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      開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的7個技巧

      2015年08月11日 13:46:57人氣:5408來源:

        盡管許多嵌入式工程師充滿了希望和夢想,但高可靠性的代碼不是一蹴而就的。它是一個艱苦的過程,需要開發(fā)人員維護(hù)和管理系統(tǒng)的每個比特和字節(jié)。當(dāng)一個應(yīng)用程序被確認(rèn)為“成功”的那一刻,通常會有一種如釋重負(fù)的感覺,但僅僅因?yàn)檐浖谑芸貤l件下的那一刻運(yùn)行正常并不意味著明天或一年后還會運(yùn)行正常。
        
        從規(guī)范完善的開發(fā)周期到嚴(yán)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(shù)有許多種。本文介紹了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(yùn)行并捕獲異常行為大有幫助。
        
        技巧1——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(shí)地長時間地運(yùn)行就可以了,*而已。微控制器跳出應(yīng)用程序空間并在非預(yù)想的代碼空間中執(zhí)行這種情況似乎是相當(dāng)少有的。然而,這種情況發(fā)生的機(jī)會并不比緩存溢出或錯誤指針失去引用少。它確實(shí)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?yàn)槟J(rèn)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(dāng)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(fù)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),*的選擇是在這些位置放置ISRfaulthandler。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(jī)會。
        
        技巧2——檢查應(yīng)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(yīng)用程序或內(nèi)存空間校驗(yàn)和(Checksum),從而根據(jù)這個校驗(yàn)和驗(yàn)證應(yīng)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(shè)備時,才會用到校驗(yàn)和。
        
        然而,如果CRC或校驗(yàn)和保持在內(nèi)存中,那么驗(yàn)證應(yīng)用程序在啟動時(或甚至對長時間運(yùn)行的系統(tǒng)定期驗(yàn)證)是否仍然完好是確保意外之事不會發(fā)生的*途徑?,F(xiàn)在一個編程過的應(yīng)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(yīng)用程序崩潰的機(jī)會并不是零。更有可能的是,系統(tǒng)中的一個缺陷可能導(dǎo)致某一扇區(qū)發(fā)生閃存寫入或閃存擦除,從而破壞應(yīng)用程序的完整性。
        
        技巧3——在啟動時執(zhí)行RAM檢查
        
        為了建立一個更加可靠和扎實(shí)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(yùn)的是軟件永遠(yuǎn)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(yàn)證RAM的內(nèi)部或外部沒有問題,是確保硬件可以如預(yù)期般運(yùn)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(yīng)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(biāo)示出硬件問題提供了*的機(jī)會。
        
        技巧4——使用堆棧監(jiān)視器
        
        對許多的嵌入式而言,堆棧似乎是一股相當(dāng)神秘的力量。當(dāng)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(guān)的,但怎能如此確定?畢竟,有多少工程師真的實(shí)際執(zhí)行過zui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(yīng)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(jī)制導(dǎo)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(dǎo)致堆棧破壞相鄰內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)。
        
        確保堆棧正常工作的一種方法是實(shí)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(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)或?qū)崿F(xiàn)了內(nèi)存保護(hù)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(rèn)都是關(guān)閉狀態(tài),或者經(jīng)常被開發(fā)人員有意關(guān)閉。在網(wǎng)絡(luò)上快速搜尋一下可以發(fā)現(xiàn),很多人建議關(guān)閉實(shí)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!
        
        技巧5-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(hù)單元(MPU)的,但這種情況已經(jīng)開始改變?,F(xiàn)在從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(jī)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(wù)可執(zhí)行其代碼,而不用擔(dān)心被stompedon。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(hù)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。
        
        技巧6-建立一個強(qiáng)大的看門狗系統(tǒng)
        
        你經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)的一種總是zui受喜愛的看門狗(watchdog)實(shí)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*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(dāng)工作暫停,系統(tǒng)會被迫去執(zhí)行硬件重設(shè)定(hardwarereset),以便恢復(fù)。使用與系統(tǒng)活動獨(dú)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(yīng)用任務(wù)如何整合到看門狗系統(tǒng)中,嵌入式開發(fā)人員需要仔細(xì)考慮和設(shè)計。例如,有種技術(shù)可能可以讓每個在一定時期內(nèi)運(yùn)行的任務(wù)標(biāo)示它們可以成功地完成其任務(wù)。在此事件中,看門狗不被清零,強(qiáng)制被復(fù)位。還有一些比較*的技術(shù),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。
        
        對一個可靠的系統(tǒng)而言,建立一個強(qiáng)大的看門狗系統(tǒng)是很重要的。由于有太多的技術(shù),難以在這幾個段落中*涵蓋,但針對此一議題,筆者未來還會發(fā)表相關(guān)的文章。
        
        技巧7-避免易失存儲器分配
        
        不習(xí)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(shù),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(zāi)難!使用易失存儲器分配的其中一個問題是,錯誤或不當(dāng)?shù)募夹g(shù)可能會導(dǎo)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(dāng)它們發(fā)生時,如果應(yīng)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(fù)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(yīng)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。
        
        結(jié)論
        
        這些都只是一些可以讓開發(fā)人員開始建立更可靠嵌入式系統(tǒng)的方法。另外還有很多其他技術(shù),例如利用良好的編碼標(biāo)準(zhǔn)、位翻轉(zhuǎn)的監(jiān)測、執(zhí)行數(shù)組和指針邊界檢查,及使用斷言等。所有這些技術(shù)都是讓設(shè)計者可以開發(fā)出可靠性更高嵌入式系統(tǒng)的秘訣。
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