嵌入式系統開發2 - 靈活應對變化

面對嵌入式系統挑戰的原則

嵌入式系統開發過程常被比喻為拼圖，一個個相互契合的組件形成完整系統。有時，你可能會強行將不匹配的組件拼在一起，但結果卻與預期的圖像不符。我們應該拋棄將開發最終結果視為單一版本程式碼的想法，嵌入式系統的開發更像是隨著時間變化的拼圖，涵蓋了概念、原型設計、硬體啟動、除錯、測試、發佈、維護等階段，並且會不斷重複這些過程。

彈性設計與系統模組化

在嵌入式系統中，彈性設計不僅是讓程式碼能夠解決當下的問題，更重要的是確保系統在整個生命週期中能夠靈活應對變化。我們的目標是保持足夠的彈性，在有限的資源下滿足產品需求，並應對嵌入式系統中固有的其他問題。

為了提升系統的靈活性，我們可以從軟體設計中借鑒一些優秀的設計原則。

• 模組化設計是將功能拆分成子系統，各子系統的資料彼此隱藏起來。
• 透過封裝，我們建立子系統之間的接口，使得各子系統對彼此的了解降到最低。
• 當我們的子系統之間是鬆耦合的時候，我們就可以在修改某一部分程式碼時，確保不會影響其他部分，這樣當需要時，我們可以重新組裝系統。

如何進行系統拆分

系統拆分需要經驗，但有一個簡單的準則：考慮哪些部分可以獨立變動。

在嵌入式系統中，這往往可以通過物理硬體來幫助識別。舉例來說，如果一個感測器 X 透過通訊通道 Y 進行數據傳輸，那麼感測器和通道可以視為兩個獨立的子系統，也是程式碼模組化的良好候選對象。

測試與品質控制

一旦我們將系統拆解成獨立的物件或模組，就可以針對每個模組進行測試。越早發現並修正錯誤，成本越低，對所有人都有利。因此，不要等待別人為你發現問題，測試和品質控制應該是你開發過程中的一部分。

寫程式時，應考慮如何測試它。為系統編寫測試程式不僅能提高程式品質，還可以作為文件，讓其他人更容易理解你的程式。此外，這會讓人覺得你是一個高水準的開發者。

文件與程式碼注解

另一個減少錯誤的方式是對程式碼進行適當的註解(comment)。然而，記錄程式碼時，要掌握適當的細節層次。例如：

i++; // 增加索引值

這類註解毫無意義，因為它無法提供額外的資訊。

註解的目標是為未來的自己或其他開發者提供清晰的上下文。假設你在一年後再次看到這段程式碼，已經忘記了當時的解決方案，註解應該幫助你重新理解這段程式碼的用意。註解應該描述程式碼的意圖(intent)，而非操作過程。

延後最佳化

在資源受限的系統中，提早最佳化的誘惑是很大的。然而，你應該抵制這種衝動。首先實作出功能，確保其正常運行並經過測試，然後再針對需要的部分進行優化。

時間和資源有限，因此應優先關注主要的資源消耗者。優化一個很少執行的函數並無多大價值，如果另一個常執行的函數占用了大量處理時間，那麼這才應該是優化的重點。儘管在嵌入式系統中，某些程度的最佳化是不可避免的，但必須在了解資源使用狀況後再進行調整。

避免過早最佳化

Donald Knuth

如著名的電腦科學家 Donald Knuth 所言：「過早最佳化是萬惡之源。」大多數情況下，我們應該專注於解決大部分問題，而非沉迷於微小的效率提升，這樣可以避免將精力浪費在不必要的細節上。

We should forget about small efficiencies, say about 97% of the time: premature optimization is the root of all evil. —Donald Knuth

仔細理解這句話時，可以從以下幾個角度進行分析：

1. 避免優化錯誤的地方

在開發初期，你可能並不完全了解系統的性能瓶頸在哪裡。如果在這時過早對某些部分進行優化，很可能會浪費大量時間，最終發現優化的地方其實對整體性能影響不大。而這樣的優化可能會讓程式碼變得更複雜、難以理解，甚至引入新的錯誤。

2. 專注於正確的功能

Knuth的建議是先讓系統運行起來，專注於實現功能並確保其正確性。當系統的主要功能完成後，再回頭優化那些真正需要優化的部分。這樣可以避免因過度關注效能導致的資源浪費，並確保系統具備穩定性和可維護性。

3. 合理分配時間與資源

Knuth強調不要在小的效能優化上浪費太多時間，應該將精力集中在那些真正需要解決的問題上。在資源有限的情況下，開發者應該優先完成能夠產生最大效益的工作，而非陷入微小的效能改進中。

4. 最佳化是針對瓶頸的

優化應該基於分析和數據支撐，專注於系統的真正瓶頸部分。例如，先完成所有功能，進行性能測試，然後根據結果來決定哪部分需要優化。這種方法可以有效避免無謂的「小優化」而導致系統混亂和不可預測的行為。

實例：嵌入式系統開發中的模組化應用

在開發一個智慧農業系統時，團隊將土壤濕度感測器、溫度感測器和無線通訊模組拆分成獨立的模組。這些模組之間通過定義良好的接口進行通信。當需要升級無線通訊模組時，其他感測器模組並未受到影響，團隊僅需專注於通訊模組的調整，節省了大量開發和測試時間。

另一個例子是在汽車電子系統中，團隊將引擎控制、溫度監控和安全系統分別作為獨立的模組進行開發。這使得當引擎控制系統需要調整時，安全系統和溫度監控系統仍然能保持穩定運行，降低了系統崩潰的風險。

這些原則和實例展示了嵌入式系統開發的挑戰和應對策略，有效應用這些設計原則能夠大幅提升系統的靈活性和可靠性。