硬件工程師的10個C語言技巧

　　硬件設(shè)計師最常見的工作內(nèi)容是通過寫代碼來測試硬件。這10個C語言技巧(C語言仍然是常見的選擇)可以幫助設(shè)計師避免因基礎(chǔ)性錯誤而導(dǎo)致某些缺陷的產(chǎn)生并造成維護方面的困擾。

　　為了成功的推出一個產(chǎn)品，軟件開發(fā)過程本身需要經(jīng)歷無數(shù)的實踐風(fēng)險和障礙。任何工程師最不希望的事情就是因所使用語言或工具而帶來的挑戰(zhàn)。因此，這就需要硬件設(shè)計師編寫代碼來測試硬件的工作狀況，在資源受限的情況下，還需要開發(fā)硬件和嵌入式軟件。盡管工具和結(jié)構(gòu)化編程已經(jīng)有了很大進展，但通常選擇的仍然是C語言，基礎(chǔ)性錯誤的不斷發(fā)生，仍會導(dǎo)致某些缺陷的產(chǎn)生并造成維護方面的困擾。為竭力避免這些C編程陷阱，這里有10個C語言技巧供硬件工程師參考。

　　技巧#1:不要使用“GOTO”語句

　　二十幾年前，當(dāng)計算機編程尚處于起步階段時，程序流程是由“GOTO”語句來控制。該類語句允許程序員對當(dāng)前代碼行斷行，而直接進入另一個不同的代碼段。列表1為簡單的示例。

　　列表1 使用GOTO語句

　　編程語言終究開始引入了函數(shù)的概念，即允許程序?qū)Υa進行斷行。如果已經(jīng)完成，不再使用goto語句來表示代碼的斷行。函數(shù)調(diào)用后，函數(shù)將回到下一條指令。列表2為示例。這一做法改善了程序結(jié)構(gòu)，提高了可讀性。自此，這被視為編寫程序的正確方法。只要看到或想到goto語句，就會讓軟件工程師退縮，產(chǎn)生本能的厭惡。其中一個主要的原因是，一個遍布goto語句的程序會讓讓人很難抓住重心，不便于對程序的理解和維護。

　　列表2 用函數(shù)控制流程

　　技巧#2:使用FOR(;;)或While(1)

　　如果goto語句已經(jīng)過時，那么對程序創(chuàng)建無限循環(huán)應(yīng)該如何去做呢，這是一些硬件工程師可能會疑惑的問題。畢竟，之前都是通過創(chuàng)建一個goto語句然后再返回到main語句。解決這一問題就要利用C語言中已經(jīng)存在的循環(huán)語句for和while(列表3和4)。

　　列表3 使用一個無限的For循環(huán)

　　列表4 使用一個無限的While循環(huán)

　　列表中的循環(huán)條件相對比較簡單。for循環(huán)無非是以無條件情況使用條件語句。而另一方面，while循環(huán)是語句為真即予執(zhí)行，這等同對任何條件的非零值。

　　技巧#3:使用合適的條件語句

　　除代碼的可讀性之外，程序的執(zhí)行時間還主要依賴于做決定時所選擇的條件結(jié)構(gòu)類型。許多硬件工程師都熟悉簡單的if語句的使用。然而，有時工程師可能沒有意識到，如果第一個條件不正確，還可以使用else或else if語句。這可以節(jié)省處理器時間，而不必評估另一個條件語句。在列表5所示的前半部分代碼中，如果Var值為1，則代碼仍會查看Var是否為0。而在用了else語句的后半部分代碼中，只評估第一個語句，之后就繼續(xù)走下面的代碼，這樣就節(jié)省了時鐘周期，使代碼更加清晰。

　　列表5 用If/Else替代只用If

　　If/else if/else語句可能并不永遠(yuǎn)適用。如果需要檢查若干個可能的條件，switch語句可能更合適。這樣，處理器可以評估語句，然后從一個答案列表中選擇下一步動作，而不用連續(xù)地評估一堆條件。列表6顯示的例子與列表5示例的類型相同。

　　列表6 使用Switch語句

　　以上示例的寓意是，讓條件語句的選擇更開放，以選擇出最適合的語句。這種做法使程序結(jié)構(gòu)更簡單，便于理解程序流程，縮短處理器的額外時鐘周期。

　　技巧#4:避免使用匯編語言

　　微處理器的自然語言為匯編語言指令。為低級別機器語言編程可能會為處理器提供更高效的代碼。然而，人類并不是天生就會這種語言，并且經(jīng)驗表明，編寫匯編語言會造成誤解。誤解會導(dǎo)致維護不當(dāng)，更甚者，可能會使系統(tǒng)到處是bug.一般建議避免使用匯編語言。實際上，現(xiàn)在大多數(shù)編譯器都能編譯出非常高效的代碼。采用C語言或C++語言等高級語言的開發(fā)，能獲得更有序的結(jié)構(gòu)，便于理解和維護，使代碼的整體效果更好。列表7給出了一個示例，比較了使一個32位變量遞增所使用的匯編代碼和C語言代碼。

　　列表7 用匯編和C語言完成一個變量的遞增

　　匯編

　　C代碼

　　當(dāng)然，現(xiàn)在仍有一些場合適于使用匯編語言，但這種場合仍比較少。首個推薦的場合是開發(fā)引導(dǎo)裝載程序。這種情況下，可能需要優(yōu)化對啟動過程中某個決策(啟動應(yīng)用或引導(dǎo)加載器)的速度。此時，分支判定用匯編代碼就可能有意義了。另一種場合是開發(fā)一種在DSP上運行有嚴(yán)格時序要求的控制循環(huán)。為了從設(shè)備中的得到每個時鐘周期，用匯編語言做控制循環(huán)的編碼是有意義的。如果目前任務(wù)適合用匯編，應(yīng)確保將其妥善存檔便于有據(jù)可查，這樣，未來的開發(fā)者(或未來的版本)會明白該代碼的用途。

　　技巧#5:充分利用模塊化

　　筆者最常見的經(jīng)歷是著手由硬件工程師開啟的一個新項目往往是雜亂無章的代碼組織。通常我們會發(fā)現(xiàn)，代碼由一個單一的主模塊組成，其中有2.5萬多行代碼。在這些應(yīng)用中，一切都是全局性的，函數(shù)寥寥無幾，goto語句貫穿整個代碼結(jié)構(gòu)。15年前這算正常，但如今已不再適用了!C語言編程使工程師能夠?qū)⒋a分成獨立的功能模塊，這簡化了代碼導(dǎo)航，同時還能夠使工程師使用封裝等面向?qū)ο蠹夹g(shù)。代碼可以被組織成邏輯模塊，這很有意義。雖然可能要先花點時間(幾分鐘)，但從長遠(yuǎn)來看，這將能省掉很多漫長之夜，和很多調(diào)試之苦!

　　技巧#6:寫千層餅式代碼而非面條式代碼

　　Beningo是一個意大利名字，和許多意大利人一樣，我對意大利面食也是毫無保留地?zé)釔?。?dāng)拿意大利面食與軟件相比時，我就會想到兩種面食，即意大利面條和千層餅。意大利面條比較混亂，面條相互交織，縱橫交錯，結(jié)果完全沒有任何類型的結(jié)構(gòu)。編寫非結(jié)構(gòu)化代碼就非常像意大利面條：咬一口，完全不知道吃的是哪部分。

　　另一種就是意大利千層餅!這種面食是分層的，是有結(jié)構(gòu)的。分層開發(fā)的代碼不僅更容易理解，還可以移走一層并添加一個新層，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)使用和維護的簡易性。圖1為用千層餅式代碼模型的一個簡單軟件模塊示例。

　　圖1 千層餅軟件 模型

　　驅(qū)動程序配置

　　應(yīng)用程序配置

　　應(yīng)用程序

　　驅(qū)動程序庫

　　硬件

　　技巧#7:使用描述式變量名稱

　　編寫易于理解和維護的較大軟件有許多障礙，其中之一就是變量的命名習(xí)慣。為了盡力縮短變量名，開發(fā)者通常會自創(chuàng)一些較短的、令人費解的助記符，往往只有他們自己才能明白的符號?，F(xiàn)代語言使一個變量名可以包含數(shù)百個字符。為了讓事情清晰明確，“直截了當(dāng)”地方法要好于其它方式。因此，變量名一目了然不僅有利于開發(fā)人員，也有利于未來的維護團隊。列表8給出一個示例。

　　列表8 變量的命名

　　技巧#8:少用#pragma語句

　　C語言中有一種特殊的#pragma語句。這些語句通常處理非標(biāo)準(zhǔn)的句法和特性，應(yīng)盡可能避免使用這種語句，因為它們是非標(biāo)準(zhǔn)的，不能從一個處理器移植到另一個處理器。有些編譯器可能要求用這類語句完成某項任務(wù)，例如定義一個中斷服務(wù)程序。在這種情況下，可能除了使用#pragma語句以外別無它法。如果可能，將所有的#pragma語句放在一個模塊或幾個模塊里。這有助于確保在代碼移植時，只需要更新幾處代碼，而非整個代碼庫;此外，這也將有助于防止移植代碼的首次編譯所帶來的困擾。

　　技巧#9:錯誤往往并不是看上去那樣簡單

　　在調(diào)試一個C程序時，有一個讓人當(dāng)心的陷阱就是編譯器錯誤。由于編譯器的復(fù)雜性，當(dāng)檢測到一個錯誤時，通常錯誤位于程序中的其它地方，而非編譯器所指示的位置。這主要與編譯器生成程序的步驟有關(guān)。錯誤類型通常是一致的，工程師可以發(fā)現(xiàn)的一些錯誤中，90%都是根源：

　　*當(dāng)心漏掉#include文件。這可能會使程序開發(fā)人員看到完美的代碼行，但由于未包含必要的頭文件，編譯器便會將其標(biāo)志為一個錯誤，表示有些東西未定義。

　　*當(dāng)心漏掉分號。編寫C代碼時最常見的錯誤是忘記在句末加分號。

　　*當(dāng)心漏掉括號。漏寫括號是代碼編寫過程中又一常犯的錯誤，或是粗心漏掉，或是由于鍵入錯誤而產(chǎn)生一個錯誤字符。

　　*當(dāng)心漏掉逗號。在復(fù)雜的定義中很容易忘記逗號!

　　一般情況下，當(dāng)彈出一個奇怪的編譯錯誤對話框時，要查看該行前已被編譯的內(nèi)容。很有可能就是錯誤所在!它可能是出現(xiàn)在一行上面，或中間部分，或在完全不同的文件里。

　　不要放棄!只要具備一定的經(jīng)驗，解決這些疑難問題就會成為一種第二天性。

　　技巧#10:優(yōu)秀的程序員編寫的代碼行數(shù)不一定少

　　人們常有這種誤解，即認(rèn)為較一般的程序員而言，一個優(yōu)秀的程序員往往寫較少的代碼行就能解決問題。不要卷入這一錯誤的想法!一個優(yōu)秀的程序員通常具備思維縝密、結(jié)構(gòu)清晰的編碼基礎(chǔ)。變量命名和封裝都恰如其分，系統(tǒng)中幾乎不用全局變量。函數(shù)應(yīng)保持簡短有效。如果代碼看起來很混亂，需要多寫幾行才能使其看上去更清晰，那就不妨多寫幾行!可以上網(wǎng)查看獲得C代碼編寫最混亂殊榮獎項的代碼用作前車之鑒。優(yōu)秀程序員寫的代碼簡潔、易于理解和維護，代碼行數(shù)并非最少(圖2)!

　　圖2 簡短程序

　　作者簡介

　　Jacob Beningo獲得了軟件工程職業(yè)認(rèn)證(CSDP)，專業(yè)從事高質(zhì)量、穩(wěn)健的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計。他著有許多關(guān)于嵌入式設(shè)計方法的科技論文，并教授有關(guān)可編程的設(shè)備、引導(dǎo)加載程序和軟件方法等課程。Beningo獲得了中密歇根大學(xué)(簡稱CMU)(密歇根州歡喜山校區(qū))工程物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，以及密歇根大學(xué)(密歇根州安娜堡分校)空間系統(tǒng)工程碩士學(xué)位。