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
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: o3 x9 D9 a1 ^) v9 E
3 B1 U5 T1 I- R- N1 ]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。

. u  c6 S/ S& M8 |3 ]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。

第一个问题：

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：
4 d' O) M" T6 S" J: L8 e! u
bExit = FALSE;

7 P+ i- H1 L/ J+ o- Q. i; N6 rdo {
7 j" d% {: B1 M( y
8 J" t5 k7 ]% a/ m8 V5 N' X7 ^- @if (GetRxBuffCharNum() >= 30)

bExit = ReadRxBuff(buff, GetRxBuffCharNum());
' J0 @0 f+ x9 r; R8 S3 J) n
& W' ~/ I# G8 r2 P, E4 i: A  o8 h# ?, Q} while (!bExit);
2 y; g6 _( {4 e
0 A$ o( c) w0 d* `' a- _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：

+ g0 Y" r  f5 R6 }unsigned GetRxBuffCharNum(void)

{
; @# v1 Q5 u) s
cpu_register reg;
6 I7 O) `' ?( c; ]
unsigned num;

reg = interrupt_disable();

/ h* h( l; ]% h! P7 y" ]num = gRxBuffCharNum;
! y7 B8 s2 s8 g2 E) ]
interrupt_enable(reg);

. w7 U9 U! Z0 s# R6 E' j+ R  k5 Oreturn (num);

}
9 G7 e) J4 u7 F' p# v: I+ F" C
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。

修改这段代码其实很简单，最简单的办法是从高层修改。即：

( j' g& H/ ~. b  f" b0 P9 cbExit = FALSE;
& M: ]% }& D7 L! E
do {
6 M7 b0 E; `" A. ]
7 r. p6 b# J. ^! W+ M- V. Z+ qDelayUs(20); //延时 20us，一般采用空循环指令实现

( u* `$ s, p/ q# T# e2 c6 inum = GetRxBuffCharNum();
0 e# D( Q6 `3 m1 s, X; f
9 p0 ?' |! [' h- j) m8 \if (num >= 30)
7 |" y  F  b/ G/ t
1 v7 C5 e0 k" g  _# R) {2 nbExit = ReadRxBuff(buff, num);
8 v1 a* \1 e9 D- x+ Y# f3 C' \/ M( f
} 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。

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。
; @7 _# Y: z, M, Q: V7 u, M, V
第二个例子：
3 }& E7 m/ o& F" L
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：

for (i = 0; i < 8; i++)
- ]' }) p8 Y$ N9 Q
  I: M( P6 P* Z* O4 ^! q{

1 [* [+ \$ [4 _' x: }SetData((data >> i) & 0x1);

SetClockHigh();
5 C: m- R- O# h8 c- x! `
for (j = 0; j < 5; j++);

SetClockLow();

2 e; d% x8 ?4 A' j}
' h# s$ B; x# s7 D$ ?/ L5 i
8 X' G) z" I4 j/ J/ L8 \" {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。

修改也比较简单：

for (i = 0; i < 8; i++)

4 H* g9 Q6 H+ U9 C6 j5 G{
​
) l* d& K: N# T2 w+ S( mSetData((data >> i) & 0x1);
  N$ o& x/ |' o: S
SetClockHigh();
7 B0 i$ [# c4 j$ I' r  d
! W: w0 O$ A: _. }% xfor (j = 0; j < 5; j++);

SetClockLow();

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

- I; w; R' R  W/ z' m}
. H5 t/ o( y) g, U( |6 ]
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);

% ?( }5 w( b+ I( w% k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

" d+ @+ P0 W0 T0 B! Y__volatile__ __asm__("nop;\n");

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。
' N  `1 B1 L5 P1 b

cj223356

说的很不错，谢谢分享