Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание

В этой главе мы рассмотрим вопросы программирования встроенных систем; иначе говоря, обсудим темы, связанные в первую очередь с написанием программ для устройств, которые не являются традиционными компьютерами с экранами и клавиатурами. Основное внимание уделяется принципам и методам программирования таких устройств, языковым возможностям и стандартам кодирования, необходимым для непосредственной работы с аппаратным обеспечением. К этим темам относятся управление ресурсами и памятью, использование указателей и массивов, а также манипулирование битами. Главный акцент делается на безопасном использовании, а также на альтернативе использованию низкоуровневых средств. Мы не стремимся описывать специализированные архитектуры устройств или способы прямого доступа к памяти аппаратного обеспечения, для этого существует специализированная литература. В качестве иллюстрации мы выбрали реализацию алгоритма кодирования-декодирования.

25.1. Встроенные системы

  Большая часть существующих компьютеров не выглядит как компьютеры. Они просто являются частью более крупной системы или устройства. Рассмотрим примеры.

• Автомобили. В современный автомобиль могут быть встроены десятки компьютеров, управляющих впрыскиванием топлива, следящих на работой двигателя, настраивающих радио, контролирующих тормоза, наблюдающих за давлением в шинах, управляющих дворниками на ветровом стекле и т.д.

• Телефоны. Мобильный телефон содержит как минимум два компьютера; один из них обычно специализируется на обработке сигналов.

• Самолеты. Современный самолет оснащен компьютерами, управляющими буквально всем: от системы развлечения пассажиров до закрылок, оптимизирующих подъемную силу крыла.

• Фотоаппараты. Существуют фотоаппараты с пятью процессорами, в которых каждый объектив имеет свой собственный процессор.

• Кредитные карточки (и все семейство карточек с микропроцессорами).

• Мониторы и контроллеры медицинского оборудования (например, сканеры для компьютерной томографии).

• Грузоподъемники (лифты).

• Карманные компьютеры.

• Кухонное оборудование (например, скороварки и хлебопечки).

• Телефонные коммутаторы (как правило, состоящие из тысяч специализированных компьютеров).

• Контроллеры насосов (например, водяных или нефтяных).

• Сварочные роботы, которые используются в труднодоступных или опасных местах, где человек работать не может.

• Ветряки. Некоторые из них способны вырабатывать мегаватты электроэнергии и имеют высоту до 70 метров.

• Контроллеры шлюзов на дамбах.

• Мониторы качества на конвейерах.

• Устройства считывания штриховых кодов.

• Автосборочные роботы.

• Контроллеры центрифуг (используемых во многих процессах медицинского анализа).

• Контроллеры дисководов.

  Эти компьютеры являются частью более крупных систем, которые обычно не похожи на компьютеры и о которых мы никогда не думаем как о компьютерах. Когда мы видим автомобиль, проезжающий по улице, мы не говорим: “Смотрите, поехала распределенная компьютерная система!” И хотя автомобиль в том числе является и распределенной компьютерной системой, ее действия настолько тесно связаны с работой механической, электронной и электрической систем, что мы не можем считать ее изолированным компьютером. Ограничения, наложенные на работу этой системы (временные и пространственные), и понятие корректности ее программ не могут быть отделены от содержащей ее более крупной системы. Часто встроенный компьютер управляет физическим устройством, и корректное поведение компьютера определяется как корректное поведение самого физического устройства. Рассмотрим крупный дизельный судовой двигатель.

Обратите внимание на крышку пятого цилиндра, на котором стоит человек. Это большой двигатель, приводящий в движение большой корабль. Если такой двигатель выйдет из строя, мы узнаем об этом в утренних новостях. У такого двигателя в крышке каждого цилиндра находится управляющая система цилиндра, состоящая из трех компьютеров. Каждая система управления цилиндром соединена с системой управления двигателем (еще три компьютера) посредством двух независимых сетей. Кроме того, система управления двигателем связана с центром управления, в котором механики могут отдавать двигателю команды с помощью специализированной системы графического интерфейса. Всю эту систему можно контролировать дистанционно с помощью радиосигналов (через спутники) из центра управления морским движением. Другие примеры использования компьютеров приведены в главе 1.

Итак, что особенного есть в программах, выполняемых такими компьютерами, с точки зрения программиста? Обобщим вопрос: какие проблемы, не беспокоящие нас в “обычных” программах, выходят на первый план в разнообразных встроенных системах?