姓名：高巖? ? ? ? 學號：13020199025

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【嵌牛導讀】：在開發(fā)高可靠性嵌入式系統(tǒng)方面，本文介紹了7個易操作且可以長久使用的技巧赤套，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摇予。

【嵌牛鼻子】：嵌入式系統(tǒng)，ROM西潘，微控制器

【嵌牛提問】：如何高效的開發(fā)出性能可靠的嵌入式系統(tǒng)卷玉？

【嵌牛正文】：

就像很遙遠年代的人們思想還很保守，固守著自己一方凈土獨享著一份安逸喷市∠嘀郑總認為天圓地方一直在平淡而充實的生活，又好似紅樓夢中的劉姥姥走進大觀園看得眼花繚亂品姓。對于75年以前人傳統(tǒng)觀念還比較濃重寝并，對于那個年代的人來講所受到教育和現(xiàn)在應該說是不一樣的。對于那個時代物資相對比較匱乏腹备，科技相對有些落后沒有現(xiàn)在所謂的大數(shù)據(jù)衬潦、云計算、互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)馏谨。

從規(guī)范完善的開發(fā)周期到嚴格執(zhí)行和系統(tǒng)檢查别渔，開發(fā)高可靠性嵌入式系統(tǒng)的技術有許多種。本文介紹了7個易操作且可以長久使用的技巧惧互，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哎媚。

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地長時間地運行就可以了喊儡，僅此而已拨与。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。然而艾猜，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买喧。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，因為默認情況下內存空間都是0xFF匆赃，或者由于內存區(qū)通常沒有寫過淤毛，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)算柳。技巧就是使用FILL命令對未用ROM填充已知的位模式低淡。要填充未使用的內存，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)蔗蹋，最明顯的選擇是在這些位置放置ISR fault handler何荚。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猪杭，就會觸發(fā)ISR餐塘，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)的機會皂吮。

關于如何使用FILL命令以及關于其用途的替代性策略等額外信息可以在“使用FILL命令提高代碼完整性”中找到(http://www.beningo.com/improving-code-integrity-using-fill/)戒傻。

技巧2——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)生應用程序或內存空間校驗和(Checksum)蜂筹，從而根據(jù)這個校驗和驗證應用程序是否完好稠鼻。有趣的是，在許多這些案例中狂票，只有在將程序代碼加載到設備時，才會用到校驗和熙暴。

然而闺属，如果CRC或校驗和保持在內存中，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≈苊梗現(xiàn)在一個編程過的應用程序發(fā)生改變的概率是很小的掂器，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俱箱。更有可能的是国瓮，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狞谱。

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的系統(tǒng)乃摹，確保系統(tǒng)硬件正常工作非常重要。畢竟硬件會發(fā)生故障跟衅。(幸運的是軟件永遠不會發(fā)生故障孵睬，軟件只會做代碼要它做的事，不管是正確的還是錯誤的)伶跷。在啟動時驗證RAM的內部或外部沒有問題掰读，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檢查叭莫，但常用的方法是寫入一個已知的模式蹈集，然后等上一小段時間再回讀。結果應該是所讀就是所寫雇初。真相是拢肆，在大多數(shù)情況下RAM檢查是通過的，這也是我們想要的結果。但也有極小的可能性檢查不通過善榛，這時就為系統(tǒng)標示出硬件問題提供了極好的機會辩蛋。

這里有一個memtest C模塊，是Michael Barr在 2000年就寫好了的移盆，它可以節(jié)省工程師考慮RAM測試所需的時間悼院。可在此處下載該模塊( http://www.embedded.com/design/embedded/source-code/4200237/memtest-zip16 )咒循。

技巧4——使用堆棧監(jiān)視器

對許多的嵌入式開發(fā)者而言据途，堆棧似乎是一股相當神秘的力量。當奇怪的事情開始發(fā)生叙甸，工程師終于被難倒了颖医，他們開始思考，也許堆棧中發(fā)生了什么事裆蒸。結果是盲目地調整堆棧的大小和位置等等熔萧。但該錯誤往往是與堆棧無關的，但怎能如此確定?畢竟僚祷，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)分配好的佛致，但堆棧是以動態(tài)的方式使用的。隨著代碼的執(zhí)行辙谜，應用程序需要的變量俺榆、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存中不斷增長装哆。然而罐脊，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存區(qū)域的數(shù)據(jù)蜕琴。

絕對確保堆棧正常工作的一種方法是實現(xiàn)堆棧監(jiān)視器萍桌，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”內存區(qū)域之間創(chuàng)建一個緩沖區(qū)域凌简，并填充已知的位模式梗夸。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)生了改變号醉，那就意味著堆棧增長得太大了反症，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)畔派，供日后用于問題的診斷铅碍。

大多數(shù)實時操作系統(tǒng)(RTOS)或實現(xiàn)了內存保護單元(MPU)的微控制器系統(tǒng)中都提供有堆棧監(jiān)視器∠咭可怕的是胞谈，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)烦绳，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)的閃存空間卿捎。等等，這可是得不償失的做法!

技巧5 - 使用MPU

在過去径密，是很難在一個小而廉價的微控制器中找到內存保護單元(MPU)的午阵，但這種情況已經(jīng)開始改變。現(xiàn)在從高端到低端的微控制器都已經(jīng)有MPU享扔，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)的機會底桂。

MPU 已逐漸與操作系統(tǒng)耦合，以便建立內存空間惧眠，其中的處理都分開籽懦，或任務可執(zhí)行其代碼，而不用擔心被stomped on氛魁。倘若真有事情發(fā)生暮顺，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，如果有跃惫，請多加利用它的這種特性。

技巧6 - 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)乏苦，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)的任何情況隔離的株扛。使用看門狗的目的是協(xié)助確保如果出現(xiàn)錯誤，看門狗不會被清零汇荐，即當工作暫停洞就，系統(tǒng)會被迫去執(zhí)行硬件重設定(hardware reset)，以便恢復掀淘。使用與系統(tǒng)活動獨立的定時器可以讓看門狗保持清零旬蟋，即使系統(tǒng)已失效。

對應用任務如何整合到看門狗系統(tǒng)中革娄，嵌入式開發(fā)人員需要仔細考慮和設計倾贰。例如，有種技術可能可以讓每個在一定時期內運行的任務標示它們可以成功地完成其任 務拦惋。在此事件中匆浙，看門狗不被清零，強制被復位厕妖。還有一些比較先進的技術首尼，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)，反之亦然软能。

對一個可靠的系統(tǒng)而言迎捺，建立一個強大的看門狗系統(tǒng)是很重要的。由于有太多的技術查排，難以在這幾個段落中完全涵蓋凳枝，但針對此一議題，筆者未來還會發(fā)表相關的文章雹嗦。

技巧7 - 避免易失存儲器分配

不習慣在資源有限環(huán)境下工作的工程師范舀，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了罪。畢竟锭环，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)中泊藕，只有在有必要時辅辩，內存才會被分配。例如娃圆，以C開發(fā)時玫锋，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)行讼呢，一旦完成撩鹿，可以使用free將被分配的內存返回，以便堆的使用悦屏。

在資源受限的系統(tǒng)节沦，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可能會導致內存泄漏或內存碎片础爬。如果出現(xiàn)這些問題時甫贯，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)生時看蚜，如果應用程序提出對空間的要求叫搁，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供炎，要妥善處理這些問題渴逻，可以說是一個噩夢!一種替代的方法是，直接以靜態(tài)的方式音诫，簡化內存的分配裸卫。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)纽竣，而不是經(jīng)由malloc請求這樣大小的內存緩沖區(qū)墓贿。此一分配的內存可在整個應用程序的生命周期期 間保持茧泪，且不會有堆或內存碎片問題方面的顧慮。

結論

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)的方法聋袋。另外還有很多其他技術队伟，例如利用良好的編碼標準、位翻轉的監(jiān)測幽勒、執(zhí)行數(shù)組和指針邊界檢查嗜侮，及使用斷言等。所有這些技術都是讓設計者可以開發(fā)出可靠性更高嵌入式系統(tǒng)的秘訣啥容。