C++ nhúng là gì?

Embedded C++ là một biến thể của C++ được các kỹ sư phát triển vào cuối những năm 1990 dành cho các hệ thống nhúng. Mặc dù hiện nay các kỹ sư hệ thống nhúng hiếm khi sử dụng ngôn ngữ này, nhưng họ vẫn sử dụng rộng rãi C++ trong các hệ thống nhúng.

Sự khác biệt giữa C++ nhúng và C++ thông thường là gì?

Các kỹ sư hệ thống nhúng đã phát triển "C++ nhúng" dành cho các hệ thống nhúng chỉ có 4kB RAM và bộ xử lý vi điều khiển. Ngôn ngữ này cố gắng giữ lại các khái niệm quan trọng của C++ trong khi loại bỏ các tính năng làm tăng yêu cầu bộ nhớ và giảm hiệu năng bộ xử lý.

C++ có những đặc điểm gì nổi bật đối với hệ thống nhúng?

Ngôn ngữ lập trình C++ nhúng cố gắng giữ lại những tính năng có lợi nhất của C++ cho hệ thống nhúng đồng thời loại bỏ những tính năng gây ra chu kỳ CPU không ổn định hoặc làm tăng yêu cầu bộ nhớ. Ví dụ, C++ nhúng vẫn duy trì việc sử dụng các lớp như một sơ đồ để tạo đối tượng trong lập trình hướng đối tượng.

Tuy nhiên, Embedded C++ đã loại bỏ một số tính năng hiện đang được các kỹ sư hệ thống nhúng sử dụng. Những tính năng này bao gồm kế thừa đa chiều, template, xử lý ngoại lệ, lớp cơ sở ảo và đặc tả kiểu dữ liệu thời gian chạy.

Tại sao C++ lại phù hợp với hệ thống nhúng?

C++ rất phù hợp cho lập trình nhúng vì nó hoạt động chặt chẽ với phần cứng của hệ thống. C++ có hầu hết các tính năng của C, nhưng còn hơn thế nữa: nó cung cấp nhiều tính năng cấp cao hơn, bao gồm lập trình hướng đối tượng và ép kiểu an toàn, giúp tránh các lỗi truy cập bộ nhớ không mong muốn.

Những ưu điểm của C++ đối với hệ thống nhúng.

• Dễ sử dụng: C++ sử dụng lập trình hướng đối tượng và có nhiều mẫu và công cụ giúp dễ dàng tạo ra mã có thể tái sử dụng và đáng tin cậy. Jacob Beningo, chuyên gia tư vấn phần mềm nhúng và chủ tịch của Beningo Embedded Group, cho biết ông thích C++ cho các hệ thống nhúng vì khả năng mở rộng và dễ dàng tái sử dụng các phần của mã. Ví dụ, các mẫu cho phép các kỹ sư "xây dựng nhiều đối tượng dựa trên hành vi kiểu rất giống nhau. Nó cho phép bạn tái sử dụng và mở rộng phần mềm một cách đáng kinh ngạc." Beningo nói thêm rằng C++ cũng sử dụng khái niệm kế thừa, "cho phép các kỹ sư xây dựng một đối tượng cơ sở trong ngôn ngữ luôn có một tập hợp các tính năng tối thiểu. Sau đó, bạn kế thừa từ lớp cơ sở đó và xây dựng các tùy chỉnh của mình. Vì vậy, C++ cho phép bạn thiết kế và xây dựng các hệ thống phần mềm với tính linh hoạt cao."
• Tính di động: Vì các phần của mã C++ dễ dàng được tái sử dụng, nên mã này cũng có thể được sử dụng trên các thiết bị khác nhau.
• Thư viện chuẩn: Các thư viện chuẩn của C++ giúp các kỹ sư dễ dàng xây dựng mã nguồn tốt nhất có thể. Beningo cho biết một lợi thế quan trọng là các kỹ sư có thể tận dụng những gì các kỹ sư khác đã xây dựng trong các thư viện chuẩn về các tính năng cơ bản của C++. "Thay vì viết mọi thứ từ đầu, bạn chỉ cần kế thừa từ các thư viện đó, sau đó tùy chỉnh và xây dựng dựa trên các thành phần của riêng mình," Beningo giải thích.
• Tính ổn định: Các chương trình được viết bằng C++ cho hệ thống nhúng có thể hoạt động trong nhiều thập kỷ mà không gặp lỗi nhờ tính ổn định của ngôn ngữ này.
• Ngôn ngữ chính: Khi đội ngũ kỹ sư của bạn thành thạo C++, việc học và hiểu các ngôn ngữ khác như Python, Java, JavaScript, v.v. sẽ trở nên dễ dàng hơn.
• Hỗ trợ: C++ được sử dụng rộng rãi, có một cộng đồng người ủng hộ lớn và thường xuyên được cập nhật. “C++ nhận được rất nhiều sự hỗ trợ,” Beningo nói. “Nó được cập nhật và cải tiến vài năm một lần.”
• Lý tưởng cho giao diện người dùng đồ họa (GUI): C++ có các công cụ đặc biệt tốt cho các hệ thống nhúng với giao diện người dùng đồ họa (GUI).
  
  Tino Pyssysalo, Giám đốc sản phẩm cấp cao tại Qt, đồng ý với các chuyên gia khác rằng C++ cũng có các công cụ và kỹ thuật khiến nó trở thành lựa chọn tuyệt vời khi các hệ thống nhúng yêu cầu GUI.
  
  “Việc triển khai giao diện người dùng đồ họa được đơn giản hóa rất nhiều bằng cách sử dụng lập trình hướng đối tượng của C++,” Pyssysalo gợi ý.
  
  “C++ liên tục phát triển, có tầm nhìn hướng tới tương lai hơn và các tính năng ngày càng tốt hơn, được trình biên dịch tối ưu hóa mạnh mẽ, làm cho nó nhanh hơn và tiết kiệm bộ nhớ hơn.
  
  Hơn nữa, có công tác tiêu chuẩn hóa tích cực; các đặc tả C++ mới được phát hành ba năm một lần, với C++20 là phiên bản mới nhất. Ngày càng nhiều khái niệm lập trình hiện đại được thêm vào ngôn ngữ này.”

C++ có những nhược điểm nào đối với hệ thống nhúng?

Các kỹ sư sẽ nhận thấy C++ có một số nhược điểm đối với các hệ thống nhúng. Ngôn ngữ này phức tạp và khó học. Việc cấp phát bộ nhớ trong C++ cũng có thể gây ra vấn đề nếu các kỹ sư không hiểu rõ về nó.

Dưới đây là một số chi tiết về những nhược điểm:

• Khó học: C++ là một ngôn ngữ phức tạp và khó học. Pyssysalo cho biết, "Nó phức tạp hơn C, với nhiều cấu trúc hơn, chẳng hạn như các hàm ảo và mẫu lớp, vì vậy cần phải học nhiều hơn."
  
  Sự phức tạp đó có nghĩa là nhiều nhà phát triển không hiểu C++ tốt như họ hiểu C. Beningo bổ sung, "Các nhà phát triển không hiểu các triển khai thời gian thực tốt như họ hiểu C."
• Rào cản về mã nguồn: Độ phức tạp của ngôn ngữ khiến việc bảo trì mã nguồn trở nên khó khăn. Một số công ty xây dựng hệ thống bằng C++ ngần ngại thực hiện bất kỳ thay đổi nào vì lo sợ gây ra lỗi hệ thống hoặc các sự cố nghiêm trọng.
• Các vấn đề tiềm ẩn về hiệu năng: C++ có thể chạy chậm hơn C nếu một số tính năng nhất định trong C++ được kích hoạt, bao gồm ngoại lệ kiểu dữ liệu thời gian chạy hoặc thông tin kiểu dữ liệu thời gian chạy (RTTI).
  
  Beningo khuyên các kỹ sư nên cẩn thận tránh sử dụng các mẫu C++ quá phức tạp—phức tạp hơn mức hệ thống cần. “Nếu bạn làm cho nó quá phức tạp hoặc thực hiện quá nhiều việc, bạn có thể gặp phải các vấn đề về hiệu năng. Bạn phải cẩn thận khi sử dụng các mẫu,” ông nói thêm.
• Những thách thức trong quản lý bộ nhớ: Trong C++, lập trình viên kiểm soát việc quản lý bộ nhớ, điều này có thể là một nhược điểm. Nhiều ngôn ngữ lập trình có bộ thu gom rác tự động quản lý và giải phóng bộ nhớ không cần thiết, nhưng C++ lại thiếu tính năng này. Do đó, lập trình viên phải kiểm soát nó thủ công. Lỗi bộ nhớ có thể dẫn đến các lỗi nghiêm trọng và thậm chí là
  
  sự cố sập chương trình. “Việc phân bổ bộ nhớ có thể trở nên khó hiểu và dẫn đến hiệu suất hệ thống kém hoặc gặp lỗi”, Beningo khẳng định.
  
  Hiện có nhiều công cụ tốt để phát hiện rò rỉ bộ nhớ trong phần mềm C++.

Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng C++ trong hệ thống nhúng.

Những quan niệm sai lầm về C++ đã được chứng minh là đúng.

Các chuyên gia cho rằng thường có những quan niệm sai lầm về việc sử dụng C++ cho các hệ thống nhúng. Một trong những quan niệm sai lầm đó là C++ quá chậm, điều này không đúng nếu mã C++ được viết đúng cách.

Dưới đây là một số quan niệm sai lầm phổ biến về C++ và sự thật là gì:

Những quan niệm sai lầm: C++ tạo ra quá nhiều mã máy và quá chậm đối với các hệ thống nhúng.

Thực tế là: Các kỹ sư có thể tránh được mã máy quá phức tạp khi sử dụng C++, và ngôn ngữ này có thể thực thi mã nhanh chóng và hiệu quả như C.

Beningo giải thích: "Các kỹ sư có thể tạo ra mã quá lớn và gây ra các vấn đề về hiệu năng nếu không cẩn thận. Có rất nhiều khả năng trong các ngôn ngữ lập trình mà nếu bạn không sử dụng dù chỉ một số trong đó, bạn có thể làm giảm hiệu năng của hệ thống nhúng."

Beningo nhấn mạnh rằng điểm mấu chốt là tránh sử dụng một số tính năng của C++ có thể làm cho chương trình quá lớn và không cần thiết đối với các hệ thống nhúng.

Quan niệm sai lầm: Nhìn chung, C++ không hoạt động tốt trên các hệ thống nhúng.

Thực tế là: C++ có thể hoạt động rất tốt trên nhiều hệ thống nhúng, Beningo nói, "miễn là các nhà phát triển biết họ đang làm gì và theo dõi cẩn thận hiệu năng và mức sử dụng bộ nhớ."

Liệu C++ có tốt hơn C cho hệ thống nhúng không?

Một số chuyên gia cho rằng C++ nhìn chung tốt hơn cho các hệ thống nhúng, trong khi những người khác lại cho rằng C là lựa chọn ưu việt hơn. Hầu hết các chuyên gia đều cho rằng việc lựa chọn ngôn ngữ phụ thuộc vào hệ thống và cách thức sử dụng ngôn ngữ đó.

Beningo tin rằng C++ thường vượt trội hơn trong nhiều hệ thống nhúng. "Bạn có thể tận dụng khả năng tái sử dụng, tính mở rộng, đa định dạng và tính kế thừa của nó để thiết kế và xây dựng các giải pháp có khả năng mở rộng cao hơn."

"Không có chân lý tuyệt đối nào cả," Pyssysalo từ Qt chỉ ra. "Nó thực sự phụ thuộc vào trường hợp sử dụng và những gì bạn đang phát triển."

Tìm hiểu thêm về các ngôn ngữ lập trình khác nhau mà các kỹ sư có thể sử dụng trong hệ thống nhúng. Bạn cũng có thể thu được những hiểu biết và hướng dẫn về việc xây dựng quy trình thiết kế hệ thống nhúng hiệu quả.

Khi bạn cần lập trình C++ nhúng.

Beningo tin rằng C++ có thể hoạt động tốt hoặc thậm chí tốt hơn C trong nhiều hệ thống nhúng khác nhau. Ưu điểm của C++ nằm ở các mẫu, thư viện chuẩn và các công cụ khác, khiến nó trở nên có giá trị trong các hệ thống phức tạp mà các kỹ sư có thể muốn xây dựng lại trên các kiểu dáng và dòng sản phẩm khác nhau. Ông nói thêm: "Nếu bạn đang xem xét một hệ thống phức tạp và bạn nói: chúng ta sẽ mở rộng quy mô nó, chúng ta sẽ sử dụng nó trên nhiều lĩnh vực sản phẩm ... bạn thực sự nên sử dụng C++."

Nên học C hay C++ cho hệ thống nhúng?

Cả Beningo và Pyssysalo đều cho rằng các kỹ sư nên học cả C và C++ nếu muốn làm việc chuyên sâu trong lĩnh vực hệ thống nhúng.

"Bạn cần phải biết cả hai ngôn ngữ: 80% hệ thống (nhúng) vẫn được viết bằng C, vì vậy bạn cần phải biết C," Beningo khuyên. "Nhưng 20% ​​còn lại chủ yếu được viết bằng C++."

Pyssysalo cho biết ông chắc chắn sẽ nhấn mạnh việc học C++ vì khi các kỹ sư học C++, họ cũng học được những kiến ​​thức cơ bản về C. “C++ là một tập hợp con của C. Để học C++, bạn cần phải biết các khái niệm của C,” ông nói. “Trong vài năm tới, khi các kỹ sư tìm kiếm cơ hội việc làm tại các công ty sản xuất hệ thống nhúng, việc biết C++ sẽ giúp bạn có cơ hội tốt hơn khi ứng tuyển vào các vị trí mới.”

Bạn có thể tìm hiểu thêm về các kỹ năng mà kỹ sư hệ thống nhúng cần có để thành công trong sự nghiệp tại đây.

Ngôn ngữ C++ có phù hợp với dự án hệ thống nhúng của bạn không?

Các chuyên gia cho rằng việc C++ có phù hợp với dự án hệ thống nhúng của bạn hay không phụ thuộc vào các đặc điểm cụ thể của hệ thống nhúng và những gì nó cần để hoạt động hiệu quả.

Pyssysalo giải thích rằng các vi điều khiển nhỏ nhất với bộ nhớ tối thiểu trong các hệ thống nhúng thường được lập trình bằng ngôn ngữ C. Tuy nhiên, các hệ thống nhúng với bộ xử lý và bộ nhớ mạnh mẽ hơn, đặc biệt là những hệ thống có giao diện đồ họa người dùng (GUI), thì phù hợp hơn với C++.

So sánh 6 ngôn ngữ lập trình phần mềm nhúng hàng đầu.

Đây là tổng quan về điểm mạnh và điểm yếu của các ngôn ngữ lập trình khác nhau. Tùy thuộc vào nhu cầu của bạn, bạn có thể đọc bài so sánh chi tiết về sáu ngôn ngữ lập trình nhúng phổ biến, bao gồm C và C++, tại đây.

★ là xếp hạng thấp nhất, trong khi ★★★★★ là xếp hạng cao nhất.
1 cung cấp mức độ kết nối mạng và hỗ trợ cao khi tích hợp các thư viện nền tảng.
2 cung cấp cộng đồng nhà phát triển Java chuyên biệt cho Android (thấp) và tích hợp Android (cao).

Đừng quên xem xét giao diện người dùng đồ họa (GUI) khi lựa chọn ngôn ngữ lập trình cho hệ thống nhúng.

Mỗi ngôn ngữ lập trình nhúng đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và mỗi ngôn ngữ lại có khả năng khác nhau trong việc xử lý các yêu cầu về giao diện người dùng đồ họa (GUI) trong các hệ thống nhúng cụ thể. Nếu hệ thống của bạn yêu cầu GUI, bạn cần hiểu khả năng của ngôn ngữ lập trình trong việc giúp GUI hoạt động đúng cách.