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語言和時下其他較為流行的編程語言比較，分析了各自的優(yōu)缺點和未來發(fā)展趨勢。

　　您在下一項目編程時所使用的最佳語言是什么? 如果您是一名嵌入式系統(tǒng)設計人員，可能認為這一問題實在可笑。您會使用C語言，如果希望加強管理，則會使用C衍生的C++。可能會有一些關鍵代碼片段是以匯編語言編寫的，但是，據(jù)Barr集團最近的一項研究表明，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)以及新體系結構讓C松開了在嵌入式軟件上的“抓手”。據(jù)最近的一項研究表明，嵌入式計算語言發(fā)展最快的是Python，當然還有很多其他參與競爭的語言，只是這些語言仍然占少數(shù)。但是逐漸地，一直堅持使用C/C++的程序員像20年前匯編語言專家那樣開始冒險——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算機領域的效能。

C語言在嵌入式領域中的地位受到?jīng)_擊

　　嵌入式算法變革的一個主要推動力量是其他工作環(huán)境的程序員進入了嵌入式領域。這方面最明顯的是剛畢業(yè)的學生進入職場。以前，剛畢業(yè)的學生在C課程中學會了編程，會用C或者C++完成他們的大部分項目。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，大部分計算機科學課程使用Python作為他們的入門語言。”計算機科學專業(yè)畢業(yè)的學生很有可能在Python、Ruby以及幾種腳本語言上有豐富的經(jīng)驗，但是他們可能從未認真地使用過C語言。同時，其他影響也越來越多。使用Android作為平臺進行相關的或者用戶友好的嵌入式設計，為Android的自然語言——Java，帶來了機會。在這一復雜景象的另一端，機器人、無人機或者相似的小項目業(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)驗會體現(xiàn)在非常緊湊和簡單的程序發(fā)生器或者B#等小型語言環(huán)境里。

　　這一現(xiàn)象對物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的廣泛研究也產(chǎn)生了影響，網(wǎng)絡開發(fā)人員也參與到討論中。他們認為，如果嵌入式系統(tǒng)的外部接口是RESTful Web，編程語言應該是JavaScript或者其服務器側相關的Node.js。熱衷于使用C語言進行開發(fā)的人員應該觀察一下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展平臺，據(jù)跟蹤調查網(wǎng)站modulecounts.com，在任何編程語言中，該平臺的輔助支持系統(tǒng)增長是最快的。

　　選擇Node.js的動機部分是源自文化，但是也有體系結構方面的因素。IoT會在客戶側、互聯(lián)網(wǎng)以及服務器側之間分配其嵌入式系統(tǒng)任務。其中，客戶側連接實際環(huán)境，通常要求盡可能少地采用硬件?？蛻魝群茏匀坏夭捎糜布Ｓ脦熘С值腤eb應用程序，而服務器側則是服務器應用程序。這樣，對于Web程序員，在IoT系統(tǒng)編程中很顯然會使用JavaScript和Node.js。

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

強烈的動機

　　那么這些新人們?yōu)槭裁床混o下心來學習C語言呢? Stewart說：“真正的原因在于開發(fā)人員的效能?！狈磳語言的人一直認為這種語言編寫慢，容易出錯，會帶來意想不到的硬件相關問題，并且除了最初的程序員，其他人很難讀懂它。這些因素會對提高設計效能產(chǎn)生不利影響。而很多最近出現(xiàn)的語言逐步轉向快速學習和高效的代碼重用。雖然目前幾乎所有語言都受益于C語言高度簡潔的語法，但現(xiàn)在的重點已經(jīng)轉回可讀性，而不是最少字符數(shù)。不但在現(xiàn)代語言中鼓勵實現(xiàn)協(xié)調一致的文檔，而且結構化約定也通常會這樣定義文檔。C程序員一直把這類文檔看成是自由表述的例子，因為作者自己不會牽連其中。例如，這些約定使得實用工具程序能夠從Python組件的結構化注釋中生成用戶手冊。

　　現(xiàn)代語言還采用了高級數(shù)據(jù)結構，可以在C++環(huán)境中建立任何對象，并重用它。基于指針，Python還提供自然List和Dictionary數(shù)據(jù)類型。而Ruby等其他語言，基本上是面向對象的，支持結構和重用，這使其可以融入到程序員的習慣中。

　　影響了現(xiàn)代語言是否易于重用的另外兩個重要因素是動態(tài)輸入和模塊化。動態(tài)輸入是一個很有爭議的因素。當程序員在使用變量時，解釋程序確定程序員傳送給表達式的數(shù)值的當前數(shù)據(jù)類型——幾乎所有這些服務器側語言都是解釋性的，而不是編譯的。然后，解釋程序會選擇相應的操作，評估含有該數(shù)據(jù)類型的表達式。這樣，程序員不用太過擔心他要調用的函數(shù)需要的是整數(shù)變量還是實數(shù)變量。但是，嵌入式程序和代碼可靠性專家很快指出，動態(tài)輸入在運行時實際上效率不高。另一個因素是部分程序員對模塊化的偏見。有時候會有人說，Python編程實際上不是編程，而是腳本，是把別人用C語言編寫的函數(shù)調用或串起來。

　　可讀性、協(xié)調一致的文檔、動態(tài)輸入以及函數(shù)大量的重用等，催化了開源領域中輔助支持系統(tǒng)的爆發(fā)。程序員本能地會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，他們會回到庫中工作。結果，庫會越來越大(npm目前大概有25萬個組件)。這些大規(guī)模的輔助支持系統(tǒng)也相應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，但也有缺點。要想在嵌入式計算領域占據(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行時程序包，包括解釋程序本身、工作存儲、動態(tài)輸入開銷和運行時庫等，都要適配到嵌入式系統(tǒng)中。基本上，所有這些會非常緊湊，某些Java虛擬機可以裝入到幾十K字節(jié)中，但是Node.js、Python以及來自服務器側相似的語言需要自己的空間。一個兼容性還可以的Python虛擬機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(源程序或者預處理過的中間級代碼)需要解析它、進行運行時檢查以及調用執(zhí)行所需操作的例程。在C語言中，這會導致一行代碼有很多操作，編譯成很多機器語言指令。執(zhí)行時間和能耗的成本都會增加。

　　在運行時效率方面，可以使用即時(JiT)編譯器進行改進。一個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器指令，因此，后續(xù)的代碼能夠更快地執(zhí)行。Stewart說：“JiT技術非常有趣，PyPy JiT編譯器把Python執(zhí)行速度提高了兩倍?！睂τ谛史矫?，還研究了其他方法。例如，如果函數(shù)是無阻塞的，或者使用了信令機制，有很多函數(shù)調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，可以在一個組件上應用很多多線程內(nèi)核——這是高性能計算已經(jīng)研究應用的方向。更進一步，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。某些團隊則尋求在硬件加速器中實現(xiàn)庫或者組件，例如，圖形處理單元(GPU)、Xeon Phi和FPGA。實際上，解釋程序本身就會有適合加速的任務。

　　服務器側語言遇到的其他困難是缺少處理實際環(huán)境的結構。在服務器環(huán)境中，除了網(wǎng)絡和存儲，沒有實時限制，也沒有I/O?？梢酝ㄟ^幾種方式來解決這一問題。

　　最簡單的是，Android環(huán)境以硬件幾乎無關的抽象方式包封Java代碼：具有圖形、觸摸屏、音頻、視頻、多個網(wǎng)絡以及物理傳感器的虛擬機。對于更強調物理I/O，甚至能夠在微控制器上運行的輕型平臺，提供嵌入式Java。

　　Python等語言需要不同的方法。由于CPython解釋程序運行在Linux上，因此，原理上能夠運行在有足夠速度和物理存儲器的任何嵌入式Linux系統(tǒng)中。在這方面已經(jīng)有了工作基礎，通過減小裝入時間開銷，為物理I/O訪問提供功能，使用硬件加速器，進一步適應CPython，運行時系統(tǒng)適應實時約束。最新的一個實例是STM32微控制器的裸金屬Micro 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準不鼓勵甚至禁止使用未經(jīng)正式認證或者全面測試的開源代碼。這些限制使得不可能重用組件，或者重用組件過于復雜，對效能的提高不大。同樣等級的詳細檢查也延伸到虛擬機等開源環(huán)境中。在可靠和安全大環(huán)境下，CPython等開源平臺很容易受到攻擊。

未來的編程語言發(fā)展方向

　　最后，考慮到有眾多的推動力量促使新語言進入嵌入式世界中，可以預見到會有多語系統(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鍵庫，或者方便某類開發(fā)人員使用。當然，您可以在不同的CPU內(nèi)核上放置幾種虛擬機，在一個內(nèi)核管理程序下相統(tǒng)一，然后，通過函數(shù)調用，為任務間消息的傳送提供約定。但是，這樣的系統(tǒng)最終會非常大。

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

小結

　　如果這些最終會到來，那么，一名經(jīng)驗豐富的嵌入式程序員該如何應對? 您可以從Web編程、服務器甚至業(yè)余愛好者使用的開發(fā)環(huán)境中研究這些語言。您可以在下一項目中，嘗試在C++和解析語言中開發(fā)組件。這需要時間學習，但是獨立并行開發(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，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。