7个简单易操作使用技巧大幅提升你的嵌入式系统可靠性（附嵌入式系统知识讲义）.docx

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1、一个正式的嵌入式开发工程师是一个艰辛的过程。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。本文介绍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OxFF,或者由于内存区通常没有写过，其中的值可能

2、只有上帝才知道。不过有相当完备的Iinker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FlLL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ISRfaUlthandlero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

3、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

4、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

5、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？）o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

6、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！技巧5：使用MPU在过去，是很难在一个小而廉价的微控制器中找到内存保护单元（MPU）的，但这种情况已经开始改变。现在从高端到低端的微控制器都已经有MPU,而这些MPU为嵌入式软件开

7、发人员提供了一个可以大幅提高其固件（firmware）鲁棒性（robustness）的机会。MPU已逐渐与操作系统耦合，以便建立内存空间，其中的处理都分开，或任务可执行其代码，而不用担心被StomPedon。倘若真有事情发生，不受控制的处理会被取消，也会执行其他的保护措施。请留意带有这种组件的微控制器，如果有，请多加利用它的这种特性。技巧6：建立一个强大的看门狗系统你经常会发现的一种总是最受喜爱的看门狗（WatChdOg）实现是，在看门狗被启用之处（这是一个很好的开始），但也是可以用周期性定时器将该看门狗清零之处；定时器的启用是完全与程序中出现的任何情况隔离的。使用看门狗的目的是协助确保如果出

8、现错误，看门狗不会被清零，即当工作暂停，系统会被迫去执行硬件重设定（hardwarereset）,以便恢复。使用与系统活动独立的定时器可以让看门狗保持清零，即使系统已失效。对应用任务如何整合到看门狗系统中，嵌入式开发人员需要仔细考虑和设计。例如，有种技术可能可以让每个在一定时期内运行的任务标示它们可以成功地完成其任务。在此事件中，看门狗不被清零，强制被复位。还有一些比较先进的技术，像是使用外部看门狗处理器，它可用来监视主处理器如何表现，反之亦然。对一个可靠的系统而言，建立一个强大的看门狗系统是很重要的。由于有太多的技术，难以在这几个段落中完全涵盖，但针对此一议题，笔者未来还会发表相关的文章。技

9、巧7：避免易失存储器分配不习惯在资源有限环境下工作的工程师，可能会试图使用其编程语言的特性，这种语言让他们可以使用易失存储器分配。毕竟，这是一种常在计算器系统中使用的技术，在计算器系统中，只有在有必要时，内存才会被分配。例如，以C开发时，工程师可能倾向于使用maoc来分配在堆（heap）上的空间。有一个操作会执行，一旦完成，可以使用free将被分配的内存返回，以便堆的使用。在资源受限的系统，这可能是一场灾难！使用易失存储器分配的其中一个问题是,错误或不当的技术可能会导致内存泄漏或内存碎片，如果出现这些问题时，大多数的嵌入式系统并没有资源或知识来监视堆或妥善地处理它。而当它们发生时，如果应用程序

10、提出对空间的要求，但却没有所请求的空间可以使用，会发生什么事呢？使用易失存储器分配所产生的问题是很复杂的，要妥善处理这些问题，可以说是一个噩梦！一种替代的方法是，直接以静态的方式，简化内存的分配。例如，只要在程序中简单地建立一个大小为256字节长的缓冲区，而不是经由malloc请求这样大小的内存缓冲区。此一分配的内存可在整个应用程序的生命周期期间保持，且不会有堆或内存碎片问题方面的顾虑。结论所有这些技术都是让设计者可以开发出可靠性更高的嵌入式系统的秘诀。入式系统(Embeddedsystem),是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电气工程师协会(U.K.I

11、nstitutionofElectricalEngineer)的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。1嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的；所以经常称为“固件工国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以

12、应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。引嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如Palm之所以在PDA领域占有70%

13、以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，

14、而且有时很难以给它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统，本文在进行分析和展望时，也沿用这一观点。一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出(I/O)和软件(由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，在这里我们对其不加区分，这也是嵌入式系统和一般的PC操作系统的最大区别)。嵌入式系统(Embeddedsystem),是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电气工程师协会(U.K.InstitutionofElectricalEngineer)的定义，嵌入式系统为控制、监

15、视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设

16、备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的；所以经常称为“固件工历史发展从20世纪七十年代单片机的出现到各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。最早的单片机是Intel公司的8048,它出现在1976年。Motorola同时推