嵌入式中，什么情况用C？什么情况用C++？

Posted 2021-10-26 嵌入式大杂烩

C 与 C++ 的选择其实是“面向过程”与“面向对象”的选择。Sugar 认为这两种编程思想的选择取决于软件的特性，软件特性包括几个方面，都是 Sugar 总结出来的经验。本文力求把“软件特性”与“语言选择”结合图示理清晰。

嵌入式最简 IO 模型

“最简 IO 模型”自然是输入直接输出，比如房间里的照明灯给电就亮，这是不需要嵌入式的。按现在的潮流说法，加嵌入式进去那得叫智能硬件。因此，嵌入式的最简 IO 模型就是在输入和输出之间加入“嵌入式运算平台”，如“图1”。

图1. 嵌入式最简 IO 模型

在嵌入式最简 IO 模型下的产品功能大多都相对简单，有明确的输入和明确的输出，也就是说嵌入式软件的运算过程是明确的。这是自然“面向过程”的情况，这种情况下选 C 还是 C++ 没有多大差别。简单的控制过程就算选 C++ 也是写面向过程的软件。

举个例子来说就是现在小孩子都玩儿腻了的“巡线小车”，上电就跟着线跑。这个用 Arduino C 来实现就可以了，其实 Arduino 是 C++ 库，在这种简单功能上体现不出 C 和 C++ 有多大区别。

嵌入式受控 IO 模型

所谓“嵌入式受控 IO 模型”可以认为是一个遥控智能车一样的设备。在受控模型下，嵌入式硬件平台多了一路“指令”输入。这时候不妨再加个显示器，用于显示当前处于“受控模式”还是“自动模式”，如“图2”。

图2. 嵌入式受控 IO 模型

这里引入的“模式”是一个软件概念，软件是有无限可能的，能加一个模式进去就有可能再加很多个模式。模式在软件流程上是一个环节，但这个环节如上所述有多种不同的可能，这种情况最适合用 C++ 的面向对象思想来写程序。

即：软件上“单点多样”的情况下用 C++ 使软件模块化，用父、子类来实现，代码的可读性和可维护性都会远强于用 C 来写。有关“模式”的详细展开请看《从 ArduPilot 学习模式管理机制并移植和改进》

嵌入式终级 IO 模型

随着人工智能的逐步发展，越来越多的算法需要强劲的 CPU 甚至 GPU，这都不是嵌入式平台能做的。嵌入式平台长于实时控制而非快速大量运算，因此需要与机载 PC 配合工作。这样种情况下的模型如“图3”。

图3. 嵌入式终级 IO 模型

这样的模型毫无疑问用 C++ 会得到可维护性更好的嵌入式软件。如上所述 C++ 用在“单点多样”的环节，也就是说在考虑 C++ 代码之前要先确认有“哪些点”以及每个点有“哪些样”。

嵌入式软件的语言选择

下面基于“嵌入式终极 IO 模型”展开说嵌入式软件的语言选择。在嵌软部分从前往后展开，首先是传感器输入数据。

传感器输入部分的语言选择

图4. 传感器输入部分语言选择

软件特性	语言
软件运行平台的相关硬件不经常改变	C
软件运行平台的相关硬件经常改变	C++

上表根据软件的运行平台差异直接给出了选择建议，平台差异也决定了软件特性的不同。

对于医疗、工业、运输/铁路、航空航天设备、汽车、核应用、家电系列产品，一般生产出来之后嵌入式硬件将不再改变，这类产品开发就适合选择 C 语言。在这些产品上 C 语言占用资源相对少、较率相对高。因为硬件固定所以软件源文件数量也是明确的，源码文件管理的负担也不重。另外传感器驱动开发这件事本身就是“面向过程”的，开发经验是决定开发效率的关键，“面向对象”在开发效率上的优势于这种情况下很难体现出来。

对于玩具、教具类产品或者是开源软件，灵活适配同类硬件是基本要求。这类嵌软的特点是同一种硬件需要适配不同厂家、不同型号的“同功能设备”，这就符合“面向对象”的思想。就以 GPS 来说，不论哪个厂家都要输出经纬度、速度、时间戳这些数据，我们可以把这些共性数据做成 C++ 的基类，用子类解决厂家差异。这部分 Sugar 在《一文读懂 ArduPilot 的前后台架构》

嵌入式运算部分的语言选择

图5. 嵌入式运算部分语言选择

这一部分的软件特性是：算法与硬件平台无关。算法本身是数学和逻辑，平台提供运算能力，因此运算部分理应在任何运算能力达到要求的平台上都能够运行。另外算法本身具有多样性，一个目标往往不只一种算法可以达到。

“单点多样”、“跨平台”这两点对软件代码的文件管理都有比较高的要求，这些要求用 C++ 就非常容易满足。

协议数据部分的语言选择

图6. 协议数据部分语言选择

协议本质是对传输数据的打包和解包，这是一个面向过程的事，所以用 C 语言来实现协议代码最合适。

从数据传输方面考虑，在把数据送给协议代码打包前，最好将数据分类，以明确数据是“给谁”和“干什么”的，这些事 Sugar 统称为“协议数据管理”。从嵌入式软件整体来看“协议数据管理”就是整体中的“一个点”，而嵌入式平台的通信对象可能不唯一，比如“图6”中就有给显示器的和给机载 PC 的，也就是说管理起来是“多样的”。这从软件整体来看也是一个典型的“单点多样”，所以协议数据管理这部分选 C++ 面向对象写软件更有优势。

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