embedded cpp

In der Embedded-Welt bezieht sich „embedded cpp“ auf die Verwendung von C++ in Systemen, bei denen Ressourcen wie Rechenleistung, Speicher und Energie begrenzt sind. Es wird in Mikrocontrollern und eingebetteten Prozessoren eingesetzt, die in vielen Geräten wie Autos, Smartphones, IoT-Geräten und medizinischen Geräten vorkommen.

1. Besonderheiten der Entwicklung in Embedded Cpp:

Kompakte Codegröße: Embedded-Systeme haben oft sehr begrenzte Speicherressourcen (RAM und Flash-Speicher). Daher müssen Entwickler sicherstellen, dass der Code effizient ist und wenig Speicher verbraucht. Das kann bedeuten, dass weniger abstrakte Features von C++ verwendet werden, wie zum Beispiel Vererbung oder umfangreiche Standardbibliotheken.
Echtzeitanforderungen: Viele eingebettete Systeme müssen Echtzeitanforderungen erfüllen, was bedeutet, dass sie innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine Aufgabe erledigen müssen. Die Verwendung von C++ in solchen Systemen erfordert eine präzise Kontrolle über den Code und das Timing, um sicherzustellen, dass die Echtzeitvorgaben eingehalten werden.
Hardware-Nähe: Embedded C++ ermöglicht es, direkt mit der Hardware zu kommunizieren, beispielsweise durch direkte Manipulation von Registern oder das Ansprechen von Peripheriegeräten. Dabei wird häufig auf niedriger Ebene gearbeitet (z.B. Bitmanipulationen).

2. Einsatz von Cpp in Embedded Systems:

OOP (Objektorientierte Programmierung): C++ erlaubt die Verwendung von objektorientierten Prinzipien wie Klassen und Vererbung, was bei komplexeren Systemen von Vorteil sein kann. Ein einfaches Beispiel:

class MotorController {
public:
    void start() {
        // Motor Start Code
    }
    void stop() {
        // Motor Stop Code
    }
};

Vermeidung von Standardbibliotheken: Die Standardbibliothek von C++ (STL) ist häufig zu ressourcenintensiv für Embedded-Systeme. Dinge wie std::vector, std::map und dynamische Speicherzuweisungen werden vermieden, weil sie Speicher verschlingen und die Laufzeit nicht vorhersagbar machen können. Stattdessen wird oft mit Arrays und anderen einfachen Datenstrukturen gearbeitet.
Direkte Hardwaresteuerung: Durch den direkten Zugriff auf Register und Peripheriegeräte wird in Embedded C++ häufig Code wie dieser verwendet:

volatile uint32_t* const GPIO_PIN = reinterpret_cast<volatile uint32_t*>(0x40020014);

*GPIO_PIN = 0x01;  // Setzt das GPIO-Pin auf HIGH

Hier ist der direkte Zugriff auf die Hardwareadresse eines GPIO-Pins zu sehen.

3. Wichtige Aspekte der Entwicklung:

Speicherverwaltung in Embedded Cpp:

In Embedded-Systemen ist die Verwaltung von Speicher besonders kritisch. Diese Systeme verfügen in der Regel nur über sehr begrenzte Ressourcen, sowohl in Bezug auf RAM als auch Flash-Speicher. Hier einige wichtige Überlegungen und Techniken:

Speicherlayout und Segmentierung:

Die meisten Embedded-Umgebungen verwenden ein statisches Speicherlayout, das explizit im Linker-Skript definiert ist. Das bedeutet, dass du genau angeben musst, wie der Speicher aufgeteilt wird (z.B. für Code, Daten, Stack, Heap).

Stack: Der Stack wird in der Regel für lokale Variablen und Rücksprungadressen genutzt. Es ist wichtig, die Stackgröße sehr sorgfältig zu dimensionieren, um Stacküberläufe zu vermeiden.
Heap: Dynamische Speicherallokationen (z.B. mit new oder malloc) werden normalerweise in Embedded-Systemen vermieden, weil sie dazu führen können, dass Speicher fragmentiert wird und es schwierig wird, den Speicherverbrauch im Voraus zu planen.

Ein einfaches Beispiel für einen Linker-Skript-Auszug könnte so aussehen:

SECTIONS {
    .text : { *(.text) }
    .data : { *(.data) }
    .bss : { *(.bss) }
}

Dies weist den Linker an, den Code (.text), initialisierten Daten (.data) und nicht initialisierte Daten (.bss) an festgelegte Speicheradressen zu platzieren.

Direktzugriff auf Hardware:

Ein wichtiger Aspekt der Speicherverwaltung in Embedded-Systemen ist der Direktzugriff auf spezifische Speicheradressen, um mit der Hardware zu kommunizieren. In C++ bedeutet das, dass du in der Regel volatile Variablen verwenden musst, um sicherzustellen, dass der Compiler keine Optimierungen vornimmt, die den direkten Zugriff auf Hardware verhindern könnten.

Beispiel: Zugriff auf ein Hardware-Register:

volatile uint32_t* const UART_STATUS_REG = reinterpret_cast<volatile uint32_t*>(0x4000C000);
volatile uint32_t* const UART_DATA_REG = reinterpret_cast<volatile uint32_t*>(0x4000C004);

// Status überprüfen und Daten senden
if (*UART_STATUS_REG & 0x01) {  // Wenn der UART bereit ist
    *UART_DATA_REG = 'A';  // Sende Zeichen 'A'
}

volatile stellt sicher, dass der Compiler den Wert der Register bei jedem Zugriff neu liest und nicht optimiert.

Vermeidung von Features mit hohem Overhead:

In Embedded C++ sind bestimmte C++-Features wie RTTI (Run-Time Type Information) und Exceptions aufgrund ihres Speicher- und Performance-Overheads in der Regel nicht erwünscht.

Vermeidung von Exceptions:

Exception-Handling in C++ erfordert komplexe Datenstrukturen und Mechanismen wie Stack unwinding, was in Embedded-Umgebungen eine enorme Leistungseinbuße verursachen kann. Daher verzichten viele Embedded-Programmierer auf try/catch-Blöcke und verwenden stattdessen Fehlercodes oder Statusvariablen.

Beispiel ohne Exceptions:

int divide(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        return -1;  // Fehlercode für Division durch Null
    }
    return a / b;
}

Vermeidung von RTTI:

C++ bietet die Möglichkeit, zur Laufzeit Informationen über den Typ eines Objekts zu erhalten (z.B. mit typeid). Diese Funktionalität benötigt zusätzliche Datenstrukturen und ist daher in Embedded-Systemen unpraktisch.

In C++ kann RTTI durch eine einfache Klasse ersetzt werden, die den Typ explizit angeben kann.

Vermeidung der Standardbibliothek (STL):

Die Standardtemplatebibliothek (STL) bietet viele nützliche Datenstrukturen wie std::vector, std::map und Algorithmen wie std::sort. Aber diese sind für Embedded-Systeme aufgrund ihres Overheads in Bezug auf Speicherverbrauch und Performance ungeeignet.

Anstatt std::vector wird oft auf einfache Arrays oder statische Datenstrukturen zurückgegriffen.

// Statt std::vector verwenden wir ein einfaches statisches Array:
#define MAX_SIZE 100
int array[MAX_SIZE];

Real-Time-Programmieransätze:

Echtzeitverhalten (RTOS oder Bare-Metal) ist ein zentrales Thema in Embedded Cpp. Hier sind einige Aspekte, die du beachten solltest:

Echtzeitbetriebssystem (RTOS):

Ein Echtzeitbetriebssystem bietet Funktionen wie Task-Scheduling, Prioritäten und Interprozesskommunikation. Ein typisches RTOS für Embedded-Systeme könnte FreeRTOS, ChibiOS oder embOS sein. Hier ein einfaches Beispiel, wie du eine Aufgabe in einem RTOS (z. B. FreeRTOS) erstellst:

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

// Aufgabe, die alle 500ms eine Nachricht ausgibt
void vTaskFunction(void* pvParameters) {
    while (true) {
        printf("Hello from Task!\n");
        vTaskDelay(500);  // Warte 500ms
    }
}

int main() {
    xTaskCreate(vTaskFunction, "Task", 128, NULL, 1, NULL);
    vTaskStartScheduler();
    return 0;
}

Das RTOS übernimmt das Task-Scheduling, d.h., es sorgt dafür, dass vTaskFunction regelmäßig alle 500ms ausgeführt wird, während andere Tasks ebenfalls ausgeführt werden können.

Bare-Metal (kein RTOS):

In Bare-Metal-Systemen gibt es kein Betriebssystem, und der Entwickler muss sich direkt um die Task-Scheduling-Logik kümmern. In solchen Systemen müssen Interrupts und Timings manuell verwaltet werden. Hier ein einfaches Beispiel für ein Timer-basiertes Polling:

volatile bool timerFlag = false;

void Timer_ISR() {
    timerFlag = true;  // Setzt Flag, wenn der Timer auslöst
}

int main() {
    while (true) {
        if (timerFlag) {
            timerFlag = false;
            // Code ausführen, wenn der Timer ausgelöst wurde
        }
    }
}

In einem Bare-Metal-System musst du alle Interrupts und Timings selbst steuern, während ein RTOS dir viel Arbeit abnimmt.

Energieeffizienz und Optimierung:

Da viele Embedded-Systeme in batteriebetriebenen Geräten eingesetzt werden, ist die Energieeffizienz ein kritischer Aspekt. Hier einige Strategien zur Reduzierung des Energieverbrauchs:

Sleep-Mode und Low-Power-Modi: Mikrocontroller bieten oft verschiedene Energiesparmodi. Der Code muss so geschrieben sein, dass der Mikrocontroller in den Sleep-Mode versetzt wird, wenn keine Aufgaben anstehen.
Optimierung von Schleifen und Algorithmen: Häufig werden Schleifen, die nicht notwendig sind, minimiert oder entfernt, um Energie zu sparen. Ebenso werden Algorithmen oft auf ihre Effizienz überprüft, um sowohl Rechenleistung als auch Energie zu sparen.
Hardware-basierte Energiespartechniken: Viele Mikrocontroller bieten hardwareseitige Funktionen, um die Energie zu steuern, wie z.B. das Abschalten von nicht benötigten Peripheriegeräten.

4. Entwicklungsumgebung:

Typische Entwicklungsumgebungen für Embedded C++ umfassen:

IDE und Toolchains:
- Keil µVision (ARM-basierte Mikrocontroller)
- IAR Embedded Workbench
- Eclipse mit ARM-GCC für ARM-Mikrocontroller
Debugger und Emulatoren:
- JTAG und SWD für die Hardware-Debugging
- Hardware-Debugger wie ST-Link oder J-Link

Fazit:

Embedded Cpp ist eine kraftvolle Sprache für die Entwicklung von Software für eingebettete Systeme. Sie bietet die Flexibilität von C++ mit der Möglichkeit, sowohl hardware-nahe als auch software-seitige Entwicklung durchzuführen. Dennoch muss bei der Arbeit mit Embedded C++ oft auf den Overhead der Sprache geachtet werden, um sicherzustellen, dass die Systeme effizient und stabil bleiben.