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开发高可靠性嵌入式系统 这7大技巧助你一臂之力

导读: 成为一个正式的嵌入式开发工程师。它是一个艰辛的过程,需要开发人员维护和管理系统的每个比特和字节。从规范完善的开发周期到严格执行和系统检查,开发高可靠性嵌入式系统的技术有许多种。今天给大家介绍7个易操作且可以长久使用的技巧,它们对于确保系统更加可靠地运行并捕获异常行为大有帮助。

成为一个正式的嵌入式开发工程师。它是一个艰辛的过程,需要开发人员维护和管理系统的每个比特和字节。从规范完善的开发周期到严格执行和系统检查,开发高可靠性嵌入式系统的技术有许多种。今天给大家介绍7个易操作且可以长久使用的技巧,它们对于确保系统更加可靠地运行并捕获异常行为大有帮助。

技巧1——用已知值填充ROM

软件开发人员往往都是非常乐观的一群人,只要让他们的代码忠实地长时间地运行就可以了,仅此而已。微控制器跳出应用程序空间并在非预想的代码空间中执行这种情况似乎是相当少有的。然而,这种情况发生的机会并不比缓存溢出或错误指针失去引用少。它确实会发生!发生这种情况后的系统行为将是不确定的,因为默认情况下内存空间都是0xFF,或者由于内存区通常没有写过,其中的值可能只有上帝才知道。

不过有相当完备的linker或IDE技巧可以用来帮助识别这样的事件并从中恢复系统。技巧就是使用FILL命令对未用ROM填充已知的位模式。要填充未使用的内存,有很多不同的可能组合可以使用,但如果是想建立更加可靠的系统,最明显的选择是在这些位置放置ISR fault handler。如果系统出了某些差错,处理器开始执行程序空间以外的代码,就会触发ISR,并在决定校正行动之前提供储存处理器、寄存器和系统状态的机会。

技巧2——检查应用程序的CRC

对嵌入式工程师来说一个很大的好处是,我们的IDE和工具链可以自动产生应用程序或内存空间校验和(Checksum),从而根据这个校验和验证应用程序是否完好。有趣的是,在许多这些案例中,只有在将程序代码加载到设备时,才会用到校验和。

然而,如果CRC或校验和保持在内存中,那么验证应用程序在启动时(或甚至对长时间运行的系统定期验证)是否仍然完好是确保意外之事不会发生的极好途径。现在一个编程过的应用程序发生改变的概率是很小的,但考虑每年交付的数十亿个微控制器以及可能恶劣的工作环境,应用程序崩溃的机会并不是零。更有可能的是,系统中的一个缺陷可能导致某一扇区发生闪存写入或闪存擦除,从而破坏应用程序的完整性。

技巧3——在启动时执行RAM检查

为了建立一个更加可靠和扎实的系统,确保系统硬件正常工作非常重要。毕竟硬件会发生故障。(幸运的是软件永远不会发生故障,软件只会做代码要它做的事,不管是正确的还是错误的)。在启动时验证RAM的内部或外部没有问题,是确保硬件可以如预期般运作的一个好方法。

有许多不同的方法可用于执行RAM检查,但常用的方法是写入一个已知的模式,然后等上一小段时间再回读。结果应该是所读就是所写。真相是,在大多数情况下 RAM检查是通过的,这也是我们想要的结果。但也有极小的可能性检查不通过,这时就为系统标示出硬件问题提供了极好的机会。

技巧4——使用堆栈监视器

对许多的嵌入式开发者而言,堆栈似乎是一股相当神秘的力量。当奇怪的事情开始发生,工程师终于被难倒了,他们开始思考,也许堆栈中发生了什么事。结果是盲目地调整堆栈的大小和位置等等。但该错误往往是与堆栈无关的,但怎能如此确定?毕竟,有多少工程师真的实际执行过最坏情况下的堆栈大小分析?

堆栈大小是在编译时就静态分配好的,但堆栈是以动态的方式使用的。随着代码的执行,应用程序需要的变量、返回的地址和其它信息被不断存储在堆栈中。这种机制导致堆栈在其分配的内存中不断增长。然而,这种增长有时会超出编译时确定的容量极限,导致堆栈破坏相邻内存区域的数据。

绝对确保堆栈正常工作的一种方法是实现堆栈监视器,将它作为系统“保健”代码的一部分(有多少工程师会这样做?)。堆栈监视器会在堆栈和“其它”内存区域之间创建一个缓冲区域,并填充已知的位模式。然后监视器会不断的监视图案是否有任何变化。如果该位模式发生了改变,那就意味着堆栈增长得太大了,即将要把系统推向黑暗地狱!此时监视器可以记录事件的发生、系统状态以及任何其它有用的数据,供日后用于问题的诊断。

大多数实时操作系统(RTOS)或实现了内存保护单元(MPU)的微控制器系统中都提供有堆栈监视器。可怕的是,这些功能默认都是关闭状态,或者经常被开发人员有意关闭。在网络上快速搜寻一下可以发现,很多人建议关闭实时操作系统中的堆栈监视器以节省56字节的闪存空间等等,这可是得不偿失的做法!

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