使用C++ 编写嵌入式应用程序

大多数嵌入式工程师使用C语言来编写Cortex-M系列MCU 的程序，大家总觉得C++是用来编写Windows 或者Linux 应用程序的。特别是硬件工程师，也许压根就没有使用C++来编写程序。

当我们阅读Mbed OS 的代码时却发现，许多是使用C++来编写的。C++是一种功能强大的面向对象的程序设计语言，在嵌入式系统软件开发中使用C++，会获得意想不到的简洁和喜悦。

事实上，arduino 的程序设计语言也是C/C++。在arduino中也可以设计C++的类。许多arduino的库都是C++的类。Arm keil 中的MDK-ARM V5.14 也支持C++程序设计语言。

但是身边的嵌入式工程师使用C++语言特性的并不多见。

C++ for embedded system

下面我们就从嵌入式程序员的角度来谈谈C++。

对C++语言的误解

对于嵌入式程序员来讲，对C++语言有一些误解：

C++太慢
C++ 生成的目标代码过于庞大
C++ 不是ROMable的
C++ 库过于庞大
抽象造成了低效率
虚拟函数太慢

所以这些观点都是错误的。据有关文献表明，C++的源代码可能比C++程序多一些，但是目标代码并不比C语言产生的代码大和慢。最多只有10%的差异。

C++的版本

C++ 是一种面向对象的程序设计语言，它是1979年美国贝尔实验室在C语言的基础上发展起来的。国家标准化组织对C++建立了标准化，之前稳定的版本是C++98版本。 C++的版本为C++11 是ISO 2011年的标准版本，C++14 是2014年的标准版本，C++17 是2017年的标准版本。

C++是C语言的一个超集，所以在C++编译环境下，我们依然可以使用C编写程序。

扫描二维码关注公众号，回复： 3857693 查看本文章

C++ 的特点

C++和C最大的区别就是C++是面向对象的程序设计语言。而C是面向过程的程序设计语言。通俗地讲，C++是以数据为中心的，而C是以流程为中心的。学习C++ 程序设计的关键不是去熟悉C++的语法，而是要从以流程为中心转向对象为中心的思维模式。

C++最重要的概念就是类和对象。

对象(Objects)是要程序处理的任何一个物体，我觉得可以翻译成物体，事物等等。面向对象，台湾翻译成物件导向，我觉得更为贴切一点。对于嵌入式程序而言，软件更加接近物理物体。比如一个引脚，一个马达，一个SPI端口，甚至于一台CNC机床，一台注塑机。在C++ 程序中都被看做一个和多个对象。

它是如何做到的呢？使用的最基本的方法就是简化和抽象。在面向对象的程序设计语言中，将对象抽象成了一组数据，以及对这些数据操作的函数，并称之为类（class）。

形式上，就好比将几个函数加入到了结构类型（struct）中。在 C 中，结构是数据的凝聚，它将数据捆绑在一起，使得我们可以将它们看作一个包。它们的处理可能在其它的地方。然而将函数也放在这个包内，结构就变成了新的创造物，它既能描述属性（就像 C中的 struct 能做的一样），又能描述行为，这就形成了对象的概念。对象是一个独立的有约束的实体，有自己的记忆和活动。

为了加深印象，我们来举一些例子：

例如：我们来定义一个循环缓冲区类：

循环队列是嵌入式程序设计中常用的数据结构，例如在串口UART通信中，如果使用终端方式就需要使用循环队列。它大概需要下面几个数据结构和操作：

缓冲区buffer
输入指针 input_index;
输出指针 output_index;
计数器 counter

操作程序包括

init()
put(char v)
char get()

C语言的代码为：

uint8_t buffer[SIZE];
int input_index;
int output_index;
int counter
void init()
{
input_index=0;
output_index=0;
counter=0;
}
void put(uint8_t value)
{
buffer[input_index++]=value;
if (input_index==SIZE-1) input_inedx=0;
counter++;
}
uint8_t  get(){
int temp;
temp=buffer[output_index++];
if (output_index==(SIZE-1))
   output_index=0;
counter--;
}

如果使用C++来编写一个循环队列的类：

class circular_buffer {
public：
 circular_buffer();
put(uint8_t val);
 uint8_t get();
private:
 int input_index;
 int output_index;
 int buffer[SIZE];

}
circular_buffer:: circular_buffer()
{
  input_index=0;
  output_index=0;
  counter=0;

}
void  circular_buffer:: put(uint8_t value)
{
buffer[input_index++]=value;
if (input_index==SIZE-1) input_inedx=0;
counter++;
}
uint8_t  circular_buffer:: get(){
int temp;
temp=buffer[output_index++];
if (output_index==(SIZE-1))
   output_index=0;
counter--;
}

对象是类的实例，就好比变量是类型的实例。上面的类实例化

circular_buffer mybuffer;

从形式上看，没有太多的变化，实际上，我们使用Class 描述的循环队列，不那么凌乱。更像是一个硬件的元器件。面向对象程序设计是我们用更接近物理特性的方式来描述物件。用类描述的循环缓冲区更像一个硬件器件。这才是OOP 的独特魅力。

如果我们在程序中使用多个循环缓冲区的话，使用类（CLASS）就显得简洁了，只要写成：

circular_buffer inputBuffer;
circular_buffer outputBuffer;

通过C++ 的类，我们将循环缓冲区变成了像一个元器件，我们不在需要关心内部的实现细节，而只需要关心它给使用者呈现出来的性能就可以了。我们也可以使用一个符号来表示。

circular buffer

我们有必要再去学习C++呢？我也疑惑过，以至于很长时间没有去关心Arm公司C++编译器。直到Mbed OS 中大量地使用C++来编写程序，才开始认真地开始研究C++在嵌入式程序设计中的应用。

从C语言转向C++，不仅仅是你要学习新的语言规则，而是要改变编程的思维方式。最有价值的可能不是那些已存在的代码库（给出合适的工具，可以转变它），而是已存在的头脑库。一旦从C语言面向过程的方式转变为面向对象程序设计方式。你的效率会大大提高。所以C程序员学习C++的一项值得的投资。程序员是在用问题空间的术语描述问题的解（例如“把锁链放在箱子里”），而不是用计算机的术语，也就是解空间的术语，描述问题的解（例如“设置芯片的一位即合上继电器”）。程序员所涉及的是较高层的概念，一行代码能做更多的事情。

在MBed OS 中，硬件接口都是使用类来定义。使程序员不需要关注细节，就可以直接访问和控制硬件电路。例如下面这些都是接口类。

DigitalOut 数字输出类

构造函数

DigitalOut myled(PF_14); 它真正指定了STM32F429 的一个GPIO 脚

成员函数

write (int value);

read ();;

使用方式：

 myled.write(1);
   myled=1;
   myled=!myled;

看到了吧？使用C++定义的硬件类，使我们控制GPIO 变得非常的方便。

使用C++ 的类，和类似硬件设计那样，利用简单的功能电路构造构建了一个功能更强大，更智能的硬件零部件。在modular-2 电脑中，所有的I/O 接口板都对应封装了一个接口类(interface Class).将硬件抽象成了软件的类。

IOmoduleClass

应用程序不再需要了解IO 模块的硬件细节，只要了解接口类就好了。正是由于Mbed OS 使用了C++类来设计API。才成就了Mbed OS 简单易学的特色。

C++ 的类是软件模块化设计的基石。使用类，可以几乎描述所以的物理部件的特性，比如步进电机，ADC 等等。

现在，我爱使用C++ 编写嵌入式程序，这个过程和使用各种元器件搭建PCB板，然后构成一个设备非常相似。编写一个好的类，就好像设计了一个芯片。既可以自己使用，也可以给朋友分享。