Chương 2. Từ ngôn ngữ máy đến C++

Mục tiêu

Nắm mạch lịch sử: ngôn ngữ máy → Assembly → ngôn ngữ cấp cao → C → C++.
Hiểu vì sao C được thiết kế "gần phần cứng" và C++ kế thừa điều đó.
Biết các phiên bản chuẩn C++ và nên chọn phiên bản nào cho nhúng.

Câu chuyện

Ngôn ngữ máy và Assembly

CPU chỉ hiểu mã máy: chuỗi bit mã hoá lệnh. Viết trực tiếp bằng số nhị phân dễ sai và không đọc được, nên xuất hiện Assembly: mỗi lệnh máy có một tên gợi nhớ (mnemonic), ví dụ MOV, ADD, B (nhánh). Một assembler dịch Assembly sang mã máy theo tỉ lệ gần như một-một.

Hệ quả cho nhúng đến tận ngày nay: mỗi họ CPU (ARM, AVR, RISC-V, x86) có tập lệnh riêng, nên Assembly không chuyển được giữa các chip.

Ngôn ngữ cấp cao đầu tiên

Từ cuối thập niên 1950, các ngôn ngữ như FORTRAN cho phép viết công thức gần toán học; trình biên dịch lo phần dịch sang mã máy. Lập trình viên đổi một phần kiểm soát lấy năng suất và tính di động.

C: ngôn ngữ hệ thống

Đầu thập niên 1970, tại Bell Labs, Dennis Ritchie tạo ra C để viết lại hệ điều hành Unix — một hệ điều hành trước đó viết bằng Assembly. Yêu cầu thiết kế rất thực dụng: đủ cao để di động giữa các máy, đủ thấp để truy cập bộ nhớ và thanh ghi trực tiếp. Sách The C Programming Language (Kernighan & Ritchie, 1978) phổ biến ngôn ngữ; sau đó ANSI/ISO chuẩn hoá thành C89/C90.

Hai đặc điểm của C là nền cho nhúng:

Con trỏ và bộ nhớ phẳng: trỏ thẳng vào địa chỉ thanh ghi.
Mô hình chạy tối giản: không có runtime nặng; main chạy sau khi startup code dựng stack.

C++: C cộng khả năng trừu tượng

Cuối thập niên 1970, Bjarne Stroustrup (Bell Labs) bắt đầu "C with Classes", được đổi tên C++ đầu thập niên 1980. Mục tiêu: giữ hiệu năng và khả năng truy cập phần cứng của C, thêm cách tổ chức chương trình lớn (class, sau này template).

Các phiên bản chuẩn C++

Chuẩn	Thêm gì đáng chú ý (với nhúng)
C++98/03	Chuẩn ISO đầu tiên; template, STL
C++11	`auto`, lambda, `constexpr`, `nullptr`, smart pointer, move semantics
C++14	`constexpr` mạnh hơn, generic lambda
C++17	`if constexpr`, `std::optional`, `std::string_view`, structured bindings
C++20	Concepts, `std::span`, `consteval`, `constinit`, designated initializers
C++23	`std::expected`, `if consteval`, các cải tiến `constexpr`

Khuyến nghị của sách: dùng C++20 khi toolchain hỗ trợ (GCC 10+ cho phần lớn tính năng). Nếu chip bị kẹt ở toolchain cũ, C++17 vẫn đủ cho 90% nội dung. Luôn kiểm tra bảng hỗ trợ tính năng của đúng phiên bản trình biên dịch bạn dùng.

Kiến thức: "C++ nhúng" nằm ở đâu

              ┌──────────────────────────────┐
              │ C++ đầy đủ (ngoại lệ, RTTI,  │
              │ iostream, STL cấp phát động) │
              ├──────────────────────────────┤
              │ C++ nhúng: RAII, template,   │
              │ constexpr, enum class, span  │
              ├──────────────────────────────┤
              │ Phần chung với C:            │
              │ con trỏ, struct, volatile    │
              └──────────────────────────────┘

Sách đi từ đáy lên: bạn luôn có thể quay về phần chung với C khi cần kiểm soát tuyệt đối. Trên thực tế các firmware C++ đều gọi lại thư viện C của nhà sản xuất chip (HAL/CMSIS), nên biết cả hai là bắt buộc.

Ví dụ

Chương trình đầu tiên bạn sẽ chạy trên PC:

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Hello, embedded C++!\n";
    return 0;
}

g++ -std=c++20 -Wall -Wextra -o hello hello.cpp && ./hello

Hello, embedded C++!

Góc nhúng

Startup code (thường do nhà sản xuất cung cấp) đặt con trỏ stack, chép dữ liệu khởi tạo từ Flash sang RAM, xoá vùng .bss, gọi constructor của đối tượng toàn cục rồi mới gọi main. Với C++ bước cuối là quan trọng: đối tượng toàn cục có constructor chạy trước main.
Thứ tự khởi tạo giữa các đối tượng toàn cục ở các file khác nhau không xác định ("static initialization order fiasco"). Phần 5 quay lại chủ đề này.

Lỗi thường gặp

Nhầm mốc lịch sử: hãy ghi lại nguồn khi trích năm cụ thể; các mốc trong chương là mức độ thập niên.
Chọn chuẩn C++ quá mới mà toolchain của chip chưa hỗ trợ — build lỗi ở phần thư viện chuẩn, không phải ở code của bạn.

Bài tập

Chạy g++ --version và cho biết chuẩn C++ nào là mặc định của trình biên dịch bạn (gợi ý: in __cplusplus, xem chương 5).
Tìm bảng "C++ compiler support" của GCC và cho biết phiên bản GCC tối thiểu hỗ trợ std::span.
Vì sao Assembly viết cho ARM Cortex-M không chạy được trên AVR?

Tóm tắt

Mã máy → Assembly → ngôn ngữ cấp cao → C → C++: mỗi bước đổi một chút kiểm soát lấy năng suất.
C thiết kế để viết hệ điều hành; C++ giữ nền đó và thêm trừu tượng.
C++20 là mục tiêu của sách; nhúng dùng một tập con có chủ đích.