资深工程师总结||硬件工程师的10个C语言技巧

嵌入式ARM 2019-03-07 16:50


作者:Jacob Beningo


硬件设计师最常见的工作内容是通过写代码来测试硬件。这10个C语言技巧(C语言仍然是常见的选择)可以帮助设计师避免因基础性错误而导致某些缺陷的产生并造成维护方面的困扰。


为了成功的推出一个产品,软件开发过程本身需要经历无数的实践风险和障碍。任何工程师最不希望的事情就是因所使用语言或工具而带来的挑战。因此,这就需要硬件设计师编写代码来测试硬件的工作状况,在资源受限的情况下,还需要开发硬件和嵌入 式软件。尽管工具和结构化编程已经有了很大进展,但通常选择的仍然是 C 语言,基础性错误的不断发生,仍会导致某些缺陷的产生并造成维护方面的困扰。为竭力避免这些 C 编程陷阱,这里有 10 个 C 语言技巧供硬件工程师参考。


技巧#1:不要使用“GOTO”语句


二十几年前,当计算机编程尚处于起步阶段时,程序流程是由“GOTO”语句来控 制。该类语句允许程序员对当前代码行断行,而直接进入另一个不同的代码段。列表 1为简单的示例。



编程语言终究开始引入了函数的概念,即允许程序对代码进行断行。如果已经完成, 不再使用 goto语句来表示代码的断行。函数调用后,函数将回到下一条指令。列表 2为示例。这一做法改善了程序结构,提高了可读性。自此,这被视为编写程序的正确方法。只要看到或想到 goto语句,就会让软件工程师退缩,产生本能的厌恶。其中一个 主要的原因是,一个遍布 goto语句的程序会让让人很难抓住重心,不便于对程序的理
解和维护。
 
列表 2 用函数控制流程
 


技巧#2:使用 FOR(;;)或 While(1)


如果 goto语句已经过时,那么对程序创建无限循环应该如何去做呢,这是一些硬 件工程师可能会疑惑的问题。毕竟,之前都是通过创建一个 goto语句然后再返回到 main 语句。解决这一问题就要利用 C 语言中已经存在的循环语句 for 和 while(列表 3 和 4)。
 
列表 3 使用一个无限的 For 循环
 

 
列表 4 使用一个无限的 While 循环
 


列表中的循环条件相对比较简单。for 循环无非是以无条件情况使用条件语句。而 另一方面,while循环是语句为真即予执行,这等同对任何条件的非零值。


技巧#3:使用合适的条件语句


除代码的可读性之外,程序的执行时间还主要依赖于做决定时所选择的条件结构类 型。许多硬件工程师都熟悉简单的 if 语句的使用。然而,有时工程师可能没有意识到, 如果第一个条件不正确,还可以使用 else或 else if 语句。这可以节省处理器时间,而不 必评估另一个条件语句。在列表 5 所示的前半部分代码中,如果 Var 值为 1,则代码仍 会查看 Var 是否为 0。而在用了 else语句的后半部分代码中,只评估第一个语句,之后
就继续走下面的代码,这样就节省了时钟周期,使代码更加清晰。
 
列表 5 用 If/Else 替代只用 If


 


If/else if/else语句可能并不永远适用。如果需要检查若干个可能的条件,switch语句可能更合适。这样,处理器可以评估语句,然后从一个答案列表中选择下一步动作,而不用连续地评估一堆条件。列表 6 显示的例子与列表 5 示例的类型相同。
 
列表 6 使用 Switch 语句


以上示例的寓意是,让条件语句的选择更开放,以选择出最适合的语句。这种做法使程序结构更简单,便于理解程序流程,缩短处理器的额外时钟周期。


技巧#4:避免使用汇编语言


微处理器的自然语言为汇编语言指令。为低级别机器语言编程可能会为处理器提供更高效的代码。然而,人类并不是天生就会这种语言,并且经验表明,编写汇编语言会 造成误解。误解会导致维护不当,更甚者,可能会使系统到处是 bug.一般建议避免使用 汇编语言。实际上,现在大多数编译器都能编译出非常高效的代码。采用 C 语言或 C++语言等高级语言的开发,能获得更有序的结构,便于理解和维护,使代码的整体效果更 好。列表 7 给出了一个示例,比较了使一个 32 位变量递增所使用的汇编代码和 C 语言代码。

列表 7 用汇编和 C 语言完成一个变量的递增
汇编
C 代码



当然,现在仍有一些场合适于使用汇编语言,但这种场合仍比较少。首个推荐的场合是开发引导装载程序。这种情况下,可能需要优化对启动过程中某个决策(启动应用或引导加载器)的速度。此时,分支判定用汇编代码就可能有意义了。另一种场合是开发一种在 DSP 上运行有严格时序要求的控制循环。为了从设备中的得到每个时钟周期,用汇编语言做控制循环的编码是有意义的。如果目前任务适合用汇编,应确保将其妥善存档便于有据可查,这样,未来的开发者(或未来的版本)会明白该代码的用途。  


技巧#5:充分利用模块化


笔者最常见的经历是着手由硬件工程师开启的一个新项目往往是杂乱无章的代码 组织。通常我们会发现,代码由一个单一的主模块组成,其中有 2.5 万多行代码。在这 些应用中,一切都是全局性的,函数寥寥无几,goto语句贯穿整个代码结构。15 年前 这算正常,但如今已不再适用了!C 语言编程使工程师能够将代码分成独立的功能模块,


这简化了代码导航,同时还能够使工程师使用封装等面向对象技术。代码可以被组织成逻辑模块,这很有意义。虽然可能要先花点时间(几分钟),但从长远来看,这将能省掉很多漫长之夜,和很多调试之苦!


技巧#6:写千层饼式代码而非面条式代码


Beningo是一个意大利名字,和许多意大利人一样,我对意大利面食也是毫无保留地热爱。当拿意大利面食与软件相比时,我就会想到两种面食,即意大利面条和千层饼。意大利面条比较混乱,面条相互交织,纵横交错,结果完全没有任何类型的结构。编写非结构化代码就非常像意大利面条:咬一口,完全不知道吃的是哪部分。


另一种就是意大利千层饼!这种面食是分层的,是有结构的。分层开发的代码不仅更容易理解,还可以移走一层并添加一个新层,基本上能够实现重复使用和维护的简易 性。图 1 为用千层饼式代码模型的一个简单软件模块示例。



技巧#7:使用描述式变量名称


编写易于理解和维护的较大软件有许多障碍,其中之一就是变量的命名习惯。为了尽力缩短变量名,开发者通常会自创一些较短的、令人费解的助记符,往往只有他们自己才能明白的符号。现代语言使一个变量名可以包含数百个字符。为了让事情清晰明确,“直截了当”地方法要好于其它方式。因此,变量名一目了然不仅有利于开发人员,也 有利于未来的维护团队。列表 8 给出一个示例。
 
列表 8 变量的命名
 


技巧#8:少用#pragma 语句



C 语言中有一种特殊的#pragma 语句。这些语句通常处理非标准的句法和特性,应尽可能避免使用这种语句,因为它们是非标准的,不能从一个处理器移植到另一个处理器。有些编译器可能要求用这类语句完成某项任务,例如定义一个中断服务程序。在这 种情况下,可能除了使用#pragma 语句以外别无它法。如果可能,将所有的#pragma 语句放在一个模块或几个模块里。这有助于确保在代码移植时,只需要更新几处代码,而非整个代码库;此外,这也将有助于防止移植代码的首次编译所带来的困扰。  


技巧#9:错误往往并不是看上去那样简单


在调试一个 C 程序时,有一个让人当心的陷阱就是编译器错误。由于编译器的复杂性,当检测到一个错误时,通常错误位于程序中的其它地方,而非编译器所指示的位置。这主要与编译器生成程序的步骤有关。错误类型通常是一致的,工程师可以发现的一些 错误中,90%都是根源:


*当心漏掉#include文件。这可能会使程序开发人员看到完美的代码行,但由于未包含必要的头文件,编译器便会将其标志为一个错误,表示有些东西未定义。

*当心漏掉分号。编写 C 代码时最常见的错误是忘记在句末加分号。
*当心漏掉括号。漏写括号是代码编写过程中又一常犯的错误,或是粗心漏掉,或是由于键入错误而产生一个错误字符。
*当心漏掉逗号。在复杂的定义中很容易忘记逗号!


一般情况下,当弹出一个奇怪的编译错误对话框时,要查看该行前已被编译的内容。


很有可能就是错误所在!它可能是出现在一行上面,或中间部分,或在完全不同的文件里。


不要放弃!只要具备一定的经验,解决这些疑难问题就会成为一种第二天性。


技巧#10:优秀的程序员编写的代码行数不一定少


人们常有这种误解,即认为较一般的程序员而言,一个优秀的程序员往往写较少的代码行就能解决问题。不要卷入这一错误的想法!一个优秀的程序员通常具备思维缜密、结构清晰的编码基础。变量命名和封装都恰如其分,系统中几乎不用全局变量。函数应保持简短有效。如果代码看起来很混乱,需要多写几行才能使其看上去更清晰,那就不 妨多写几行!可以上网查看获得 C 代码编写最混乱殊荣奖项的代码用作前车之鉴。优秀 程序员写的代码简洁、易于理解和维护,代码行数并非最少(图 2)!



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