Modernes C++ für Embedded Systeme – Aufbaukurs

Die Standardbibliothek, Templates und Lambda-Ausdrücke

Eine Weiterführung des Grundkurses: Die Standardbibliothek, Templates, Lambda-Ausdrücke, ausgewählte Sprachelemente von C++17 und C++20 und die MISRA C++:2023 Guidelines. Ein Training für professionelle Entwickler von embedded Systemen, z.B. für Mikrocontroller wie ARM, STM32 usw.

Dieser Kurs richtet sich an alle, die die Vorteile von modernem C++ nutzen wollen. Das können Entwickler sein, die schon lange mit C++ arbeiten und einen Überblick über die Fülle der neuen Features suchen. Oder auch C Programmierer, die auf C++ umsteigen wollen. Dieser Kurs deckt zusammen mit dem Grundkurs alle Themen ab, die für die Programmierung von embedded Anwendungen mit C++ wichtig sind.

Dabei wird an vielen praxisnahen Beispielen gezeigt, welche Vorteile modernes C++ bei embedded Projekten hat und wie diese eingesetzt werden können. Die meisten Beispiele und Übungen stehen als browserbasierte Projekte für STM32, ESP32 und Raspberry Pi über den Wokwi-Simulator zur Verfügung:

Embedded C++ Beispiele als Wokwi Projekte

Bei diesem Kurs stehen die besonderen Anforderungen an Embedded Programme im Mittelpunkt: Sie haben oft eine spezielle Programmstruktur, müssen Hardware ansprechen (z.B. Digital- oder Analog-IO), zur Vermeidung einer Speicherfragmentierung darf kein Heap verwendet werden, sie müssen auf Interrupts reagieren, Anforderungen wie die MISRA Guidelines einhalten, usw.

Traditionellerweise werden embedded Programme oft in C oder älteren Versionen von C++ geschrieben. Damit werden aber die Vorteile des modernen C++ verschenkt:

• In das moderne C++ (C++11, C++14, C++17 usw.) wurden neue Sprachelemente aufgenommen, die zu schnellerem und kompakterem Code führen als die C-Alternativen.
• Das wichtigste Argument für C++ ist aber meist, dass embedded Programme immer komplexer und größer werden. Zur Bewältigung dieser Komplexität bietet modernes C++ enorme Vorteile, die Entwicklungskosten sparen und zur Zuverlässigkeit der Anwendungen beitragen.

Heute unterstützen praktisch alle toolchains und Entwicklungsumgebungen für embedded Programme (STM32CubeIDE, Espressif, usw.) C++17. Damit können Sie von den Vorteilen des modernen C++ profitieren.

Die MISRA C++ 2023 Guidelines

Zusammen mit den Sprachelementen werden die MISRA C++ 2023 Guidelines für sicherheitsrelevante Systeme und die C++ Core Guidelines vorgestellt. Die Einhaltung dieser bewährten Praktiken wird oft empfohlen oder verlangt, um sicheren, wartbaren und leistungsfähigen C++-Code zu erhalten.

Ziele des Seminars

In diesem Embedded C++ Aufbaukurs werden weiterführende Sprachelemente und -konzepte von C++ (Exception-Handling, Templates, die Standardbibliothek, Smart Pointer, Multithreading usw.) auf dem aktuellen Stand von C++17 (einschließlich C++11 und C++14) ausführlich vorgestellt. Diese C++-Themen werden ergänzt durch

• Zahlreiche Beispiele für gängige Mikrocontroller (STM32, ESP32, Raspberry Pi usw.), die ihre Einsatzmöglichkeiten für embedded Systeme zeigen.
• Best practises: Zusammen mit den Sprachelementen werden auch die MISRA C++ 2023 Guidelines für sicherheitsrelevante Systeme und die C++ Core Guidelines vorgestellt. Die Einhaltung dieser best practises wird oft empfohlen oder verlangt, um sicheren, wartbaren und leistungsfähigen C++-Code zu erhalten.

Zusätzlich wird ein Ausblick auf die wichtigsten Neuerungen in C++20 und C++23 gegeben, die in den nächsten gcc toolchains (hoffentlich bald) zur Verfügung stehen werden.

Zielgruppe

Dieser Kurs richtet sich an

• erfahrene Entwickler, die bei ihren embedded Anwendungen die Vorteile des aktuellen Stands von C++ nutzen möchten. Dabei ist es unerheblich, ob Sie bisher C oder ältere Versionen von C++ einsetzen. Außerdem an
• Entscheidungsträger und Technologiemanager (Technische Leiter, Projektmanager usw.), die bewerten möchten, wie C++17 die Entwicklungsprozesse ihrer Teams optimieren kann.

Er wird oft als inhouse-Seminar durchgeführt, damit Firmen ihre Teams gemeinsam auf den neuesten Stand bringen können. Offene Seminare finden an der TAE (Technische Akademie Esslingen) statt.

Typische Anwendungsbereiche:

• Automotive, Luft- und Raumfahrt: Entwickler, die hohe Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit einhalten müssen.
• Industrieautomation: Programmierer von komplexen Steuerungs- und Überwachungssystemen.
• IoT und Smart Devices: Entwickler, die für moderne IoT-Geräte arbeiten, bei denen Speicher- und Leistungsoptimierungen entscheidend sind.
• Medizintechnik: Ingenieure, die sicherheitsrelevante und ressourcenschonende Software für medizinische Geräte entwickeln.

Voraussetzungen: Gute C Kenntnisse und gute C++ Kenntnisse im Umfang des Grundkurses.

Inhalte

Die Inhalte dieses Kurses (hier ausführlich) können nach Absprache auf die besonderen Wünsche der Teilnehmer angepasst werden.

1. Embedded Systeme

• Typische Einsatzbereiche
• Spezielle Anforderungen bei embedded Anwendungen
• Mikrocontroller (z.B. STM32, ESP32 usw.)

2. namespaces

3. Exception-Handling

• try/catch, throw und stack unwinding
• Exception-Handling in embedded Anwendungen
• Exceptions in der Standardbibliothek
• std::stacktrace
• noexcept

4. Container der Standardbibliothek

• vector, sequentielle Container, Iteratoren
• Allokatoren und polymorphic memory resources
• Assoziative Container (set, map, multimap und Hash-Container)
• Zusammenfassungen von Datentypen (pair, tuple)
• std::optional und std::variant

5. Dateibearbeitung mit den Streamklassen

6. Funktionsobjekte und Lambda-Ausdrücke

• Der Aufrufoperator ()
• std::function
• Lambda-Ausdrücke

7. Templates

• Funktions-Templates
• Spezialisierungen und Typ-Inferenz
• Nicht-Typ Template-Parameter
• Rekursive Funktions-Templates und variadische Templates
• Klassen-Templates
• type traits
• concepts

8. STL Algorithmen und Lambda Ausdrücke

• STL-Algorithmen vs. selbstgestrickte Algorithmen
• Linear Suchen, Zählen
• Elemente transformieren und ersetzen
• Sortieren
• Binäre Suche in sortierten Containern
• Parallele Algorithmen der STL, z.B. std::sort
• Parallel for mit for_each
• std::reduce und std::transform_reduce