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,?？傉J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,。對于75年以前人傳統(tǒng)觀念還比較濃重,，對于那個年代的人來講所受到教育和現(xiàn)在應(yīng)該說是不一樣的。對于那個時代物資相對比較匱乏，科技相對有些落后沒有現(xiàn)在所謂的大數(shù)據(jù),、云計算,、互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)。

　　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(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地長時間地運行就可以了，僅此而已,。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(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),，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,。

　　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)存空間校驗和(Checksum)，從而根據(jù)這個校驗和驗證應(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,，才會用到校驗和,。

　　然而，如果CRC或校驗和保持在內(nèi)存中,，那么驗證應(yīng)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(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(yù)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(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)標示出硬件問題提供了極好的機會,。

　　技巧4——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(guān)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(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)。

　　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(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)存保護單元(MPU)的,，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,，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(wù)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,。

　　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)，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(shè)定(hardware reset),，以便恢復(fù),。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(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)運行的任務(wù)標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,，強制被復(fù)位,。還有一些比較先進的技術(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完全涵蓋,，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?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準、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,。