊即是一個(gè).c 文件和一個(gè).h 文件的結(jié)合，頭文件(.h)中是對(duì)于該模塊接口的聲明；

某模塊提供給其它模塊調(diào)用的外部函數(shù)及數(shù)據(jù)需在.h 中文件中冠以extern 關(guān)鍵字聲明；

模塊內(nèi)的函數(shù)和全局變量需在.c 文件開頭冠以static 關(guān)鍵字聲明；

永遠(yuǎn)不要在.h 文件中定義變量！

審核編輯 ：李倩