硬件工程師必知的10個(gè)C語言技巧

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

為了成功的推出一個(gè)產(chǎn)品，軟件開發(fā)過程本身需要經(jīng)歷無數(shù)的實(shí)踐風(fēng)險(xiǎn)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(jì)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(jìn)展，但通常選擇的仍然是C語言，基礎(chǔ)性錯(cuò)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(hù)方面的困擾。為竭力避免這些C編程陷阱，這里有10個(gè)C語言技巧供硬件工程師參考。

二十幾年前，當(dāng)計(jì)算機(jī)編程尚處于起步階段時(shí)，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(jìn)入另一個(gè)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(jìn)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(gè)主要的原因是，一個(gè)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(hù)。

列表2 用函數(shù)控制流程

如果goto語句已經(jīng)過時(shí)，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(gè)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(gè)無限的For循環(huán)

列表4 使用一個(gè)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。

除代碼的可讀性之外，程序的執(zhí)行時(shí)間還主要依賴于做決定時(shí)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(shí)工程師可能沒有意識到，如果第一個(gè)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(shí)間，而不必評估另一個(gè)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(gè)語句，之后就繼續(xù)走下面的代碼，這樣就節(jié)省了時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)鐘周期。

微處理器的自然語言為匯編語言指令。為低級別機(jī)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(yàn)表明，編寫匯編語言會造成誤解。誤解會導(dǎo)致維護(hù)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(shí)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(hù)，使代碼的整體效果更好。列表7給出了一個(gè)示例，比較了使一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)決策（啟動應(yīng)用或引導(dǎo)加載器）的速度。此時(shí)，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(yùn)行有嚴(yán)格時(shí)序要求的控制循環(huán)。為了從設(shè)備中的得到每個(gè)時(shí)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。

筆者最常見的經(jīng)歷是著手由硬件工程師開啟的一個(gè)新項(xiàng)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(gè)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(gè)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(dú)立的功能模塊，這簡化了代碼導(dǎo)航，同時(shí)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(diǎn)時(shí)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！

Beningo是一個(gè)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(shí)，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(cuò)，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(gè)新層，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)使用和維護(hù)的簡易性。圖1為用千層餅式代碼模型的一個(gè)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

編寫易于理解和維護(hù)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(fèi)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(gè)變量名可以包含數(shù)百個(gè)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(hù)團(tuán)隊(duì)。列表8給出一個(gè)示例。

列表8 變量的命名

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?yàn)樗鼈兪欠菢?biāo)準(zhǔn)的，不能從一個(gè)處理器移植到另一個(gè)處理器。有些編譯器可能要求用這類語句完成某項(xiàng)任務(wù)，例如定義一個(gè)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(gè)模塊或幾個(gè)模塊里。這有助于確保在代碼移植時(shí)，只需要更新幾處代碼，而非整個(gè)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。

在調(diào)試一個(gè)C程序時(shí)，有一個(gè)讓人當(dāng)心的陷阱就是編譯器錯(cuò)誤。由于編譯器的復(fù)雜性，當(dāng)檢測到一個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，通常錯(cuò)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(cuò)誤類型通常是一致的，工程師可以發(fā)現(xiàn)的一些錯(cuò)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(gè)錯(cuò)誤，表示有些東西未定義。

＊當(dāng)心漏掉分號。編寫C代碼時(shí)最常見的錯(cuò)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(cuò)誤，或是粗心漏掉，或是由于鍵入錯(cuò)誤而產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)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(gè)奇怪的編譯錯(cuò)誤對話框時(shí)，要查看該行前已被編譯的內(nèi)容。很有可能就是錯(cuò)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(yàn)，解決這些疑難問題就會成為一種第二天性。