Programování embedded systémů: 15 základních tipů a triků pro efektivní vývoj

Pokud vyvíjíte elektronická zařízení jako chytré hodinky, bezdrátová sluchátka nebo průmyslové senzory, je pro Vás naprogramování vestavěného systému zcela zásadní.

Správný firmware dokáže proměnit hardware v unikátní a inteligentní produkt. Naštěstí existuje spousta tipů a triků, které Vám pomohou dosáhnout maximální efektivity a výkonu embedded kódu. V tomto článku jsme pro Vás připravili přehled těch nejdůležitějších.

Volba vhodné platformy je základ

Začněme u samotného výběru vestavěné platformy. Trh nabízí obrovské množství variant mikrokontrolérů, modulů a vývojových kitů. Bez zkušeností se v této džungli snadno ztratíte.

Naše doporučení? Nechte si poradit od expertů. V ASN Plus spolupracujeme s předními výrobci čipů jako STMicroelectronics, Silicon Labs, Microchip, Espressif nebo Nordic Semiconductor. Pomůžeme Vám vybrat ten nejvhodnější hardware pro Váš projekt.

Klíčové je zohlednit požadavky na výpočetní výkon, velikost paměti, spotřebu, nutné periferie a rozhraní. Chytré hodinky potřebují jiný čip než průmyslový IoT senzor. Společně najdeme optimální řešení.

Optimalizujte kód pro daný hardware

Jednou z nejdůležitějších věcí při psaní firmware je optimalizace kódu pro konkrétní platformu. Obecně platí, že čím blíže hardwaru, tím lepší výkon.

Pro kritické části programu je vhodné použít nízkoúrovňové jazyky - nejčastěji C/C++, v případě nutnosti i assembler. Vyšší jazyky jako Python nebo C# přináší příliš velkou režii.

Funkce, které se volají velmi často, je dobré převést na inline funkce přímo v kódu. Tím se sníží režie volání. Podobně se vyplatí vyhnout se nepotřebným kontrolám uvnitř smyček.

Využijte akcelerátory čipu jako DMA kontroléry pro kopírování dat bez zatížení CPU. Hardwarová akcelerace má obvykle mnohonásobně vyšší výkon než softwarová řešení.

Minimalizujte nároky na paměť

V embedded systémech je paměť omezený zdroj. Proto je potřeba optimalizovat její využití. Namísto dynamické alokace volte statickou alokaci.

Minimalizujte velikost proměnných a datových struktur. Používejte datové typy přesně odpovídající rozsahu hodnot. Vyhněte se fragmentaci paměti.

Dle potřeby komprimujte data, která se ukládají do paměti. Ušetříte tak místo pro Váš program.

Zabezpečte svůj systém

Bezpečnost je v moderních zařízeních naprosto kritická. Firmware hraje důležitou roli v ochraně systému.

Je potřeba ověřovat veškeré vstupy od uživatele. Nikdy nelze důvěřovat tomu, co přijde zvenčí. Šifrujte citlivá data jako hesla nebo klíče.

Oddělte kód na kritické a nekritické části. Použijte watchdog časovač k detekci zamrznutí a restartování systému.

Testujte na emulátorech, ladění provádějte na reálném hardware

Simulátory a emulátory umožňují otestovat firmware ještě předtím, než máte k dispozici finální hardware. Urychlíte tím vývoj a najděte chyby v první fázi.

Pro finální ladění na cílové platformě jsou vhodné nástroje jako serial print debugging nebo rozhraní JTAG a SWD. Můžete tak sledovat běh programu přímo na čipu.

Rezervujte dostatek času na testování

Testování je nedílnou součástí vývoje firmware. Dobře navržené testy odhalí chyby a zajistí kvalitu kódu.

Při testování pokryjte všechny části programu - funkce, metody, třídy. Otestujte běžné case i edge case.

Zaměřte se na bezpečnostní testování zahrnující ověření vstupů, přetečení bufferu a další techniky útoku.

Nezapomínejte ani na výkonnostní testování, abyste odhalili úzká místa. A v neposlední řadě proveďte dlouhodobé testy stability.

Dokumentace urychlí vývoj

Kvalitní dokumentace firmware ušetří spoustu času během vývoje i pozdější údržby.

Jednotlivé funkce a moduly doplňte komentáři vysvětlujícími účel a použití.

Vytvořte architektonický návrh popisující celkovou strukturu systému a tok dat mezi bloky.

Sestavte uživatelskou dokumentaci vysvětlující funkcionalitu, konfiguraci a ovládání firmware z pohledu koncového uživatele.

Volte osvědčené open-source knihovny

Využití existujících open-source knihoven urychlí vývoj a sníží chybovost. Stačí knihovnu integrovat do projektu.

Oblíbené jsou například knihovny pro práci s displeji, GUI, soubory, konektivitou nebo zabezpečením.

Při výběru knihoven hledejte aktivně vyvíjené projekty s velkou komunitou. Ty mají nejlepší šanci na dlouhodobou podporu.

Spolupracujte s expertem na embedded systémy

Vývoj firmware pro vestavěné systémy vyžaduje specifické znalosti a zkušenosti. Pokud teprve začínáte, je rozumné poradit se s odborníkem.

V ASN Plus nabízíme konzultace s našimi vývojáři, kteří mají za sebou desítky úspěšně dokončených projektů pro české i zahraniční klienty.

Poradíme Vám s návrhem architektury, výběrem hardwaru i optimalizací softwaru. Máme zkušenosti s platformami předních výrobců čipů a s propojováním vestavěných systémů s chytrými telefony, cloudovými službami a umělou inteligencí.

Závěrem

Efektivní návrh a programování embedded systémů vyžaduje celou řadu znalostí a dovedností. V tomto článku jsme představili 15 tipů, které vám pomohou dosáhnout maximálního výkonu vestavěné elektroniky.

Pokud hledáte partnera pro vývoj firmware nebo vestavěné elektroniky, neváhejte nás kontaktovat. V ASN Plus nabízíme dlouholeté zkušenosti s hardwarem i softwarem pro ty nejnáročnější embedded projekty. Těšíme se na spolupráci!