Embedded C++ คืออะไร?

Embedded C++ เป็นภาษา C++ รูปแบบหนึ่งที่วิศวกรพัฒนาขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1990 สำหรับระบบฝังตัว ปัจจุบันวิศวกรด้านระบบฝังตัวแทบจะไม่ใช้ภาษานี้แล้ว แต่พวกเขายังคงใช้ C++ ในระบบฝังตัวอย่างแพร่หลาย

C++ แบบฝังตัว (Embedded C++) กับ C++ ทั่วไปแตกต่างกันอย่างไร?

วิศวกรด้านระบบฝังตัวได้พัฒนา "embedded C++" สำหรับระบบฝังตัวที่มีหน่วยความจำ RAM เพียง 4kB และโปรเซสเซอร์ไมโครคอนโทรลเลอร์ภาษาดังกล่าวพยายามรักษาแนวคิดที่มีคุณค่าของ C++ ไว้ ในขณะเดียวกันก็ตัดคุณสมบัติที่เพิ่มความต้องการหน่วยความจำและลดประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์ออกไป

C++ สำหรับระบบฝังตัวมีคุณสมบัติอะไรบ้าง?

Embedded C++ พยายามคงไว้ซึ่งคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ที่สุดของ C++ สำหรับระบบฝังตัว ในขณะเดียวกันก็กำจัดคุณสมบัติที่ทำให้เกิดรอบการทำงานของ CPU ที่ไม่แน่นอน หรือความต้องการหน่วยความจำที่เพิ่มขึ้นตัวอย่างเช่น Embedded C++ ยังคงรักษาการใช้คลาสเป็นแบบแผนในการสร้างวัตถุสำหรับการเขียนโปรแกรมเชิงวัตถุเอา  ไว้

อย่างไรก็ตาม Embedded C++ ได้ตัดคุณสมบัติบางอย่างที่วิศวกรด้านระบบฝังตัวใช้ในปัจจุบันออกไป คุณสมบัติเหล่านั้นได้แก่ การสืบทอดแบบหลายทาง เทมเพลต ข้อยกเว้น คลาสฐานเสมือน และการระบุประเภทขณะรันไทม์

เหตุใด C++ จึงเหมาะสำหรับระบบฝังตัว

ภาษา C++ เหมาะสำหรับการเขียนโปรแกรมฝังตัว (embedded programming) เพราะทำงานใกล้ชิดกับฮาร์ดแวร์ของระบบ C++ มีคุณสมบัติเกือบทุกอย่างที่ภาษา C มี แต่มีมากกว่านั้น: มีคุณสมบัติระดับสูงกว่ามากมาย รวมถึงการเขียนโปรแกรมเชิงวัตถุ (object-oriented programming) และการแปลงชนิดข้อมูลแบบปลอดภัย (type-safe cast) ที่ช่วยหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดในการเข้าถึงหน่วยความจำที่ไม่พึงประสงค์

ข้อดีของ C++ สำหรับระบบฝังตัว

• ความง่ายในการใช้งาน: C++ ใช้การเขียนโปรแกรมเชิงวัตถุ และมีเทมเพลตและเครื่องมือมากมายที่ทำให้การสร้างโค้ดที่นำกลับมาใช้ซ้ำได้ง่ายขึ้นและมีความน่าเชื่อถือJacob Beningo ที่ปรึกษาด้านซอฟต์แวร์ฝังตัวและประธานของ Beningo Embedded Group กล่าวว่าเขาชอบ C++ ในระบบฝังตัวเนื่องจากความสามารถในการปรับขนาดและความง่ายในการนำโค้ดบางส่วนกลับมาใช้ซ้ำ ตัวอย่างเช่น เทมเพลตช่วยให้วิศวกร "สร้างวัตถุหลายชิ้นโดยอิงจากพฤติกรรมประเภทที่คล้ายคลึงกันมาก มันช่วยให้คุณนำซอฟต์แวร์กลับมาใช้ซ้ำและปรับขนาดได้อย่างยอดเยี่ยม" Beningo กล่าวเสริมว่า C++ ยังใช้แนวคิดของการสืบทอด"นั่นช่วยให้วิศวกรสร้างวัตถุพื้นฐานในภาษาที่จะมีชุดคุณสมบัติขั้นต่ำเสมอ จากนั้นคุณก็สืบทอดจากคลาสพื้นฐานนั้นและสร้างการปรับแต่งของคุณ ดังนั้น C++ จึงช่วยให้คุณออกแบบและสร้างระบบซอฟต์แวร์ได้อย่างยืดหยุ่นมาก"
• ความสามารถในการพกพา:เนื่องจากส่วนต่างๆ ของโค้ด C++ สามารถนำกลับมาใช้ซ้ำได้ง่าย โค้ดจึงสามารถพกพาไปยังอุปกรณ์ต่างๆ ได้เช่นกัน
• ไลบรารีมาตรฐาน:ไลบรารีมาตรฐานของ C++ ช่วยให้วิศวกรสามารถสร้างโค้ดที่ดีที่สุดได้อย่างง่ายดาย เบนิงโกกล่าวว่าข้อได้เปรียบที่สำคัญคือวิศวกรสามารถใช้ประโยชน์จากสิ่งที่วิศวกรคนอื่นๆ ได้สร้างไว้แล้วในไลบรารีมาตรฐานของฟีเจอร์พื้นฐานของ C++ “แทนที่จะเขียนทุกอย่างตั้งแต่เริ่มต้น คุณเพียงแค่สืบทอดจากไลบรารีเหล่านั้น แล้วปรับแต่งและต่อยอดส่วนประกอบของคุณเข้าไป” เบนิงโกอธิบาย
• ความเสถียร:โปรแกรมที่เขียนด้วยภาษา C++ ในระบบฝังตัวสามารถทำงานได้นานหลายสิบปีโดยไม่ล้มเหลว เนื่องจากความเสถียรของภาษา
• ภาษาหลัก:เมื่อทีมวิศวกรรมของคุณเรียนรู้ C++ ได้ดีแล้ว การเรียนรู้และทำความเข้าใจภาษาอื่นๆ เช่น Python, Java, JavaScript และอื่นๆ ก็จะง่ายขึ้น
• การสนับสนุน:ภาษา C++ ถูกใช้งานอย่างแพร่หลาย มีชุมชนผู้สนับสนุนขนาดใหญ่ และมีการอัปเดตบ่อยครั้ง “ภาษา C++ มีการสนับสนุนมากมาย” เบนิงโกกล่าว “มีการอัปเดตและปรับปรุงทุกๆ สองสามปี”
• เหมาะสำหรับ GUI: C++ มีเครื่องมือที่ดีเป็นพิเศษสำหรับระบบฝังตัวที่มีส่วนติดต่อผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI)
  
  Tino Pyssysalo ผู้จัดการผลิตภัณฑ์อาวุโสของ Qt เห็นด้วยกับผู้เชี่ยวชาญคนอื่นๆ ที่กล่าวว่า C++ ยังมีเครื่องมือและเทคนิคที่ทำให้เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมเมื่อระบบฝังตัวต้องการ GUI
  
  “การใช้งานส่วนติดต่อผู้ใช้แบบกราฟิกจะง่ายขึ้นมากโดยใช้การเขียนโปรแกรมเชิงวัตถุของ C++” Pyssysalo แนะนำ
  
  “C++ มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง มีวิสัยทัศน์ที่ก้าวหน้ามากขึ้น และมีคุณสมบัติที่ดีมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งได้รับการปรับแต่งอย่างมากโดยคอมไพเลอร์ ดังนั้นจึงรวดเร็วและประหยัดหน่วยความจำ
  
  นอกจากนี้ยังมีการทำงานด้านการกำหนดมาตรฐานอย่างแข็งขัน ข้อกำหนด C++ ใหม่จะออกมาทุกๆ สามปี โดย C++20 เป็นเวอร์ชันล่าสุด มีการเพิ่มแนวคิดการเขียนโปรแกรมที่ทันสมัยมากขึ้นเรื่อยๆ ลงในภาษา”

ข้อเสียของ C++ สำหรับการใช้งานในระบบฝังตัวมีอะไรบ้าง?

วิศวกรจะพบว่าภาษา C++ มีข้อเสียบางประการสำหรับระบบฝังตัว ภาษาซับซ้อนและเรียนรู้ยาก การจัดสรรหน่วยความจำใน C++ ก็อาจก่อให้เกิดปัญหาได้หากวิศวกรไม่เข้าใจ

ต่อไปนี้เป็นรายละเอียดเกี่ยวกับข้อเสียบางประการ:

• เรียนรู้ยาก: C++ เป็นภาษาที่ซับซ้อนและเรียนรู้ได้ยาก Pyssysalo กล่าวว่า "ภาษานี้ซับซ้อนกว่า C มีโครงสร้างมากกว่าเช่น ฟังก์ชันเสมือนและคลาสเทมเพลต ดังนั้นจึงมีสิ่งต่างๆ ให้เรียนรู้มากกว่า"
  
  ความซับซ้อนนั้นหมายความว่านักพัฒนาหลายคนไม่เข้าใจ C++ ดีเท่ากับที่เข้าใจ C Beningo กล่าวเสริมว่า "นักพัฒนาไม่เข้าใจการใช้งานในระบบเรียลไทม์ได้ดีเท่ากับ C"
• อุปสรรคด้านโค้ดเบส:ความซับซ้อนของภาษาทำให้การบำรุงรักษาโค้ดเบสเป็นเรื่องท้าทาย บริษัทบางแห่งที่สร้างระบบด้วย C++ ลังเลที่จะทำการเปลี่ยนแปลงใดๆ เพราะไม่ต้องการเสี่ยงที่จะทำให้ระบบล้มเหลวหรือเกิดปัญหาใหญ่
• ปัญหาด้านประสิทธิภาพที่อาจเกิดขึ้น: C++ อาจทำงานช้ากว่า C หากเปิดใช้งานคุณสมบัติบางอย่างใน C++ รวมถึงข้อยกเว้นหรือข้อมูลประเภทขณะทำงาน (RTTI)
  
  เบนิงโกแนะนำว่าวิศวกรควรระมัดระวังในการหลีกเลี่ยงการใช้เทมเพลต C++ ที่ซับซ้อนเกินไป—ซับซ้อนเกินความต้องการของระบบ “หากคุณทำให้มันซับซ้อนเกินไปหรือทำมากเกินไป คุณอาจเจอปัญหาด้านประสิทธิภาพ คุณต้องระมัดระวังในการใช้เทมเพลต” เขากล่าวเสริม
• ความท้าทายในการจัดการหน่วยความจำ:ในภาษา C++ โปรแกรมเมอร์เป็นผู้ควบคุมการจัดการหน่วยความจำ ซึ่งอาจเป็นข้อเสีย ภาษาโปรแกรมหลายภาษามีตัวเก็บขยะ (garbage collector)ที่ช่วยจัดการหน่วยความจำและปล่อยหน่วยความจำที่ไม่จำเป็นโดยอัตโนมัติ แต่ C++ ไม่มีคุณสมบัตินั้น ดังนั้นโปรแกรมเมอร์จึงต้องควบคุมด้วยตนเอง ข้อผิดพลาดเกี่ยวกับหน่วยความจำอาจทำให้เกิดบั๊กที่ร้ายแรงและถึงขั้น
  
  ทำให้โปรแกรมหยุดทำงานได้ “การจัดสรรหน่วยความจำอาจทำให้เกิดความสับสนและส่งผลให้ระบบมีบั๊กหรือทำงานได้ไม่ดี” เบนิงโกยืนยัน
  
  มีเครื่องมือที่ดีมากมายในการตรวจจับการรั่วไหลของหน่วยความจำในซอฟต์แวร์ C++

ข้อดีและข้อเสียของการใช้ C++ ในระบบฝังตัว

ความเชื่อผิดๆ เกี่ยวกับ C++ ที่ถูกหักล้างแล้ว

ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่า มักมีเรื่องเข้าใจผิดเกี่ยวกับการใช้ C++ สำหรับระบบฝังตัว เรื่องเข้าใจผิดเหล่านั้นรวมถึงว่า C++ ทำงานช้าเกินไป ซึ่งไม่เป็นความจริงหากเขียนโค้ด C++ อย่างถูกต้อง

นี่คือความเชื่อผิดๆ เกี่ยวกับ C++ และความจริงเป็นอย่างไร:

ความเชื่อผิดๆ: ภาษา C++ สร้างโค้ดเครื่องจักรขนาดใหญ่เกินไป และภาษา C++ ทำงานช้าเกินไปสำหรับระบบฝังตัว

ความเป็นจริง:วิศวกรสามารถหลีกเลี่ยงโค้ดเครื่องที่ซับซ้อนเกินไปได้ด้วย C++ และภาษานี้สามารถทำงานได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพเช่นเดียวกับ C

เบนิงโกอธิบายว่า “วิศวกรอาจสร้างโค้ดที่ใหญ่เกินไปและทำให้เกิดปัญหาด้านประสิทธิภาพหากไม่ระมัดระวัง มีความสามารถหลายอย่างในภาษาโปรแกรมที่หากคุณไม่ใช้เพียงบางส่วน คุณอาจทำลายประสิทธิภาพของระบบฝังตัวได้”

เบนิงโกเน้นย้ำว่า จุดสำคัญคือการหลีกเลี่ยงการใช้คุณสมบัติบางอย่างของ C++ ที่อาจทำให้โปรแกรมมีขนาดใหญ่เกินไปและไม่จำเป็นสำหรับระบบฝังตัว

ความเชื่อผิดๆ:ภาษา C++ โดยรวมแล้วใช้งานได้ไม่ดีในระบบฝังตัว (embedded systems)

ความเป็นจริง: C++ สามารถทำงานได้ดีมากในระบบฝังตัวหลายๆ ระบบ เบนิงโกกล่าว "ตราบใดที่นักพัฒนาทราบว่าพวกเขากำลังทำอะไร และตรวจสอบประสิทธิภาพและการใช้หน่วยความจำอย่างระมัดระวัง"

C++ ดีกว่า C สำหรับระบบฝังตัวหรือไม่?

ผู้เชี่ยวชาญบางคนเชื่อว่า C++ มักจะดีกว่าสำหรับระบบฝังตัว ในขณะที่บางคนเชื่อว่า C เป็นตัวเลือกที่ดีกว่า ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่กล่าวว่าการเลือกใช้ภาษาขึ้นอยู่กับระบบและวิธีการใช้งานภาษานั้นๆ

เบนิงโกเชื่อว่า C++ มักจะดีกว่าในระบบฝังตัวหลายๆ ระบบ "คุณสามารถใช้ประโยชน์จากการนำกลับมาใช้ใหม่ ความสามารถในการปรับขนาด พหุรูป และการสืบทอด เพื่อออกแบบและสร้างโซลูชันที่ปรับขนาดได้ดียิ่งขึ้น"

"ไม่มีความจริงสัมบูรณ์" Pyssysalo จาก Qt ชี้ให้เห็น "มันขึ้นอยู่กับกรณีการใช้งานและสิ่งที่คุณกำลังพัฒนาจริงๆ"

เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับภาษาโปรแกรมหลากหลายประเภท ที่วิศวกรสามารถใช้ในระบบฝังตัวต่างๆ นอกจากนี้ คุณยังสามารถรับข้อมูลเชิงลึกและคำแนะนำเกี่ยวกับการสร้างกระบวนการออกแบบระบบฝังตัวที่มีประสิทธิภาพได้อีก ด้วย

เมื่อคุณต้องการ C++ แบบฝังตัว

เบนิงโกเชื่อว่า C++ สามารถทำงานได้ดีเท่าหรือดีกว่า C ในระบบฝังตัวหลากหลายประเภท ข้อดีของภาษา C++ คือเทมเพลต ไลบรารีมาตรฐาน และเครื่องมืออื่นๆ ที่ทำให้มันมีคุณค่าในระบบที่ซับซ้อนซึ่งวิศวกรอาจต้องการสร้างใหม่ในรูปแบบและสายผลิตภัณฑ์อื่นๆ "ถ้าคุณกำลังพิจารณาระบบที่ซับซ้อนและคุณบอกว่า: เราจะขยายขนาดมัน เราจะใช้มันในหลายๆ โดเมนผลิตภัณฑ์ ... คุณควรใช้ C++ จริงๆ" เขากล่าวเสริม

คุณควรเรียน C หรือ C++ สำหรับระบบฝังตัวดี?

ทั้ง Beningo และ Pyssysalo กล่าวว่าวิศวกรควรเรียนรู้ทั้งภาษา C และ C++ หากต้องการทำงานในด้านระบบฝังตัวอย่างกว้างขวาง

"คุณจำเป็นต้องรู้ทั้งสองภาษา: 80% ของระบบ (ฝังตัว) ยังคงเขียนด้วยภาษา C ดังนั้นคุณต้องรู้ภาษา C" เบนิงโกแนะนำ "แต่ 20% ที่เหลือส่วนใหญ่เขียนด้วยภาษา C++"

Pyssysalo กล่าวว่าเขาจะเน้นการเรียน C++ อย่างแน่นอน เพราะเมื่อวิศวกรเรียน C++ พวกเขาก็ได้เรียนรู้พื้นฐานของ C ไปด้วย “C++ เป็นซูเปอร์เซ็ตของ C ในการเรียน C++ คุณต้องรู้จักแนวคิดของ C” เขากล่าว “ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เมื่อวิศวกรมองหาโอกาสในการทำงานในบริษัทที่ผลิตระบบฝังตัว การรู้ C++ จะช่วยให้คุณมีโอกาสที่ดีกว่าในการสมัครงานใหม่”

คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับทักษะต่างๆ ที่วิศวกรระบบฝังตัวควรมีเพื่อความสำเร็จในอาชีพการงานได้ที่นี่

ภาษา C++ เหมาะสำหรับโปรเจ็กต์ระบบฝังตัวของคุณหรือไม่?

ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่า ภาษา C++ เหมาะสมกับโครงการระบบฝังตัวของคุณหรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับรายละเอียดของระบบฝังตัวของคุณและสิ่งที่ระบบต้องการเพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Pyssysalo อธิบายว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ขนาดเล็กที่สุดที่มีหน่วยความจำน้อยที่สุดในระบบฝังตัวมักใช้ภาษา C อย่างไรก็ตาม ระบบฝังตัวที่มีโปรเซสเซอร์ทรงพลังและมีหน่วยความจำมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบที่มี GUI นั้น เหมาะกับการใช้ภาษา C++ มากกว่า

การเปรียบเทียบภาษาการเขียนโปรแกรมซอฟต์แวร์ฝังตัว 6 อันดับแรก

นี่คือภาพรวมของจุดเด่นและจุดด้อยของภาษาโปรแกรมต่างๆ ขึ้นอยู่กับความต้องการ คุณสามารถอ่านการเปรียบเทียบโดยละเอียดของภาษาโปรแกรมฝังตัวยอดนิยม 6 ภาษารวมถึง C และ C++ ได้  ที่นี่

★ คืออันดับต่ำสุด ในขณะที่ ★★★★★ คืออันดับสูงสุด
1 ให้การเชื่อมต่อและการสนับสนุนเครือข่ายในระดับสูงเมื่อรวมไลบรารีแพลตฟอร์ม
2 ชุมชนนักพัฒนา Java เฉพาะ Android (ต่ำ) และรวม Android (สูง)

อย่าลืมพิจารณาถึงส่วนต่อประสานผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) เมื่อเลือกภาษาโปรแกรมสำหรับระบบฝังตัว

ภาษาโปรแกรมสำหรับระบบฝังตัวทุกภาษามีข้อดีและข้อเสีย และแต่ละภาษาก็มีขีดความสามารถที่แตกต่างกันในการจัดการกับข้อกำหนดของ GUI ในระบบฝังตัวบางระบบ หากระบบของคุณต้องการ GUI คุณจำเป็นต้องเข้าใจความสามารถของภาษาโปรแกรมในการทำให้ GUI นั้นทำงานได้ดี