明天的嵌入式系統(tǒng)編程語言仍然是C語言嗎?

摘要：本文介紹了嵌入式系統(tǒng)編程語言的發(fā)展，并將C語言和時(shí)下其他較為流行的編程語言比較，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢(shì)。

　　您在下一項(xiàng)目編程時(shí)所使用的最佳語言是什么? 如果您是一名嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，可能認(rèn)為這一問題實(shí)在可笑。您會(huì)使用C語言，如果希望加強(qiáng)管理，則會(huì)使用C衍生的C++?？赡軙?huì)有一些關(guān)鍵代碼片段是以匯編語言編寫的，但是，據(jù)Barr集團(tuán)最近的一項(xiàng)研究表明，目前95%的嵌入式系統(tǒng)代碼是采用C或者C++編寫的。

　　然而，世界是在變化的。新的程序員、新挑戰(zhàn)以及新體系結(jié)構(gòu)讓C松開了在嵌入式軟件上的“抓手”。據(jù)最近的一項(xiàng)研究表明，嵌入式計(jì)算語言發(fā)展最快的是Python，當(dāng)然還有很多其他參與競(jìng)爭(zhēng)的語言，只是這些語言仍然占少數(shù)。但是逐漸地，一直堅(jiān)持使用C/C++的程序員像20年前匯編語言專家那樣開始冒險(xiǎn)——采用更快、更緊湊和更可靠的程序。 圖1提出了新語言能夠提高嵌入式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的效能。

C語言在嵌入式領(lǐng)域中的地位受到?jīng)_擊

　　嵌入式算法變革的一個(gè)主要推動(dòng)力量是其他工作環(huán)境的程序員進(jìn)入了嵌入式領(lǐng)域。這方面最明顯的是剛畢業(yè)的學(xué)生進(jìn)入職場(chǎng)。以前，剛畢業(yè)的學(xué)生在C課程中學(xué)會(huì)了編程，會(huì)用C或者C++完成他們的大部分項(xiàng)目。而現(xiàn)在，已經(jīng)不再如此了。Intel軟件工程經(jīng)理David Stewart注意到，“現(xiàn)在，大部分計(jì)算機(jī)科學(xué)課程使用Python作為他們的入門語言。”計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生很有可能在Python、Ruby以及幾種腳本語言上有豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是他們可能從未認(rèn)真地使用過C語言。同時(shí)，其他影響也越來越多。使用Android作為平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)的或者用戶友好的嵌入式設(shè)計(jì)，為Android的自然語言——Java，帶來了機(jī)會(huì)。在這一復(fù)雜景象的另一端，機(jī)器人、無人機(jī)或者相似的小項(xiàng)目業(yè)余愛好開發(fā)人員通常都有Arduino或者Raspberry-Pi背景。他們的經(jīng)驗(yàn)會(huì)體現(xiàn)在非常緊湊和簡(jiǎn)單的程序發(fā)生器或者B#等小型語言環(huán)境里。

　　這一現(xiàn)象對(duì)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的廣泛研究也產(chǎn)生了影響，網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員也參與到討論中。他們認(rèn)為，如果嵌入式系統(tǒng)的外部接口是RESTful Web，編程語言應(yīng)該是JavaScript或者其服務(wù)器側(cè)相關(guān)的Node.js。熱衷于使用C語言進(jìn)行開發(fā)的人員應(yīng)該觀察一下node.js——貝寶和沃爾瑪?shù)裙驹谄髽I(yè)規(guī)模的開發(fā)中大量使用了這一可擴(kuò)展平臺(tái)，據(jù)跟蹤調(diào)查網(wǎng)站modulecounts.com，在任何編程語言中，該平臺(tái)的輔助支持系統(tǒng)增長是最快的。

　　選擇Node.js的動(dòng)機(jī)部分是源自文化，但是也有體系結(jié)構(gòu)方面的因素。IoT會(huì)在客戶側(cè)、互聯(lián)網(wǎng)以及服務(wù)器側(cè)之間分配其嵌入式系統(tǒng)任務(wù)。其中，客戶側(cè)連接實(shí)際環(huán)境，通常要求盡可能少地采用硬件?？蛻魝?cè)很自然地采用硬件專用庫支持的Web應(yīng)用程序，而服務(wù)器側(cè)則是服務(wù)器應(yīng)用程序。這樣，對(duì)于Web程序員，在IoT系統(tǒng)編程中很顯然會(huì)使用JavaScript和Node.js。

　　日益復(fù)雜的嵌入式算法是變革的另一推動(dòng)力量。簡(jiǎn)單的控制環(huán)路被卡爾曼濾波器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及基于模型的控制功能所替代，高性能計(jì)算語言——Python，開放計(jì)算語言(例如OpenCL?)以及MATLAB等基于模型的環(huán)境逐漸發(fā)展起來。

強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)

　　那么這些新人們?yōu)槭裁床混o下心來學(xué)習(xí)C語言呢? Stewart說：“真正的原因在于開發(fā)人員的效能?！狈磳?duì)C語言的人一直認(rèn)為這種語言編寫慢，容易出錯(cuò)，會(huì)帶來意想不到的硬件相關(guān)問題，并且除了最初的程序員，其他人很難讀懂它。這些因素會(huì)對(duì)提高設(shè)計(jì)效能產(chǎn)生不利影響。而很多最近出現(xiàn)的語言逐步轉(zhuǎn)向快速學(xué)習(xí)和高效的代碼重用。雖然目前幾乎所有語言都受益于C語言高度簡(jiǎn)潔的語法，但現(xiàn)在的重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)回可讀性，而不是最少字符數(shù)。不但在現(xiàn)代語言中鼓勵(lì)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)一致的文檔，而且結(jié)構(gòu)化約定也通常會(huì)這樣定義文檔。C程序員一直把這類文檔看成是自由表述的例子，因?yàn)樽髡咦约翰粫?huì)牽連其中。例如，這些約定使得實(shí)用工具程序能夠從Python組件的結(jié)構(gòu)化注釋中生成用戶手冊(cè)。

　　現(xiàn)代語言還采用了高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以在C++環(huán)境中建立任何對(duì)象，并重用它?；谥羔?，Python還提供自然List和Dictionary數(shù)據(jù)類型。而Ruby等其他語言，基本上是面向?qū)ο蟮?，支持結(jié)構(gòu)和重用，這使其可以融入到程序員的習(xí)慣中。

　　影響了現(xiàn)代語言是否易于重用的另外兩個(gè)重要因素是動(dòng)態(tài)輸入和模塊化。動(dòng)態(tài)輸入是一個(gè)很有爭(zhēng)議的因素。當(dāng)程序員在使用變量時(shí)，解釋程序確定程序員傳送給表達(dá)式的數(shù)值的當(dāng)前數(shù)據(jù)類型——幾乎所有這些服務(wù)器側(cè)語言都是解釋性的，而不是編譯的。然后，解釋程序會(huì)選擇相應(yīng)的操作，評(píng)估含有該數(shù)據(jù)類型的表達(dá)式。這樣，程序員不用太過擔(dān)心他要調(diào)用的函數(shù)需要的是整數(shù)變量還是實(shí)數(shù)變量。但是，嵌入式程序和代碼可靠性專家很快指出，動(dòng)態(tài)輸入在運(yùn)行時(shí)實(shí)際上效率不高。另一個(gè)因素是部分程序員對(duì)模塊化的偏見。有時(shí)候會(huì)有人說，Python編程實(shí)際上不是編程，而是腳本，是把別人用C語言編寫的函數(shù)調(diào)用或串起來。

　　可讀性、協(xié)調(diào)一致的文檔、動(dòng)態(tài)輸入以及函數(shù)大量的重用等，催化了開源領(lǐng)域中輔助支持系統(tǒng)的爆發(fā)。程序員本能地會(huì)在巨大的開源庫中找到他們能夠使用的函數(shù)，例如，npm (用于Node.js)、PyPI (用于Python)或者Rubygems.org (用于Ruby)。如果他們不用修改組件或者編寫新的組件，他們會(huì)回到庫中工作。結(jié)果，庫會(huì)越來越大(npm目前大概有25萬個(gè)組件)。這些大規(guī)模的輔助支持系統(tǒng)也相應(yīng)地大幅度提高了程序員的效能。

嵌入式的新編程語言的不足之處及解決方法

　　這些編程語言盡管有這么多的優(yōu)點(diǎn)，但也有缺點(diǎn)。要想在嵌入式計(jì)算領(lǐng)域占據(jù)一席之地還有很多不足。

　　大部分這些語言最明顯的問題是，它們是解釋性的，而不是編譯的。這意味著它們需要可觀的運(yùn)行時(shí)程序包，包括解釋程序本身、工作存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)輸入開銷和運(yùn)行時(shí)庫等，都要適配到嵌入式系統(tǒng)中?；旧?，所有這些會(huì)非常緊湊，某些Java虛擬機(jī)可以裝入到幾十K字節(jié)中，但是Node.js、Python以及來自服務(wù)器側(cè)相似的語言需要自己的空間。一個(gè)兼容性還可以的Python虛擬機(jī)在加入程序員自己的代碼之前可能已經(jīng)占用了幾兆字節(jié)。

　　在性能問題方面，解釋程序讀取每一行代碼(源程序或者預(yù)處理過的中間級(jí)代碼)需要解析它、進(jìn)行運(yùn)行時(shí)檢查以及調(diào)用執(zhí)行所需操作的例程。在C語言中，這會(huì)導(dǎo)致一行代碼有很多操作，編譯成很多機(jī)器語言指令。執(zhí)行時(shí)間和能耗的成本都會(huì)增加。

　　在運(yùn)行時(shí)效率方面，可以使用即時(shí)(JiT)編譯器進(jìn)行改進(jìn)。一個(gè)JiT編譯器可以與解釋程序并行工作，為循環(huán)中的代碼生成編譯后的機(jī)器指令，因此，后續(xù)的代碼能夠更快地執(zhí)行。Stewart說：“JiT技術(shù)非常有趣，PyPy JiT編譯器把Python執(zhí)行速度提高了兩倍。”對(duì)于效率方面，還研究了其他方法。例如，如果函數(shù)是無阻塞的，或者使用了信令機(jī)制，有很多函數(shù)調(diào)用的程序即使是在采用循環(huán)展開等方法來建立更多的線程之前，也可以含有很多線程。因此，可以在一個(gè)組件上應(yīng)用很多多線程內(nèi)核——這是高性能計(jì)算已經(jīng)研究應(yīng)用的方向。更進(jìn)一步，Ruby語言本身支持多線程，因此，即使底層操作系統(tǒng)不支持線程，它也能夠產(chǎn)生線程代碼。某些團(tuán)隊(duì)則尋求在硬件加速器中實(shí)現(xiàn)庫或者組件，例如，圖形處理單元(GPU)、Xeon Phi和FPGA。實(shí)際上，解釋程序本身就會(huì)有適合加速的任務(wù)。

　　服務(wù)器側(cè)語言遇到的其他困難是缺少處理實(shí)際環(huán)境的結(jié)構(gòu)。在服務(wù)器環(huán)境中，除了網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)，沒有實(shí)時(shí)限制，也沒有I/O。可以通過幾種方式來解決這一問題。

　　最簡(jiǎn)單的是，Android環(huán)境以硬件幾乎無關(guān)的抽象方式包封Java代碼：具有圖形、觸摸屏、音頻、視頻、多個(gè)網(wǎng)絡(luò)以及物理傳感器的虛擬機(jī)。對(duì)于更強(qiáng)調(diào)物理I/O，甚至能夠在微控制器上運(yùn)行的輕型平臺(tái)，提供嵌入式Java。

　　Python等語言需要不同的方法。由于CPython解釋程序運(yùn)行在Linux上，因此，原理上能夠運(yùn)行在有足夠速度和物理存儲(chǔ)器的任何嵌入式Linux系統(tǒng)中。在這方面已經(jīng)有了工作基礎(chǔ)，通過減小裝入時(shí)間開銷，為物理I/O訪問提供功能，使用硬件加速器，進(jìn)一步適應(yīng)CPython，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)適應(yīng)實(shí)時(shí)約束。最新的一個(gè)實(shí)例是STM32微控制器的裸金屬M(fèi)icro Python環(huán)境。雖然這看起來幾乎不可能，但是已經(jīng)在Node.js下面的JavaScript引擎上有了類似的工作。

　　安全呈現(xiàn)出更多的問題。很多安全和可靠性標(biāo)準(zhǔn)不鼓勵(lì)甚至禁止使用未經(jīng)正式認(rèn)證或者全面測(cè)試的開源代碼。這些限制使得不可能重用組件，或者重用組件過于復(fù)雜，對(duì)效能的提高不大。同樣等級(jí)的詳細(xì)檢查也延伸到虛擬機(jī)等開源環(huán)境中。在可靠和安全大環(huán)境下，CPython等開源平臺(tái)很容易受到攻擊。

未來的編程語言發(fā)展方向

　　最后，考慮到有眾多的推動(dòng)力量促使新語言進(jìn)入嵌入式世界中，可以預(yù)見到會(huì)有多語系統(tǒng)，這種系統(tǒng)含有的組件來自多種源語言，每一種選擇要使用的關(guān)鍵庫，或者方便某類開發(fā)人員使用。當(dāng)然，您可以在不同的CPU內(nèi)核上放置幾種虛擬機(jī)，在一個(gè)內(nèi)核管理程序下相統(tǒng)一，然后，通過函數(shù)調(diào)用，為任務(wù)間消息的傳送提供約定。但是，這樣的系統(tǒng)最終會(huì)非常大。

　　另一種可能是一組語言相關(guān)解釋程序，為JiT編譯器生成公共中間代碼(圖2)。當(dāng)然，還能列出其他問題，例如，不同的任務(wù)間具有不同的通信模型、存儲(chǔ)器模型和調(diào)試環(huán)境，但這些問題總是能夠解決的。

小結(jié)

　　如果這些最終會(huì)到來，那么，一名經(jīng)驗(yàn)豐富的嵌入式程序員該如何應(yīng)對(duì)? 您可以從Web編程、服務(wù)器甚至業(yè)余愛好者使用的開發(fā)環(huán)境中研究這些語言。您可以在下一項(xiàng)目中，嘗試在C++和解析語言中開發(fā)組件。這需要時(shí)間學(xué)習(xí)，但是獨(dú)立并行開發(fā)是值得的。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第18頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。