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嵌入式软件设计处处是坑,确保可靠性有这些绝招

2017-03-28 [责任编辑:susan]
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【导读】硬件叱咤江湖,软件通过控制硬件来统治江湖。如今,有电子的地方就有嵌入式软件,有电子故障的地方,也就有嵌入式软件设计缺陷的影子。我们今天就把软件所容易犯的错误和规避的方法一一罗列,并给出应对之法。

嵌入式软件的最大特点是以控制为主,软硬结合的较多,功能性的操作较多,模块相互间调用的较多,外部工作环境复杂容易受到干扰或干扰别的设备,且执行错误的后果不仅仅是数据错误而是有可能导致不可估量的灾难,所以总结起来,嵌入式软件可靠性设计需注意的问题有四个方面:
 
1、软件接口
 
先说软件接口中容易出问题的地方和编程人员容易犯的错误。
 
软件接口调用一般会有数据的赋值,赋值变量的数据类型可能会存在强制的数据转换;需加以检查。如果为了防范出问题的话,可以添加对数据范围和数据类型的检查。
 
赋值数据的数量不对路,多了少了的都不好,会出现意外的赋值结果,不过还好,这项错误比较好检查。
 
软件编程中,会有对某一功能操作代码的复用,比如对某个端口的数据检查和控制,在整个程序中只会发生两次,为了图省事,可能就直接把该段代码直接插入实际程序模块中去了,这样,在源程序代码中,就出现了两段完全相同,完成相同功能,只是服务于不同模块的代码,按道理来说,这样设计其实也没啥问题,是的,你没错,但你的行为会使别人无意中犯错。有人会说了,我这样写代码怎么就算引诱呢?原因是程序可能会升级,你这几行代码在实际应用过程中也不能保证是尽善尽美的,发现不完善的地方后,势必会修改,如果你还能想得起来,可能不会遗漏,如果修改此代码的是别的人,改了一个地方,别的地方没改,是不是还留着隐患?那如何做呢?方法不难,把这段功能单独做成一个模块即可,对此端口的读取和控制赋值均由此独立模块完成,如果数据的正确性影响大的话,还需要对端口数据的正确性进行检查和判断。嵌入式软件可靠性编程方法的四个目的是防错、判错、纠错、容错。对端口数据的判断属于判错的内容。
 
2、软硬件接
 
硬件,对外的执行都靠它来实现,一旦出现问题,执行后的后果就不可控了,但如何注意呢?
 
对读进来的硬件接口的数据要判断其真伪;
 
对输出的数据的执行效果要检测;
 
对输出的数据的可能后果要进行预防性设计,数据输出的过程,我们从设计上要做一个分析,分析的思路是一般容易局限在稳态过程,忽视了过渡过程。举例说明,比如我们控制一个支路的供电,从软件控制来说,直接给继电器一个启动信号,让开状态的触点闭合就可以了,非“关”即“开”,是受控继电器的两个稳态状态,但事实上,在从开到闭合的过程中,支路供电的电压并不是一个简单0V—24V(24V为示例而已)的跳变状态,而是一个抖动,有冲击信号的过程,这种情况在硬件上的防护是必不可少的,但在软件上也不是可以事不关己、高高挂起的。
 
另外在逻辑上,宜将容易被干扰和容易产生的干扰控制动作从时序上控制好,予以分开隔离。比如,控制继电器的过程是容易产生抖动尖峰脉冲而干扰数据总线和控制信号总线的,这时候从控制上,不宜同时实施数据的发送和接收工作,不宜作出其他的控制动作,惹不起咱躲得起,躲过这一阵干扰的时候总可以了吧?
 
3、软件代码
 
软件的可靠性是随着时间的推移,可靠性逐渐增加的,这一点区别于电子可靠性、机械可靠性。电子可靠性服从指数分布,在整个生命周期内,其失效率为一个常数;机械可靠性因为磨损、腐蚀、运动等因素的存在,随时间推移可靠度会下降。因此也就有了软件可靠性设计的一个特定规律和注意事项。
 
既然需要通过时间推移,通过不断改进,软件可靠性得到提升。那么软件的可维护性就是一个大问题了。这也是为什么软件工程管理方面特别关注软件文档、注释的原因了。但做这些要求的人只是人云亦云,并不理解如此做法的真正动机。至于注释如何去做、变量如何命名、软件配置管理如何操作,这里面既有很常规的方法,也有一些我们司空见惯然而是错误的做法。信手举上几个值得注意的细节供参考。
 
变量定义时宜将变量类型的变量名程中体现于其中;如AD_result_int、Cal_result_float等。这样为的好检查,防止数据类型的强制转换或强制赋值时出现数据类型的错误;
 
注释要充分;
 
代码的布局风格宜统一,便于阅读查找;
 
不可出现非受控的default流程,所有数值和变量,不论是调用函数时赋予的、读取接口读进来的、还是中间变量计算出来的,在应用前都宜作数据有效性的判断,并对判定的所有可能结果均做受控的对应处理。
 
关于软件可维护性编程方法方面的文章资料在网上是铺天盖地,不予赘述,综合采用之即可。很多文章把软件可维护性编程规范推荐做成企业的嵌入式软件可靠性设计规范,实在是有点以偏概全,有失偏颇的。
 
软件代码在执行中容易出现的下一个问题是跑飞,程序指针受到干扰,跳转到了一个非受控位置,执行了不该执行的代码。如果执行了不该执行的代码,如果在程序中加入了足够的变量判断、读值判断、状态检测判断等,那倒还好了,后果也不会太严重,甚至最终还是可能自己跑回来的。但有一种跑飞是比较可怕的,一般我们在ROM中存放的程序目标代码是1-3字节的指令,就是最多3条字段的目标码组成了执行动作,如果程序指针跑飞到了某个3字节指令的第2个字节上的时候,执行的后果是什么,可就真的没人知道了,即使在程序上作了足够的数据判错、逻辑跳转的防范措施,结果也不会好。而且ROM一般是不可能全部都被程序代码填满的,总有富余空间,富余空间中的默认内容是啥,这些默认字节是否也会导致一些操作呢?单片机中的默认空间是0FFH,DSP的我没查过,大家有兴趣查一下,跳到这些字段里,也是容易出麻烦的。
 
好了,不再罗嗦,直接给出解决方法吧,就是每隔一段程序代码或控制区域,就人为放置上几个NOP指令,在NOP指令后放置一个长跳转的ERR处理程序。注意NOP最少放置3个,这样任何的跑飞最多只能占用2个NOP,第三个NOP一样还是能把程序代码揪回来,揪回来后就执行ERR处理程序。
 
如果碰到安全性、可靠性等级要求比较高的程序,推荐的处理方法可以采用热备份的处理方法,即用两段代码同时执行同一个功能,执行的结果进行对比,如果一致则放行通过,如果结果不一致,怎么处理就看个人。
 
安全性和可靠性的编程细节注意事项还有很多,窥一斑难见全豹。
 
4、数据、变量
 
变量的定义是为的避免各种混淆,同一程序内数据和数据的混淆、不同人读程序时对变量理解上出现的二义性、视觉效果上容易出现的错误(字母的“o”和数字的“0”,字母的“l”和数字的“1”)。这里要遵循一个“要么相同,要么迥异”的基本规则,这条规则在很多的领域都有应用。在结构的防呆性设计上,接插件的选型也是如此,如果一个乳白色和一个浅灰色的同类接插件,最好的选择是有很直观的视觉差异或结构的差异,或者干脆就是相同的,相同须基于一个前提,互换性要好。
 
用显意的符号来命名变量和语句标号。标识符的命名有明确含义,且是完整单词或易理解的缩写。短单词通过去掉“元音”形成缩写;长单词取头几个字母形成缩写;一些单词有公认的缩写。如:
         
Temp     — tmp;
Flag      — flg;
Statistic   — stat;
Increment —   inc;
Message  —  msg。
 
特殊约定或缩写,要有注释说明。在源文件开始处,对使用的缩写或约定注释说明。自己特有的命名风格,要自始至终保持一致。对于变量命名,禁止取单个字符(如i、j、k...);含义+变量类型、数据类型等,i、j、k作局部循环变量是允许的,但容易混淆的字母慎用。如int Liv_Width,L代表局部变量(Local)(g全局变量Global)、i代表数据类型(Interger)、 v代表 变量(Variable)(c常量Const)、Width代表变量的含义,这种命名方式可防止局部变量与全局变量重名。
   
禁用易混淆的标识符(R1和Rl,DO和D0等)来表示不同的变量、文件名和语句标号。
   
除了编译开关/头文件等特殊应用,避免使用_EXAMPLE_TEST_之类以下划线开始和结尾的定义。
 
全局变量是战略性资源,它决定了模块和模块间的耦合度,需在项目上提升到一个足够高的高度,慎用全局变量,不得不用的时候,要单独为每一个全局变量编写独立的操作模块或函数,在修改全局变量的时候,要检查是否有别的函数在调用它并且需要此数值保持稳定。
 
对变量代表某个特定含义的时候,尽量不要仅仅用位来代表什么,比如用某变量的第零位代表某个状态(0000 0001,其中仅用1代表某个内容,这样01H、03H、05H… 会有很多个组合都能代表这个状态);位容易受干扰被修改,信息出现错误的几率大很多。
 
也不要用00H、FFH等数据代表,就像我们面试一群人一样,第一个被面试人和最后一个被面试人容易被记住,00H和FFH亦然,系统默认状态是00和FF的时候较多,他们容易被复位或置位成这类数值。推荐以四位的二进制码的某个中间值为状态变量,如1001。
 
变量数据在应用之前宜作数据类型和数值范围的判断;
 
数据在存储过程中也容易出现问题,EEPROM、RAM等都有过类似的案例。数据出错时避免不了的,解决的办法是学花旗银行等美国金融企业,之所以在9.11后他们能很快恢复业务,基本没有数据方面的损失,原因何在?因为他们有异地容灾数据备份系统,知里面有两个关键词,异地、备份。我们的信息也同样,首先选择存在不同的介质中、或相同的介质但迥异的存放环境和位置下,双重备份的结局是两边不一致的时候,数据被怀疑并拒绝反映执行,但嵌入式软件很多时候是要靠数据来推动执行机构的,即使发现数据有问题也不允许行政不作为,这种情况下,作为我们也很难办,2个不同的数据,有明显问题的还好排除,都在有限范围内可如何判定哈?这种时候没办法只好三备份,少数服从多数是唯一的选择了。石头剪刀布的方式不好用,葛优的分歧终端机也不适用,就只好选择这种最原始最有效的办法了,唯一需要注意的是数据宜存放于三种不同的备份环境下。
 
以上仅就嵌入式软件可靠性的关注方面分了几大类,进行了基本的描述,实际应用中,需要关注的点还有很多很多,如果是准备自行制定设计规范的话,以上的思路应该也可以给与一些启迪了。
关键字:嵌入式软件 软硬件 代码 
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