硬件工程師應(yīng)牢記嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的10個(gè)技巧

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅需要了解硬件，還需了解軟件是如何影響硬件并與硬件進(jìn)行交互的。設(shè)計(jì)硬件所需的范式可能與設(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)，硬件工程師應(yīng)牢記以下十個(gè)技巧。

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)有一種強(qiáng)烈的誘惑力促使他們立刻投入工作并開始寫代碼。這種做法就好比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)，抑制一上來就想寫代碼的沖動(dòng)至關(guān)重要，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，從長期看，這樣做還可以節(jié)省時(shí)間、省去麻煩。

技巧#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。一個(gè)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)用程序的特定部分。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)來設(shè)計(jì)軟件，可簡化軟件的開發(fā)，使之模塊化、可維護(hù)，并易于理解。現(xiàn)在已經(jīng)有多種資源來演示狀態(tài)機(jī)理論和算法。

技巧#3：避免使用全局變量

在函數(shù)式編程的年代，函數(shù)要先于形式，程序員的唯一目標(biāo)是盡可能地讓程序按預(yù)期方式快速運(yùn)行，而不用考慮程序結(jié)構(gòu)或可重用性。這種編程范式會(huì)毫無顧慮地使用全局性變量，程序中的任何函數(shù)都可能修改它。其結(jié)果就造成了變量被破壞的幾率增加或變量被誤用。在新推薦的面向?qū)ο蟮姆妒街?，?yīng)在最小的范圍內(nèi)定義變量并封裝它們，以防止其他函數(shù)的誤用或破壞。因此，建議限制使用全局變量的數(shù)量。在C語言中可用外部關(guān)鍵字標(biāo)識(shí)這些變量。

技巧#4：充分利用模塊化特性

無論問哪一名工程師，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)用都存在于單個(gè)文件或松散關(guān)聯(lián)的多個(gè)文件中時(shí)。為了改善可維護(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。以這樣的方式分解代碼，程序員就能著手建立函數(shù)與特性庫，然后在一個(gè)接一個(gè)的應(yīng)用中重用它們，從而通過連續(xù)測試而改善代碼質(zhì)量，同時(shí)也減少了開發(fā)時(shí)間，降低了開發(fā)成本。

技巧#5：保持中斷服務(wù)例程的簡單性

中斷服務(wù)例程用來中斷處理器對(duì)當(dāng)前代碼的執(zhí)行，而去處理剛剛觸發(fā)中斷的外圍設(shè)備。無論何時(shí)執(zhí)行中斷，都需要一定的開銷，用于保存當(dāng)前程序的狀態(tài)并運(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。這意味著中斷應(yīng)該短而簡單。中斷中不應(yīng)調(diào)用函數(shù)。此外，如果中斷變得過于復(fù)雜或耗時(shí)，那么就應(yīng)該只在必要時(shí)利用中斷做最少量的工作，例如，將數(shù)據(jù)載入緩沖區(qū)并設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，然后讓主代碼處理輸入的數(shù)據(jù)。這樣做可保證大多數(shù)處理器的時(shí)間用于運(yùn)行應(yīng)用，而不是處理中斷。

技巧#6：使用處理器示例代碼進(jìn)行測試

設(shè)計(jì)硬件時(shí)，構(gòu)建原型測試電路總是有益的，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。這在設(shè)計(jì)軟件時(shí)也同樣適用。硅片制造商通常都有示例代碼，可用來測試微處理器的各個(gè)部分，這樣工程師們就可判定該部分的工作情況。此方法使人們明確知道應(yīng)該如何設(shè)計(jì)軟件體系架構(gòu)，以及可能碰到的任何問題。在設(shè)計(jì)初期了解可能存在的障礙，比在產(chǎn)品交付前的最后幾小時(shí)才發(fā)現(xiàn)它們要好得多。這是預(yù)先測試一段代碼的好方法，但需提醒的是，制造商代碼往往不是模塊化的，要經(jīng)過徹底的修改才可用于實(shí)際應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，也許某一天芯片供應(yīng)商會(huì)提供可用于生產(chǎn)的代碼。

技巧#7：限制功能復(fù)雜度

工程學(xué)中有一個(gè)舊詞叫“KISS”——保持簡單和直接。無論在處理何種復(fù)雜的工作時(shí)，最簡單的方法就是把它分解為更小、更簡單、更易處理的任務(wù)。隨著工作或功能變得越來越復(fù)雜，人們要準(zhǔn)確無誤地記錄所有的細(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，然而還必須考慮到，6個(gè)月后當(dāng)工程師進(jìn)行維護(hù)時(shí)，還需要查看代碼。測量函數(shù)復(fù)雜度（如循環(huán)復(fù)雜度）的方法很多，現(xiàn)在已經(jīng)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。由經(jīng)驗(yàn)可知，函數(shù)的循環(huán)復(fù)雜度保持在10以下是最理想的。 無論在處理何種復(fù)雜工作時(shí)，最簡單的方法就是把它分解為更易處理的任務(wù)。

技巧#8：使用源代碼存儲(chǔ)庫并頻繁提交代碼

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)庫是如此重要。源代碼存儲(chǔ)庫可使開發(fā)人員“存入”一個(gè)好的代碼版本，并描述對(duì)該基礎(chǔ)代碼所做的修改。這不僅使開發(fā)人員可以復(fù)原或追溯到的舊版代碼，還可以比較舊版代碼之間的不同。如果開發(fā)人員做的一系列修改破壞了系統(tǒng)，只需點(diǎn)擊一下即可恢復(fù)好代碼版本！請(qǐng)謹(jǐn)記，如果不頻繁提交代碼，存儲(chǔ)庫就不會(huì)達(dá)到預(yù)期目的。如果做了不可修復(fù)的改變，過兩周才提交代碼再恢復(fù)的話，就會(huì)造成大量工作和時(shí)間的損失！

技巧#9：代碼注釋

在緊張的軟件開發(fā)中，開發(fā)人員很容易把注意力集中在編寫和調(diào)試代碼上，而忽略做詳細(xì)的注釋。在壓力之下，注釋工作往往拖到最后，因?yàn)殚_發(fā)人員認(rèn)為這是最后的一件事。然而，趁代碼在你腦中記憶猶新時(shí)就做注釋是至關(guān)重要的，這樣做可使其他開發(fā)人員或以后你自己讀懂注釋，理解代碼是如何工作的。

技巧#10：使用Agile開發(fā)流程

無論做何種類型的工程設(shè)計(jì)，都建議先設(shè)定并遵守某種流程，以便質(zhì)量和成本都保持穩(wěn)定的并能按時(shí)交付。軟件開發(fā)人員已成功使用Agile開發(fā)流程開發(fā)高質(zhì)量軟件，這一流程可按任務(wù)的優(yōu)先順序做開發(fā)。優(yōu)先級(jí)別最高的任務(wù)在指定的時(shí)間內(nèi)首先完成，這被稱為迭代。這種方法的好處是可以使軟件開發(fā)流程保持順暢，還可以根據(jù)結(jié)果和客戶的需要，使需求和任務(wù)適應(yīng)每一次迭代并做相應(yīng)的修改。 網(wǎng)友評(píng)論 @ DickB 我不支持關(guān)于中斷程序的建議。在使用德州儀器（TI）MSP430低功耗微控制器時(shí)，主代碼經(jīng)常只用于將處理器置于睡眠狀態(tài)。當(dāng)處理器處于激活狀態(tài)時(shí)，所有工作都在中斷程序中完成。 @ The Real Dr Bob 從我的經(jīng)驗(yàn)看，也許這篇文章的標(biāo)題應(yīng)為“軟件工程師的10大技巧”。 我在面試一名軟件工程師時(shí)曾問過這樣一個(gè)問題：如何為一個(gè)新項(xiàng)目寫軟件？ 回答是：著手寫軟件代碼！ 我以為他會(huì)說“先閱讀規(guī)范，然后將軟件分解成小模塊并為它們?cè)O(shè)計(jì)流程圖”之類的話。 當(dāng)然，我沒錄用他。 @ Thinking_J 一切都很好。 但我還想增加一條：讓管理層學(xué)習(xí)Agile。 最重要的是，在項(xiàng)目的開始階段就為項(xiàng)目的完成設(shè)定一個(gè)現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)（這是反復(fù)強(qiáng)調(diào)的）。而且，項(xiàng)目一開始就應(yīng)安排好適當(dāng)?shù)娜肆土鞒?，而不是后來才補(bǔ)上。

編輯：黃飛