組み込みシステムでのグローバル変数の使用

私は自分の製品のファームウェアを書き始め、私はここで新人です。グローバル変数またはグローバル関数を使用しないことに関する多くの記事を読みました。8ビットシステムでグローバル変数を使用するための制限はありますか、それとも完全な「No-No」ですか。システムでグローバル変数を使用する方法、またはそれらを完全に回避する必要がありますか？

私のファームウェアをよりコンパクトにするために、このトピックに関して皆さんから貴重なアドバイスを受けたいと思います。

@Philのガイドラインに留意する限り、グローバル変数を正常に使用できます。ただし、ここでは、コンパイルされたコードのサイズを小さくせずに問題を回避する優れた方法をいくつか紹介します。

1. 1つの関数内でのみアクセスする永続状態には、ローカルの静的変数を使用します。

   #include <stdint.h>
   void skipper()
   {
       static uint8_t skip_initial_cycles = 5;
       if (skip_initial_cycles > 0) {
           skip_initial_cycles -= 1;
           return;
       }
       /* ... */
   }

2. 構造体を使用して、関連する変数をまとめて使用し、使用する場所と使用しない場所を明確にします。

   struct machine_state {
        uint8_t level;
        uint8_t error_code;
   } machine_state;
   
   struct led_state {
       uint8_t red;
       uint8_t green;
       uint8_t blue;
   } led_state;
   
   void machine_change_state()
   {
       machine_state.level += 1;
       /* ... */
       /* We can easily remember not to use led_state in this function. */
   }
   
   void machine_set_io()
   {
       switch (machine_state.level) {
       case 1:
           PIN_MACHINE_IO_A = 1;
           /* ... */
       }
   }

3. グローバル静的変数を使用して、現在のCファイル内でのみ変数を表示します。これにより、名前の競合による他のファイルのコードによる偶発的なアクセスを防ぎます。

   /* time_machine.c */
   static uint8_t current_time;
   /* ... */
   
   /* delay.c */
   static uint8_t current_time; /* A completely separate variable for this C file only. */
   /* ... */

最後の注意として、割り込みルーチン内でグローバル変数を変更し、他の場所でそれを読み取る場合：

• 変数をマークしますvolatile。
• CPUにとってアトミックであることを確認してください（つまり、8ビットCPUの場合は8ビット）。

または

• ロック機構を使用して、変数へのアクセスを保護します。

8ビットシステムでグローバル変数を使用したくない理由は、他のシステムでグローバル変数を使用したくない場合と同じです。プログラムの動作についての推論が難しくなります。

「グローバル変数を使用しない」などのルールに固執するのは、悪いプログラマーだけです。優れたプログラマーは、ルールの背後にある理由を理解し、ルールをガイドラインのように扱います。

あなたのプログラムは理解しやすいですか？その動作は予測可能ですか？他のパーツを壊さずに、その一部を変更するのは簡単ですか？これらの質問のそれぞれに対する答えがyesの場合、あなたは良いプログラムに向かっています。

グローバル変数（略して「グローバル」）の使用を完全に避けるべきではありません。しかし、慎重に使用する必要があります。グローバルの過剰使用に伴う実際的な問題：

• グローバルは、コンパイルユニット全体に表示されます。コンパイルユニットのコードは、グローバルを変更できます。変更の結果は、このグローバルが評価されるあらゆる場所に現れる可能性があります。
• その結果、グローバル化によりコードが読みにくくなり、理解しにくくなります。プログラマは常に、グローバルが評価および割り当てられるすべての場所に留意する必要があります。
• グローバルを過度に使用すると、コードの欠陥が生じやすくなります。

g_グローバル変数の名前にプレフィックスを追加することをお勧めします。たとえば、g_iFlags。コード内にプレフィックスが付いた変数を見ると、それがグローバルであることがすぐにわかります。

埋め込み作業でのグローバルデータ構造の利点は、静的であることです。必要なすべての変数がグローバルである場合、関数が入力され、スタック上に関数用のスペースが作成されたときに、誤ってメモリ不足になることはありません。しかし、その時点でなぜ機能があるのでしょうか？GOSUBが許可されていないBASICプログラムのように、すべてのロジックとプロセスを処理する1つの大きな関数ではありません。この考えを十分に理解すれば、1970年代からの典型的なアセンブリ言語プログラムを作成できます。保守およびトラブルシューティングが効率的で不可能です。

したがって、状態変数（たとえば、すべての関数がシステムが解釈または実行状態にあるかどうかを知る必要がある場合）や、多くの関数で見る必要がある他のデータ構造のように、@ PhilFrostが言うように、あなたの機能は予測可能ですか？終わらない入力文字列でスタックを埋める可能性はありますか？これらはアルゴリズム設計の問題です。

staticは関数の内部と外部で異なる意味を持つことに注意してください。/programming/5868947/difference-between-static-variable-inside-and-outside-of-a-function

/programming/5033627/static-variable-inside-of-a-function-in-c

グローバル変数は、真のグローバル状態にのみ使用してください。グローバル変数を使用して、たとえば地図の北の境界の緯度などを表す場合、「地図の北の境界」が1つしか存在できない場合にのみ機能します。将来、コードが異なる北の境界を持つ複数のマップで動作する必要がある場合、北の境界にグローバル変数を使用するコードを修正する必要がある可能性があります。

典型的なコンピューターアプリケーションでは、何かが複数あることは決してないと想定する特定の理由はありません。ただし、組み込みシステムでは、そのような仮定ははるかに合理的です。複数の同時ユーザーをサポートするために一般的なコンピュータープログラムが呼び出される可能性がありますが、一般的な組み込みシステムのユーザーインターフェイスは、ボタンとディスプレイを操作する1人のユーザーによる操作用に設計されます。そのため、いつでも単一のユーザーインターフェイス状態になります。複数のユーザーが複数のキーボードやディスプレイを操作できるようにシステムを設計するには、単一のユーザー向けに設計するよりもはるかに複雑で、実装に時間がかかります。システムが複数のユーザーをサポートするために呼び出されない場合、そのような使用を容易にするために投資された余分な労力は無駄になります。マルチユーザーサポートが必要になる可能性が高い場合を除き、マルチユーザーサポートが必要な場合、マルチユーザーの追加に余分な時間を費やすよりも、シングルユーザーインターフェースに使用されるコードを破棄するリスクを負う方が賢明ですおそらく決して必要とされないユーザーサポート。

組み込みシステムに関連する要因は、多くの場合（特にユーザーインターフェイスを含む）、複数のものをサポートする唯一の実用的な方法は、複数のスレッドを使用することです。マルチスレッドの必要性が他にない場合、マルチスレッドを使用してシステムの複雑さを増すよりも、単純にシングルスレッドの設計を使用するほうがよいでしょう。とにかく複数の何かを追加するのに巨大なシステムの再設計が必要な場合、いくつかのグローバル変数の使用をやり直す必要があるかどうかは関係ありません。

多くの人々がこの主題について混乱しています。グローバル変数の定義は次のとおりです。

プログラムのどこからでもアクセスできるもの。

これは、キーワードで宣言されているファイルスコープ変数とは異なりますstatic。これらはグローバル変数ではなく、ローカルのプライベート変数です。

 int x; // global variable
 static int y; // file scope variable

 void some_func (void) {...} // added to demonstrate that the variables above are at file scope.

グローバル変数を使用する必要がありますか？それがうまくいくいくつかのケースがあります：

• 読み取り専用の変数はグローバルな場合があります。そのトピックの詳細情報を含む関連投稿
• MCUレジスタマップに対応するハードウェアレジスタはグローバルです。

それ以外の場合は、グローバル変数を使用しないでください。そうする理由はありません。代わりに、ファイルスコープ変数を使用します。これはまったく問題あり。

特定のタスクを実行するように設計された独立した自律的なコードモジュールの作成に努める必要があります。これらのモジュール内では、内部ファイルスコープ変数はプライベートデータメンバーとして存在する必要があります。この設計方法はオブジェクト指向として知られており、優れた設計として広く認知されています。