高手讲解系列！闲谈嵌入式编程的复杂性

kinidrily

高手讲解系列！闲谈嵌入式编程的复杂性


) v3 C8 l0 W2 r6 r0 v/ c能从PC机器编程去看嵌入式问题，那是第一步;学会用嵌入式编程思想，那是第二步;用PC的思想和嵌入式的思想结合在一起，应用于实际的项目，那是第三步。很多朋友都是从PC编程转向嵌入式编程的。在中国，嵌入式编程的朋友很少是正儿八经从计算机专业毕业的，都是从自动控制啊，电子相关的专业毕业的。这些童鞋们，实践经验雄厚，但是理论知识缺乏;计算机专业毕业的童鞋很大一部分去弄网游、网页这些独立于操作系统的更高层的应用了。也不太愿意从事嵌入式行业，毕竟这条路不好走。他们理论知识雄厚，但缺乏电路等相关的知识，在嵌入式里学习需要再学习一些具体的知识，比较难走。
; v0 q7 m$ B; [' P2 S
  A* t; `& U- h6 |$ Q0 T虽然没有做过产业调查，但从我所见和所招聘人员，从事嵌入式行业的工程师，要么缺乏理论知识，要么缺乏实践经验。很少两者兼备的。究其原因，还是中国的大学教育的问题。这里不探讨这个问题，避免口水战。我想列出我实践中的几个例子。引起大家在嵌入式中做项目时对一些问题的关注。

" D" Q1 m% `' z+ S  |9 S; b6 Y# q+ p第一个问题：
  u7 G. ^& B/ u4 M! u7 D3 k
同事在uC/OS-II下开发一个串口的驱动程序，驱动和接口在测试中均为发现问题。应用中开发了个通讯程序，串口驱动提供了一个查询驱动缓冲区字符的函数：GetRxBuffCharNum()。 高层需要接受一定数量的字符以后才能对包做解析。一个同事撰写的代码，用伪代码表示如下：
2 h" p: q* u4 z" E- r& H
% i- J7 P0 L; {. A1 AbExit = FALSE;
4 d4 f& V, q/ v1 p; ]& p7 C
do {

if (GetRxBuffCharNum() >= 30)

bExit = ReadRxBuff(buff, GetRxBuffCharNum());

. [  t% Q) ]8 T. S9 t} while (!bExit);

! K* B6 R# t3 O8 y这段代码判断当前缓冲区中超过30个字符，就将缓冲区中全部字符读到缓冲区中，直到读取成功为止。逻辑清楚，思路也清楚。但这段代码是不能正常工作。如果是在PC机上，定然是没有任何问题，工作的异常正常。但在嵌入式里真的是不得而知了。同事很郁闷，不知道为什么。来请我解决问题，当时我看到代码，就问了他，GetRxBuffCharNum()是怎么实现的?打开一看：
6 Y  k3 g7 r2 a
unsigned GetRxBuffCharNum(void)

{
* n+ w( u9 t/ d0 M; D, P
$ f# \$ V8 \' E) P1 Acpu_register reg;

unsigned num;
5 [4 [0 x, }' t, T' S
reg = interrupt_disable();

/ f( y6 @$ S( k$ E! e( Unum = gRxBuffCharNum;

interrupt_enable(reg);
8 P/ _4 [/ R2 Y5 n3 n6 m
return (num);

: T6 R7 {7 y6 G6 C9 A0 \- t/ s}

很明显，由于在循环中，interruput_disable()和interrupt_enable()之间是个全局临界区域，保证gRxBufCharNum的完整性。但是，由于在外层的do { } while() 循环中，CPU频繁的关闭中断，打开中断，这个时间非常的短。实际上CPU可能不能正常的响应UART的中断。当然这和uart的波特率、硬件缓冲区的大小还有CPU的速度都有关系。我们使用的波特率非常高，大约有3Mbps。uart起始信号和停止信号占一个比特位。一个字节需要消耗10个周期。3Mbps的波特率大约需要3.3us传输一个字节。3.3us能执行多少个CPU指令呢?100MHz的ARM，大约能执行150条指令左右。结果关闭中断的时间是多长呢?一般ARM关闭中断都需要4条以上的指令，打开又有4条以上的指令。接收uart中断的代码实际上是不止20条指令的。所以，这样下来，就有可能出现丢失通信数据的Bug，体现在系统层面上，就是通信不稳定。
5 x) I3 _0 j# g) ]. A7 |5 E1 x
修改这段代码其实很简单，最简单的办法是从高层修改。即：
" R0 Z6 O- _- Y0 @5 z8 h
: s( m' }: U- V2 k0 k* _bExit = FALSE;

: A5 n& Q* V9 M8 l# k- w! d6 Qdo {
7 H+ y6 ?- [4 x, Q4 W0 A) t% O
: N4 e* w6 k5 l. d( [3 c; kDelayUs(20); //延时 20us，一般采用空循环指令实现
( ]1 `# P$ A  F4 g9 V
num = GetRxBuffCharNum();

if (num >= 30)

bExit = ReadRxBuff(buff, num);
+ C% }5 P5 s8 S
} while (!bExit);

这样，让CPU有时间去执行中断的代码，从而避免了频繁关闭中断造成的中断代码执行不及时，产生的信息丢失。在嵌入式系统里，大部分的RTOS应用都是不带串口驱动。自己设计代码时，没有充分考虑代码与内核的结合。造成代码深层次的问题。RTOS之所以称为RTOS，就是因为对事件的快速响应;事件快速的响应依赖于CPU对中断的响应速度。驱动在Linux这种系统中都是与内核高度整合，一起运行在内核态。RTOS虽然不能抄袭linux这种结构，但有一定的借鉴意义。
/ h; B1 b" M, o  E3 C
  C1 ^# o" W' I2 |3 b5 T9 P从上面的例子可以看清楚，嵌入式需要开发人员对代码的各个环节需要了解清楚。
6 S) J* R) }% \& k0 x
第二个例子：

# T' d1 c1 f1 X2 U' I同事驱动一个14094串转并的芯片。串行信号是采用IO模拟的，因为没有专用的硬件。同事就随手写了个驱动，结果调试了3、4天，仍旧是有问题。我实在看不下去了，就去看了看，控制的并行信号有时候正常有时候不正常。我看了看代码，用伪代码大概是：

% f4 X# W- w7 S6 N! y/ Pfor (i = 0; i < 8; i++)
4 ~( R! ~0 c- G' R4 R. t
{

SetData((data >> i) & 0x1);

9 r9 m1 I1 S: G/ ^! ^SetClockHigh();

- X! [# M6 n$ O$ H! P, h8 Ffor (j = 0; j < 5; j++);
: {& B9 v) M; V! M6 l) s0 D+ E# G3 E
- J0 z' j7 A$ m' |7 YSetClockLow();
; Z5 ~. U  o+ f- R9 f/ J! |0 i
9 _) B+ m9 s1 I6 X8 z. d}
5 a+ _) W' f+ O# ?+ `
将数据的8个bit在每个高电平从bit0到bit7依次发送出去。应该是正常的啊。看不出问题在哪啊?我仔细想了想，有看了14094的datasheet，明白了。原来，14094要求clock的高电平持续10个ns，低电平也要持续10个ns。这段代码之做了高电平时间的延时，没有做低电平的延时。如果中断插在低电平之间工作，那么这段代码是可以的。但是如果CPU没有中断插在低电平时执行，则是不能正常工作的。所以就时好时坏。
7 B- }, x/ G4 I
) H$ s! u4 ?$ w修改也比较简单：

for (i = 0; i < 8; i++)
# `' V3 U: x+ V
/ q" O" ~4 p, A2 r' d8 V+ J{
2 n, Z$ I. G9 c. ~4 Y​
SetData((data >> i) & 0x1);

7 a* t& S3 O3 [0 Z* K- bSetClockHigh();

for (j = 0; j < 5; j++);

SetClockLow();
" p2 u7 l& L& Y+ |9 P7 U
7 T% D$ t" j. D+ cfor (j = 0; j < 5; j++);
/ t4 ~6 x0 n/ h3 y$ p
}
: Z# @  L9 [+ s8 y% m# [( v6 `3 h
7 F) H& X6 h' ]2 ]  k: x这样就完全正常了。但是这个还是不能很好移植的一个代码，因为编译器一优化，就有可能造成这两个延时循环的丢失。丢失了，就不能保证高电平低电平持续10ns的要求，也就不能正常工作了。所以，真正的可以移植的代码，应该把这个循环做成一个纳秒级的DelayNs(10);
) J7 W# H$ u0 q3 f5 R
; \4 v; C8 g: A  N4 t# f像Linux一样，上电时，先测量一下，nop指令执行需要多长时间执行，多少个nop指令执行10ns。执行一定的nop指令就可以了。利用编译器防止优化的编译指令或者特殊的关键字，防止延时循环被编译器优化掉。如GCC中的
+ _5 F! P/ O7 H$ A8 P; g
! J4 Y# }5 N( [2 z# j5 |' S2 M__volatile__ __asm__("nop;\n");
4 A- E7 |) m8 {) R
4 A2 I) Y: E4 h从这个例子中可以清楚的看到，写好一段好代码，是需要很多知识支撑的。

cj223356

说的很不错，谢谢分享