增強嵌入式系統(tǒng)可靠性7種方法

成為一個正式的嵌入式開發(fā)工程師是一個艱辛的過程，從規(guī)范完善的開發(fā)周期到嚴格執(zhí)行和系統(tǒng)檢查，開發(fā)高可靠性嵌入式系統(tǒng)的技術有許多種。

本文介紹7個易操作且可以長久使用的技巧，它們對于確保系統(tǒng)更加可靠地運行并捕獲異常行為大有幫助。

一

用已知值填充ROM軟件開發(fā)人員往往都是非常樂觀的一群人，只要讓他們的代碼忠實地長時間地運行就可以了，僅此而已。微控制器跳出應用程序空間并在非預想的代碼空間中執(zhí)行這種情況似乎是相當少有的。然而，這種情況發(fā)生的機會并不比緩存溢出或錯誤指針失去引用少。它確實會發(fā)生！發(fā)生這種情況后的系統(tǒng)行為將是不確定的，因為默認情況下內(nèi)存空間都是0xFF，或者由于內(nèi)存區(qū)通常沒有寫過，其中的值可能只有上帝才知道。

不過有相當完備的linker或IDE技巧可以用來幫助識別這樣的事件并從中恢復系統(tǒng)。技巧就是使用FILL命令對未用ROM填充已知的位模式。要填充未使用的內(nèi)存，有很多不同的可能組合可以使用，但如果是想建立更加可靠的系統(tǒng)，最明顯的選擇是在這些位置放置ISR fault handler。如果系統(tǒng)出了某些差錯，處理器開始執(zhí)行程序空間以外的代碼，就會觸發(fā)ISR，并在決定校正行動之前提供儲存處理器、寄存器和系統(tǒng)狀態(tài)的機會。

二

檢查應用程序的CRC對嵌入式工程師來說一個很大的好處是，我們的IDE和工具鏈可以自動產(chǎn)生應用程序或內(nèi)存空間校驗和（Checksum），從而根據(jù)這個校驗和驗證應用程序是否完好。有趣的是，在許多這些案例中，只有在將程序代碼加載到設備時，才會用到校驗和。

然而，如果CRC或校驗和保持在內(nèi)存中，那么驗證應用程序在啟動時（或甚至對長時間運行的系統(tǒng)定期驗證），是否仍然完好是確保意外之事不會發(fā)生的極好途徑?，F(xiàn)在一個編程過的應用程序發(fā)生改變的概率是很小的，但考慮每年交付的數(shù)十億個微控制器以及可能惡劣的工作環(huán)境，應用程序崩潰的機會并不是零。更有可能的是，系統(tǒng)中的一個缺陷可能導致某一扇區(qū)發(fā)生閃存寫入或閃存擦除，從而破壞應用程序的完整性。

三

啟動時執(zhí)行RAM檢查為了建立一個更加可靠和扎實的系統(tǒng)，確保系統(tǒng)硬件正常工作非常重要。畢竟硬件會發(fā)生故障（幸運的是軟件永遠不會發(fā)生故障，軟件只會做代碼要它做的事，不管是正確的還是錯誤的）。在啟動時驗證RAM的內(nèi)部或外部沒有問題，是確保硬件可以如預期般運作的一個好方法。

有許多不同的方法可用于執(zhí)行RAM檢查，但常用的方法是寫入一個已知的模式，然后等上一小段時間再回讀。結(jié)果應該是所讀就是所寫。真相是，在大多數(shù)情況下 RAM檢查是通過的，這也是我們想要的結(jié)果。但也有極小的可能性檢查不通過，這時就為系統(tǒng)標示出硬件問題提供了極好的機會。

四

使用堆棧監(jiān)視器對許多的嵌入式開發(fā)者而言，堆棧似乎是一股相當神秘的力量。當奇怪的事情開始發(fā)生，工程師終于被難倒了，他們開始思考，也許堆棧中發(fā)生了什么事。結(jié)果是盲目地調(diào)整堆棧的大小和位置等等。但該錯誤往往是與堆棧無關的，但怎能如此確定？畢竟，有多少工程師真的實際執(zhí)行過最壞情況下的堆棧大小分析？

堆棧大小是在編譯時就靜態(tài)分配好的，但堆棧是以動態(tài)的方式使用的。隨著代碼的執(zhí)行，應用程序需要的變量、返回的地址和其它信息被不斷存儲在堆棧中。這種機制導致堆棧在其分配的內(nèi)存中不斷增長。然而，這種增長有時會超出編譯時確定的容量極限，導致堆棧破壞相鄰內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)。絕對確保堆棧正常工作的一種方法是實現(xiàn)堆棧監(jiān)視器，將它作為系統(tǒng)"保健"代碼的一部分（有多少工程師會這樣做？）。堆棧監(jiān)視器會在堆棧和"其它"內(nèi)存區(qū)域之間創(chuàng)建一個緩沖區(qū)域，并填充已知的位模式。然后監(jiān)視器會不斷的監(jiān)視圖案是否有任何變化。如果該位模式發(fā)生了改變，那就意味著堆棧增長得太大了，即將要把系統(tǒng)推向黑暗地獄！此時監(jiān)視器可以記錄事件的發(fā)生、系統(tǒng)狀態(tài)以及任何其它有用的數(shù)據(jù)，供日后用于問題的診斷。大多數(shù)實時操作系統(tǒng)（RTOS）或?qū)崿F(xiàn)了內(nèi)存保護單元（MPU）的微控制器系統(tǒng)中都提供有堆棧監(jiān)視器。可怕的是，這些功能默認都是關閉狀態(tài)，或者經(jīng)常被開發(fā)人員有意關閉。在網(wǎng)絡上快速搜尋一下可以發(fā)現(xiàn)，很多人建議關閉實時操作系統(tǒng)中的堆棧監(jiān)視器以節(jié)省56字節(jié)的閃存空間。等等，這可是得不償失的做法！

五

使用MPU在過去，是很難在一個小而廉價的微控制器中找到內(nèi)存保護單元（MPU）的，但這種情況已經(jīng)開始改變?，F(xiàn)在從高端到低端的微控制器都已經(jīng)有MPU，而這些 MPU為嵌入式軟件開發(fā)人員提供了一個可以大幅提高其固件（firmware）魯棒性（robustness）的機會。MPU 已逐漸與操作系統(tǒng)耦合，以便建立內(nèi)存空間，其中的處理都分開，或任務可執(zhí)行其代碼，而不用擔心被stomped on。倘若真有事情發(fā)生，不受控制的處理會被取消，也會執(zhí)行其他的保護措施。請留意帶有這種組件的微控制器，如果有，請多加利用它的這種特性。

六

建立一個強大的看門狗系統(tǒng)你經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)的一種總是最受喜愛的看門狗（watchdog）實現(xiàn)是，在看門狗被啟用之處（這是一個很好的開始），但也是可以用周期性定時器將該看門狗清零之處；定時器的啟用是完全與程序中出現(xiàn)的任何情況隔離的。使用看門狗的目的是協(xié)助確保如果出現(xiàn)錯誤，看門狗不會被清零，即當工作暫停，系統(tǒng)會被迫去執(zhí)行硬件重設定（hardware reset），以便恢復。使用與系統(tǒng)活動獨立的定時器可以讓看門狗保持清零，即使系統(tǒng)已失效。對應用任務如何整合到看門狗系統(tǒng)中，嵌入式開發(fā)人員需要仔細考慮和設計。例如，有種技術可能可以讓每個在一定時期內(nèi)運行的任務標示它們可以成功地完成其任 務。在此事件中，看門狗不被清零，強制被復位。還有一些比較先進的技術，像是使用外部看門狗處理器，它可用來監(jiān)視主處理器如何表現(xiàn)，反之亦然。

七

避免易失存儲器分配不習慣在資源有限環(huán)境下工作的工程師，可能會試圖使用其編程語言的特性，這種語言讓他們可以使用易失存儲器分配。畢竟，這是一種常在計算器系統(tǒng)中使用的技術，在計算器系統(tǒng)中，只有在有必要時，內(nèi)存才會被分配。例如，以C開發(fā)時，工程師可能傾向于使用malloc來分配在堆（heap）上的空間。有一個操 作會執(zhí)行，一旦完成，可以使用free將被分配的內(nèi)存返回，以便堆的使用。在資源受限的系統(tǒng)，這可能是一場災難！使用易失存儲器分配的其中一個問題是，錯誤或不當?shù)募夹g可能會導致內(nèi)存泄漏或內(nèi)存碎片。如果出現(xiàn)這些問題時，大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)并沒有資源或知識來監(jiān)視堆或妥善地處理它。而當它們發(fā)生時，如果應用程序提出對空間的要求，但卻沒有所請求的空間可以使用，會發(fā)生什么事呢？使用易失存儲器分配所產(chǎn)生的問題是很復雜的，要妥善處理這些問題，可以說是一個噩夢！一種替代的方法是，直接以靜態(tài)的方式，簡化內(nèi)存的分配。例如，只要在程序中簡單地建立一個大小為256字節(jié)長的緩沖區(qū)，而不是經(jīng)由malloc請求這樣大小的內(nèi)存緩沖區(qū)。此一分配的內(nèi)存可在整個應用程序的生命周期期間保持，且不會有堆或內(nèi)存碎片問題方面的顧慮。