کاربرد رویکرد چند زبانه در طراحی و توسعه امبدد سیستم‌ها

در این مطلب به بررسی نحوه طراحی امبدد سیستم‌های کارآمد، مقاوم و آینده‌نگرانه با استفاده از زبان‌های C، ++C و Rust صحبت کنیم.

به طور کلی:

C را می‌توان همچون یک آچار قدیمی و قابل‌اعتماد دانست که سال‌هاست مورد استفاده قرار می‌گیرد. قابل‌اعتماد است و برای انجام کارهای ساده بسیار کاربردی خواهد بود.
++C از طراحی شی‌ءگرا پشتیبانی می‌کند و بر این اساس به طراحان اجازه می‌دهد که از ساختارهای پیچیده‌تری استفاده کنند.
Rust به دلیل تمرکز بر بحث ایمنی حافظه از بروز خطاهای متداولی مانند سرریز بافر جلوگیری می‌کند.

بر این اساس شما می‌توانید با تمرکز بر نقاط قوت هر سه زبان، کد نویسی کنید.

در دنیای امبدد سیستم‌ها، بحث زبان برنامه‌نویسی همیشه داغ بوده و هست. سال‌هاست که زبان C به عنوان زبان اصلی امبدد سیستم‌ها شناخته می‌شود. طراحی مینیمالیستی و ساده و همچنین کنترل سطح پایین آن به مهندسان این امکان را داده که بیشترین بهره‌وری را از سخت‌افزارهای سطح پایین دریافت کنند. با این حال با افزایش پیچیدگی در سیستم‌ها، مشخص شد که زبان C محدودیت‌های بسیاری دارد. اینجاست که ++C و Rust وارد می‌شوند. این دو زبان امکانات پیشرفته‌تری دارند و بر این اساس برای طراحی سیستم‌های پیچیده‌تر مناسب هستند.

حال تصور کنید که به‌جای انتخاب یکی از این زبان‌ها، هر سه را با هم استفاده کنیم، چه اتفاقی می‌افتد؟ در واقع، با ترکیب C، ++C و Rust می‌توانیم سیستم‌هایی داشته باشیم که هم کارآمد و مقاوم هستند و هم با توجه به نیازهای آینده، قابل توسعه. در واقع از نقاط قوت هر 3 زبان استفاده می‌کنیم. هرچند استفاده از هر سه زبان ضروری نیست اما بیایید بررسی کنیم استفاده از چنین رویکردی چه مزایایی به همراه خواهد داشت؟

یک زبان برای هر لایه

C سال‌ها است که مانند یک آچار قدیمی و قابل‌اعتماد است و کارها را در ساده‌ترین سطح انجام می‌دهد. C هنوز هم وقتی مستقیماً با سخت‌افزار سر و کار داریم، بی‌رقیب است. C به دلیل سادگی و دسترسی مستقیم به سخت‌افزارها (رجیسترها)، گزینه‌ای ایده‌آل برای نوشتن درایورها و کدهای سطح پایین در امبدد سیستم‌ها به شمار می‌رود. استفاده از C در مواردی مانند نوشتن درایور برای رابط‌های UART بر روی میکروکنترلرهایی مانند STM32 باعث می‌شود که حافظه بهینه‌سازی شود و کارایی سیستم به حداکثر برسد. C در کنترل دقیق سخت‌افزارها بی‌همتاست و معمولاً ساده‌ترین روش برای انجام این کار است. اگرچه زبان‌های ++C و Rust نیز می‌توانند دسترسی مستقیمی به سخت‌افزار داشته باشند، اما در اغلب موارد، کتابخانه‌های آماده C که توسط تولیدکنندگان میکروکنترلرها ارائه می‌شود، استفاده از آن را راحت‌تر می‌کنند.

با افزودن قابلیت‌های بیشتر، نیاز به ساختارهای بیشتری خواهیم داشت. اینجاست که ++C وارد عمل می‌شود. به طور مثال پروژه‌ای را در نظر بگیرید که در آن چندین سنسور با یک میکروکنترلر در ارتباط خواهند بود. در چنین شرایطی با استفاده از ++C می‌توان هر سنسور را به‌عنوان یک شیء با داده‌ها و رفتار خاص خود تعریف کرد. این موضوع باعث می‌شود مدیریت و توسعه پروژه ساده‌تر شود. این ویژگی به طور خاص وقتی اهمیت دارد که پروژه در حال توسعه باشد. ++C به ما این امکان را می‌دهد که با طراحی شی‌ءگرا، ساختاری به کدها بدهیم که C قادر به پشتیبانی از آن‌ها نیست.

در نهایت هنگامی که به بالاترین لایه‌ها می‌رسیم، یعنی جایی که همه‌چیز باید با هم هماهنگ باشند؛ Rust وارد میدان می‌شود. ویژگی‌های خاص و تمرکز بر ایمنی حافظه در Rust سبب شده که از آن برای کد نویسی در پروژه‌های حساس مانند مدیریت چند جریان داده از سنسورها یا مدیریت پروتکل‌های ارتباطی مهم استفاده شود.

به ‌عنوان مثال، اگر امبدد سیستم ما یک مانیتور پزشکی باشد که باید داده‌های چندین سنسور را بدون خطا مدیریت کند، Rust به ما کمک خواهند که از بروز خطاهایی مانند سرریز بافر جلوگیری کنیم. در نهایت، هنگامی که به بالاترین لایه‌های سیستم می‌رسیم — منطق‌هایی که همه‌چیز را هماهنگ می‌کنند یا وظایف بحرانی را انجام می‌دهند — Rust وارد میدان می‌شود.

ویژگی‌های مدرن و بررسی‌های دقیق ایمنی حافظه در Rust آن را برای کدهای حساس ایده‌آل می‌سازد، مانند مدیریت چندین جریان داده از سنسورها یا مدیریت پروتکل‌های ارتباطی حیاتی. به ‌عنوان مثال، اگر دستگاه تعبیه‌شده ما یک مانیتور پزشکی باشد که باید داده‌های چندین سنسور را بدون خطا مدیریت کند، تضمین‌های ایمنی Rust کمک می‌کند تا از بروز خطاهایی مانند سرریز بافر و رقابت داده‌ها جلوگیری شود. Rust به ما این امکان را می‌دهد که سیستم‌های ایمن و هم‌زمانی بسازیم که با C یا ++C به‌سادگی قابل انجام نیست.

یک مثال در دنیای واقعی: ترکیب C، ++C و Rust

تصور کنید یک سیستم برای کنترل بر محیط‌زیست داریم. این سیستم، چندین بخش دارد:

درایورهای سخت‌افزاری سطح پایین
ماژول‌های سطح بالاتری که داده‌ها را پردازش و ذخیره می‌کنند
قسمت‌های مهمی که مدیریت انتقال داده‌ها و هماهنگی سنسورها را بر عهده دارند.

از زبان C برای انجام کارهای سطح پایین در امبدد سیستم‌ها مانند تعامل مستقیم با سخت‌افزارها و پیکربندی اجزای اصلی مانند UART، GPIO و ADC ها استفاده می‌شود. در ادامه یک کد ساده برای راه‌اندازی UART را مشاهده خواهید کرد:

#include "stm32f4xx.h"

void UART_Init(void) {

    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_USART2EN;

    USART2->BRR = 0x0683; // Set baud rate

    USART2->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;

    USART2->CR1 |= USART_CR1_UE; // Enable USART

}

#include "stm32f4xx.h"

void UART_Init(void) {

RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_USART2EN;

USART2->BRR = 0x0683; // Set baud rate

USART2->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;

USART2->CR1 |= USART_CR1_UE; // Enable USART

}

در این شرایط C در بهترین حالت خود قرار دارد؛ ساده و کارآمد برای انجام محاسباتی که در هر سیکل انجام می‌شوند.

با حرکت به سمت بالاترین لایه‌ها، منطق برنامه را در ++C می‌نویسیم. در این زبان هر سنسور کلاس خاص خود را دارد که رفتار هر سنسور مانند خوانش دما، فیلتر کردن داده‌ها یا ثبت گزارش‌ها را شامل می‌شود. به این صورت سیستم‌های پیچیده به بخش‌های کوچک‌تر و قابل مدیریت تقسیم شوند و کدهای مرتبط با سخت‌افزار (که در C نوشته شده‌اند) از کدهای منطقی و کاربردی (که در ++C نوشته شده‌اند) جدا خواهند شد. کدی که در این لایه می‌نویسیم، می‌تواند مشابه مثال زیر باشد:

#include "Sensor.hpp"

class SensorManager {

public:

    void addSensor(Sensor* sensor) { sensors.push_back(sensor); }

    void readAll() {

        for (auto sensor : sensors) {

            sensor->read();

        }

    }

private:

    std::vector<Sensor*> sensors;

};

#include "Sensor.hpp"

class SensorManager {

public:

void addSensor(Sensor* sensor) { sensors.push_back(sensor); }

void readAll() {

for (auto sensor : sensors) {

sensor->read();

}

private:

std::vector<Sensor*> sensors;

};

به این صورت منطق برنامه خوانا و سازماندهی‌شده باقی می‌ماند و در صورت نیاز به اضافه کردن سنسورهای جدید، خیلی راحت می‌توان سیستم را توسعه داد.

حال نوبت به Rust می‌رسد. Rust برای بخش‌های مهم سیستم، ایده‌آل‌ترین گزینه است. فرض کنید Rust قسمتی از پردازش داده است که داده‌های سنسورها را جمع‌آوری کرده و سپس آن‌ها را از طریق شبکه ارسال می‌کند. اینجاست که ویژگی‌های مهم Rust یعنی حفظ ایمنی حافظه و هم‌زمانی خود را نشان می‌دهند. با استفاده از ویژگی هم‌زمانی در Rust، می‌توانیم چندین رشته (Thread) را برای پردازش سنسورهای مختلف مدیریت کنیم.

use std::sync::{Arc, Mutex};

use std::thread;

fn process_data(data: Arc<Mutex<Vec<i32>>>) {

    let mut data = data.lock().unwrap();

    data.push(42); // Safely modify shared data

}

fn main() {

    let data = Arc::new(Mutex::new(vec![]));

    let data_clone = Arc::clone(&data);

    thread::spawn(move || {

        process_data(data_clone);

    }).join().unwrap();

}

use std::sync::{Arc, Mutex};

use std::thread;

fn process_data(data: Arc<Mutex<Vec<i32>>>) {

let mut data = data.lock().unwrap();

data.push(42); // Safely modify shared data

}

fn main() {

let data = Arc::new(Mutex::new(vec![]));

let data_clone = Arc::clone(&data);

thread::spawn(move || {

process_data(data_clone);

}).join().unwrap();

}

Rust در اینجا مسئول تأمین حفظ ایمنی حافظه است، چیزی که نه C و نه ++C قادر به انجام آن نیستند.

استک یکپارچه با ابزارهای مدرن

شاید فکر کنید که استفاده از چند زبان مختلف مستلزم انجام کارهای زیادی است. با این حال، در بسیاری از موارد، تمام این کد را از ابتدا نمی‌نویسید. در واقع، مهم‌ترین اعتراض در مقابل تغییر زبان‌ها این است که کدهای نمونه و قدیمی زیادی در C داریم و به نظر می‌رسد که سرمایه‌گذاری برای تغییر زبان منطقی نیست.

با ابزارهای متفاوتی مانند CMake برای C و ++C و Cargo برای Rust؛ می‌توانیم این سه زبان را با هم ادغام کنیم. به این صورت می‌توانید از کدهایی که قبلاً نوشته‌اید هم استفاده کنید. با CMake، می‌توانیم کدهای C و ++C را مدیریت کنیم و قابلیت‌ FFI در Cargo این امکان را می‌دهد که Rust با اجزای C و ++C ارتباط برقرار کند و یک استک یکپارچه ساخته شود.

چرا این رویکرد چندزبانه ارزشمند است؟

با ترکیب C، ++C و Rust، می‌توانیم سیستم‌هایی بسازیم که محدودیت‌های هیچ‌یک از زبان‌ها را ندارند. C امکان دسترسی به سخت‌افزارها را به ما می‌دهد، C++ برای ساختاردهی و توسعه کدهای پیچیده استفاده می‌شود و Rust ایمنی و هم‌زمانی را فراهم می‌کند تا احتمال بروز خطاها را کاهش داده و از پایداری سیستم اطمینان حاصل ‌کند. این یک رویکرد به ما این فرصت را می‌دهد از بهترین ویژگی‌های هر زبان استفاده کنیم.

اگر از این جنبه به این رویکرد نگاه کنید، متوجه خواهید شد که استفاده از زبان‌های متعدد مزایای قابل‌توجهی دارد. گستره نیروهایی که می‌توانید برای توسعه یک سیستم استخدام کنید، وسیع‌تر می‌شود، زیرا می‌توانید افرادی را که ++C و Rust می‌دانند را هم استخدام کنید. نیازی به آموزش نیروهای جدید برای استفاده از C ندارید، زیرا آن‌ها می‌توانند از دانسته‌های قبلی خود استفاده کنند. از تمام کدهای C که دهه‌های قبل استفاده کرده‌اید، هنوز هم می‌توانید استفاده کنید. تنها کافی است از رابط‌های ++C یا Rust بهره بگیرید

نتیجه‌گیری

در توسعه امبدد سیستم‌ها که ایمنی، کارایی و عملکرد بسیار حائز اهمیت است، استراتژی چندزبانه مزیت‌های زیادی به همراه دارد؛ بنابراین، دفعه بعد که قصد داشتید یک امبدد سیستم طراحی کنید، به این فکر کنید که چگونه می‌توانید از ویژگی‌های C، C++ و Rust در کنار هم استفاده کنید؛ که هر زبان نقش منحصربه‌فردی در ساخت یک سیستم کارآمد، قابل‌اعتماد و آینده‌نگرانه دارد.

منبع : designnews