嵌入式開發(fā)中常用的軟件工程方法有哪些？

大家好，我是雜燴君。

在嵌入式開發(fā)里，有哪些常用的軟件工程方法呢？

一、面向對象編程（OOP）

盡管 C 語言并非面向對象編程語言，但借助一些編程技巧，也能實現(xiàn)面向對象編程（OOP）的核心特性，如封裝、繼承和多態(tài)。

1. 封裝

封裝是把數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的函數(shù)捆綁在一起，對外部隱藏內部實現(xiàn)細節(jié)。在嵌入式 C 語言中，可通過結構體和函數(shù)指針來實現(xiàn)封裝。

#include<stdio.h>

// 定義一個LED結構體
typedefstruct?{
? ??int?pin;
? ??void?(*turnOn)(struct LED*);
? ??void?(*turnOff)(struct LED*);
} LED;

// 實現(xiàn)LED開啟函數(shù)
voidledTurnOn(LED* led){
? ??printf("LED on pin %d is turned on.n", led->pin);
}

// 實現(xiàn)LED關閉函數(shù)
voidledTurnOff(LED* led){
? ??printf("LED on pin %d is turned off.n", led->pin);
}

// 初始化LED
voidledInit(LED* led,?int?pin){
? ? led->pin = pin;
? ? led->turnOn = ledTurnOn;
? ? led->turnOff = ledTurnOff;
}

intmain(void){
? ? LED myLed;
? ? ledInit(&myLed,?13);
? ? myLed.turnOn(&myLed);
? ? myLed.turnOff(&myLed);
? ??return0;
}

LED結構體封裝了pin數(shù)據(jù)和turnOn、turnOff函數(shù)指針。ledInit函數(shù)用于初始化LED結構體，把具體的函數(shù)賦值給函數(shù)指針。外部代碼僅能通過這些函數(shù)指針來操作LED，而無需了解內部實現(xiàn)細節(jié)。

2. 繼承

繼承是指一個對象直接使用另一對象的屬性和方法。在嵌入式 C 語言中，可通過結構體嵌套實現(xiàn)繼承。

#include<stdio.h>

// 定義一個基類結構體
typedefstruct?{
? ??int?id;
? ??void?(*printInfo)(struct Base*);
} Base;

// 實現(xiàn)基類的打印信息函數(shù)
voidbasePrintInfo(Base* base){
? ??printf("Base ID: %dn", base->id);
}

// 定義一個派生類結構體
typedefstruct?{
? ? Base base;?// 繼承Base結構體
? ??char* name;
} Derived;

// 實現(xiàn)派生類的打印信息函數(shù)
voidderivedPrintInfo(Derived* derived){
? ? basePrintInfo(&derived->base);
? ??printf("Derived Name: %sn", derived->name);
}

// 初始化基類
voidbaseInit(Base* base,?int?id){
? ? base->id = id;
? ? base->printInfo = basePrintInfo;
}

// 初始化派生類
voidderivedInit(Derived* derived,?int?id,?char* name){
? ? baseInit(&derived->base, id);
? ? derived->name = name;
? ? derived->base.printInfo = (void?(*)(Base*))derivedPrintInfo;
}

intmain(void){
? ? Derived myDerived;
? ? derivedInit(&myDerived,?1,?"Derived Object");
? ? myDerived.base.printInfo((Base*)&myDerived);
? ??return0;
}

Derived結構體嵌套了Base結構體，從而繼承了Base結構體的屬性和方法。derivedInit函數(shù)在初始化Derived結構體時，會調用baseInit函數(shù)初始化基類部分，并且把printInfo函數(shù)指針指向derivedPrintInfo函數(shù)。

3. 多態(tài)

多態(tài)是指不同對象對同一消息做出不同響應。在嵌入式 C 語言中，可通過函數(shù)指針實現(xiàn)多態(tài)。

#include<stdio.h>

// 定義一個基類結構體
typedefstruct?{
? ??void?(*operation)(struct Base*);
} Base;

// 定義一個派生類1結構體
typedefstruct?{
? ? Base base;
} Derived1;

// 定義一個派生類2結構體
typedefstruct?{
? ? Base base;
} Derived2;

// 派生類1的操作函數(shù)
voidderived1Operation(Base* base){
? ??printf("Derived1 operation.n");
}

// 派生類2的操作函數(shù)
voidderived2Operation(Base* base){
? ??printf("Derived2 operation.n");
}

// 初始化派生類1
voidderived1Init(Derived1* derived1){
? ? derived1->base.operation = derived1Operation;
}

// 初始化派生類2
voidderived2Init(Derived2* derived2){
? ? derived2->base.operation = derived2Operation;
}

// 執(zhí)行操作
voidperformOperation(Base* base){
? ? base->operation(base);
}

intmain(void){
? ? Derived1 myDerived1;
? ? Derived2 myDerived2;
? ? derived1Init(&myDerived1);
? ? derived2Init(&myDerived2);

? ? performOperation((Base*)&myDerived1);
? ? performOperation((Base*)&myDerived2);
? ??return0;
}

Base結構體包含一個函數(shù)指針operation。Derived1和Derived2結構體繼承了Base結構體，并分別實現(xiàn)了自己的operation函數(shù)。performOperation函數(shù)接收一個Base指針，依據(jù)具體對象調用相應的operation函數(shù)，從而實現(xiàn)了多態(tài)。

二、測試驅動開發(fā)（TDD）

測試驅動開發(fā)（Test-Driven Development，TDD）是一種軟件開發(fā)方法論，它強調在編寫實際功能代碼之前先編寫測試代碼。

TDD 的核心流程遵循 “紅 - 綠 - 重構” 循環(huán)，下面將詳細介紹其原理、流程、優(yōu)勢、局限性以及示例。

TDD 基于 “測試先行” 的理念，開發(fā)者首先明確需求并將其轉化為具體的測試用例。

由于此時還未編寫實現(xiàn)代碼，測試用例必然會失?。ǔ尸F(xiàn) “紅色” 狀態(tài)）。

接著，開發(fā)者編寫最少的代碼使測試用例通過（達到 “綠色” 狀態(tài)）。

最后，對代碼進行重構，在不改變代碼外部行為的前提下優(yōu)化其內部結構，提高代碼的可讀性、可維護性和可擴展性。

實踐：使用Unity測試框架。

Unity 是一個輕量級的測試框架，它使用 C 語言實現(xiàn)， 代碼本身很小 。其代碼中大多數(shù)是宏定義，所以實際編譯后的代碼會更小，?比較適合在嵌入式測試應用。

Unity的使用之前也有簡單分享過：

首先，把Unity源碼目錄下的unity.c、unity.h、unity_internals.h三個文件復制至我們的工程目錄下，并把unity.c添加到我們的keil工程中，然后添加文件路徑：

我們打開unity_internals.h文件，發(fā)現(xiàn)其有包含一個頭文件unity_config.h：

這個文件是配置文件，我們與平臺相關的特性放在這個文件中。而這個文件Unity源碼中并未提供，所以需要我們自己建立，我這邊新建的unity_config.h文件的內容如下：

主要在這里面放了硬件相關的頭文件包含以及兩個必要的宏定義。第一個宏定義用于重定向輸出至串口，第二個宏定義就是我們的串口初始化。

在unity_internals.h中我們發(fā)現(xiàn)unity_config.h文件被條件編譯屏蔽掉了，我們需要定義宏把它打開：

最后在我們的main.c中包含頭文件unity.h即可使用unity測試框架。在unity_internals.h中有很多可修改的配置，比如在不同的平臺中，整數(shù)的長度是不一樣的，在 Unity 中，允許開發(fā)者設置整數(shù)的長度。如果沒有設置， Unity 指定的默認值是 32 位。我們的STM32就是32位的，所以我們不需要修改。

下面開始編寫測試用例。 在 Unity 中，每個測試用例是一個函數(shù)， 該函數(shù)沒有參數(shù)和返回值。下面我們來測試一個閏年判斷函數(shù)：

在測試函數(shù)中用到?TEST_ASSERT_TRUE?和?TEST_ASSERT_FALSE?， ?是 Unity 實現(xiàn)的兩個斷言， 用于判斷 布爾型表達式的值為真或為假。這些測試框架一般都是用斷言來進行測試的，包括以上分享的幾個框架都是如此。本例中只用到了兩個斷言，在 Unity 中還有很多斷言，如下是部分斷言列舉：

Unity 默認需要實現(xiàn)用例初始化函數(shù) setUp 和用例清理函數(shù) tearDown，這兩個函數(shù)均沒有參數(shù)和返回值。 在閏年判斷函數(shù)的測試用例中，由于不需要初始化和清理操作，實現(xiàn)的兩個函數(shù)如下：

在編寫了測試用例后， 接下來就可以在 main 函數(shù)中運行測試用例。在 Unity 中，使用宏?RUN_TEST?運行測試用例，參數(shù)為要運行的測試用例的函數(shù)名稱。主函數(shù)如下：

UNITY_BEGIN函數(shù)就是UNITY初始化函數(shù)，我們的串口初始化也是在這里面被調用的：

RUN_TEST函數(shù)用于運行我們的測試用例。UNITY_END函數(shù)就是返回我們的測試結果。最終，運行得到如下結果：

假如，我們把測試閏年的測試函數(shù)里的2000改為2001：

那么輸出結果就變?yōu)椋?/p>

可以從結果看出沒有通過的用例相關的代碼所在行。在進行這樣子的測試之前，我們當然得要明白我們的功能函數(shù)的功能及其預期輸出，我們才能去進行測試用例的設計及進行測試。

相關書籍：《測試驅動的嵌入式C語言開發(fā)》

三、防御性編程

防御性編程是一種編程范式，旨在通過預見代碼中可能出現(xiàn)的錯誤、異常輸入或未定義行為，提前設計保護措施，確保程序在非預期情況下仍能穩(wěn)定運行、優(yōu)雅降級或清晰報錯，而非崩潰或產生不可控后果。

1. 核心原則

不信任任何輸入：假設所有輸入（包括函數(shù)參數(shù)、用戶輸入、外部接口數(shù)據(jù)等）都是不可信的，必須經過驗證。

最小化潛在危害：通過隔離風險代碼、限制作用域等方式，避免局部錯誤擴散至整個系統(tǒng)。

清晰的錯誤反饋：錯誤發(fā)生時，提供明確的錯誤信息或日志，便于調試定位。

優(yōu)雅降級：無法處理錯誤時，讓系統(tǒng)進入安全狀態(tài)。

2. 最佳實踐

（1） 參數(shù)校驗

函數(shù)入口參數(shù)合法性檢查：

floatsafe_sqrt(float?x){
? ??if?(x <?0) {
? ? ? ??return?NAN; ?// 或觸發(fā)錯誤處理
? ? }
? ??returnsqrt(x);
}

（2）斷言（Assert）

驗證 “不可能發(fā)生” 的假設 ，輔助調試：

#include<assert.h>

voidmemcpy_safe(void* dst,?size_t?dst_size,?constvoid* src,?size_t?src_size)
{
? ? assert(dst !=?NULL?&& src !=?NULL); ?// 指針非空
? ? assert(dst_size >= src_size); ? ? ??// 目標空間足夠
? ??// 實際復制邏輯
}

（3）錯誤碼與錯誤處理

函數(shù)通過返回值或輸出參數(shù)傳遞錯誤狀態(tài)：

enum?error_code {
? ? SUCCESS =?0,
? ? ERR_INVALID_PARAM,
? ? ERR_OUT_OF_MEM
};

enum?error_code?init_device(struct device* dev){
? ??if?(dev ==?NULL)?return?ERR_INVALID_PARAM;
? ??if?(allocate_memory(dev) !=?0)?return?ERR_OUT_OF_MEM;
? ??return?SUCCESS;
}

（4）防御未定義行為

確保整數(shù)除法不溢出：

intdivide_safe(int?a,?int?b){
? ??if?(b ==?0)?return?INT_MAX; ?// 或觸發(fā)錯誤
? ??if?(a == INT_MIN && b ==?-1)?return?INT_MAX; ?// 處理-2147483648 / -1溢出
? ??return?a / b;
}

防止空指針解引用:

voidprint_string(constchar* str){
? ??if?(str ==?NULL) {
? ? ? ??printf("(null)n");
? ? ? ??return;
? ? }
? ??printf("%sn", str);
}

3.防御性測試優(yōu)缺點

四、敏捷開發(fā)

敏捷開發(fā)強調快速迭代、客戶反饋和團隊協(xié)作。在嵌入式開發(fā)中，可將項目拆分成多個小的迭代周期，每個周期都有可運行的版本。

1.迭代開發(fā)與持續(xù)集成

短周期迭代：將項目劃分為多個短周期迭代，每個迭代通常為 1 - 4 周。在每個迭代中，團隊完成一定數(shù)量的用戶故事，交付可運行的產品增量。短周期迭代有助于快速驗證需求和設計，及時調整項目方向。

持續(xù)集成：建立自動化的持續(xù)集成環(huán)境，每次代碼提交后自動進行編譯、測試和集成。在嵌入式開發(fā)中，還需進行硬件集成測試，確保軟件和硬件的兼容性。持續(xù)集成能及時發(fā)現(xiàn)代碼沖突和缺陷，提高代碼質量。

迭代評審與回顧：每個迭代結束后，進行迭代評審會議，向客戶和相關利益者展示迭代成果，收集反饋意見。同時，召開迭代回顧會議，團隊成員總結本次迭代的經驗教訓，提出改進措施，應用于下一次迭代。

五、瀑布模型

瀑布模型是一種傳統(tǒng)的軟件開發(fā)模型，按照線性順序依次進行需求分析、設計、編碼、測試、維護等階段，如同瀑布流水一樣，每個階段完成后才進入下一階段。

瀑布模型作為一種經典的軟件開發(fā)方法，在嵌入式開發(fā)等眾多領域具有顯著的優(yōu)勢。

1.階段明確、順序清晰

瀑布模型的各個階段界限分明，從需求分析、設計、編碼、測試到維護，按照固定的線性順序依次推進。

這種清晰的階段劃分使得項目流程易于理解和管理，每個階段都有明確的輸入和輸出，便于項目團隊成員明確各自的職責和任務。

2.強調文檔化

該模型非常重視文檔的編寫和管理，在每個階段都會產生相應的文檔，如需求規(guī)格說明書、設計文檔、測試報告等。

這些文檔不僅是項目各個階段的重要成果，也是項目團隊成員之間溝通的重要工具，同時還為項目的維護和升級提供了有力的支持。

3.易于控制和管理

由于瀑布模型的線性順序和明確的階段劃分，項目管理者可以很容易地對項目進行監(jiān)控和控制。

每個階段都有明確的里程碑和交付物，管理者可以根據(jù)這些里程碑來評估項目的進度和質量，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應的措施進行調整。

例如，在編碼階段結束后，可以通過代碼審查和單元測試來評估代碼的質量，如果發(fā)現(xiàn)問題，可以及時反饋給開發(fā)人員進行修改。

已上就是本次的分享，如果覺得文章有幫助，麻煩幫忙轉發(fā)，謝謝！