嵌入式軟件可靠性設計應注意的問題

　　男人征服世界，女人通過征服男人來征服世界;硬件叱咤江湖，軟件通過控制硬件來統(tǒng)治江湖。當今世界，放眼江湖，有電子的地方就有嵌入式軟件，有電子故障的地方，也就有嵌入式軟件設計缺陷的影子。我們今天就把軟件所容易犯的錯誤和規(guī)避的方法一一羅列，并給出應對之法。

　　嵌入式軟件的最大特點是以控制為主，軟硬結合的較多，功能性的操作較多，模塊相互間調用的較多，外部工作環(huán)境復雜容易受到干擾或干擾別的設備，且執(zhí)行錯誤的后果不僅僅是數(shù)據錯誤而是有可能導致不可估量的災難，所以總結起來，嵌入式軟件可靠性設計需注意的問題有四個方面：

　　1、軟件接口

　　先說軟件接口中容易出問題的地方和編程人員容易犯的錯誤。

　　軟件接口調用一般會有數(shù)據的賦值，賦值變量的數(shù)據類型可能會存在強制的數(shù)據轉換;需加以檢查。如果為了防范出問題的話，可以添加對數(shù)據范圍和數(shù)據類型的檢查。

　　賦值數(shù)據的數(shù)量不對路，多了少了的都不好，會出現(xiàn)意外的賦值結果，不過還好，這項錯誤比較好檢查。

　　軟件編程中，會有對某一功能操作代碼的復用，比如對某個端口的數(shù)據檢查和控制，在整個程序中只會發(fā)生兩次，為了圖省事，可能就直接把該段代碼直接插入實際程序模塊中去了，這樣，在源程序代碼中，就出現(xiàn)了兩段完全相同，完成相同功能，只是服務于不同模塊的代碼，按道理來說，這樣設計其實也沒啥問題，是的，你沒錯，但你的行為會使別人無意中犯錯。就像青年男女相處，女孩子純粹是想和男孩子充分享受溫馨的氣氛和心情，并不想更深入的發(fā)生什么，但女孩子邀請男生去的是她的家，在家里換上了家居的睡衣，窗戶緊閉，放著的還是曖昧的音樂，然后無限哀怨地說“我沒想到結果會是這樣的”，那怪得誰來呢?在代碼方面，您的這種做法與貌似引誘男孩上鉤的少女無異。有人會說了，我這樣寫代碼怎么就算引誘呢?原因是程序可能會升級，您這幾行代碼在實際應用過程中也不能保證是盡善盡美的，發(fā)現(xiàn)不完善的地方后，勢必會修改，如果你還能想得起來，可能不會遺漏，如果修改此代碼的是別的人，改了一個地方，別的地方沒改，是不是還留著隱患?那如何做呢?方法不難，把這段功能單獨做成一個模塊即可，對此端口的讀取和控制賦值均由此獨立模塊完成，如果數(shù)據的正確性影響大的話，還需要對端口數(shù)據的正確性進行檢查和判斷。嵌入式軟件可靠性編程方法的四個目的是防錯、判錯、糾錯、容錯。對端口數(shù)據的判斷屬于判錯的內容，如果數(shù)據有錯的話，糾錯和容錯的設計方法應該不用我深入講解了吧?

　　2、軟硬件接

　　硬件如男人，對外的執(zhí)行都靠它來實現(xiàn)，一旦出現(xiàn)問題，執(zhí)行后的后果就不可控了，周總理說過“外交無小事”。但如何注意呢?

　　對讀進來的硬件接口的數(shù)據要判斷其真?zhèn)?

　　對輸出的數(shù)據的執(zhí)行效果要檢測;

　　對輸出的數(shù)據的可能后果要進行預防性設計，數(shù)據輸出的過程，我們從設計上要做一個分析，分析的思路是一般容易局限在穩(wěn)態(tài)過程，忽視了過渡過程。舉例說明，比如我們控制一個支路的供電，從軟件控制來說，直接給繼電器一個啟動信號，讓開狀態(tài)的觸點閉合就可以了，非“關”即“開”，是受控繼電器的兩個穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，但事實上，在從開到閉合的過程中，支路供電的電壓并不是一個簡單0V—24V(24V為示例而已)的跳變狀態(tài)，而是一個抖動，有沖擊信號的過程，這種情況在硬件上的防護是必不可少的，但在軟件上也不是可以事不關己、高高掛起的。

　　另外在邏輯上，宜將容易被干擾和容易產生的干擾控制動作從時序上控制好，予以分開隔離。比如，控制繼電器的過程是容易產生抖動尖峰脈沖而干擾數(shù)據總線和控制信號總線的，這時候從控制上，不宜同時實施數(shù)據的發(fā)送和接收工作，不宜作出其他的控制動作，惹不起咱躲得起，躲過這一陣干擾的時候總可以了吧?

　　3、軟件代碼

　　軟件的可靠性是隨著時間的推移，可靠性逐漸增加的，這一點區(qū)別于電子可靠性、機械可靠性。電子可靠性服從指數(shù)分布，在整個生命周期內，其失效率為一個常數(shù);機械可靠性因為磨損、腐蝕、運動等因素的存在，隨時間推移可靠度會下降。因此也就有了軟件可靠性設計的一個特定規(guī)律和注意事項。

　　既然需要通過時間推移，通過不斷改進，軟件可靠性得到提升。那么軟件的可維護性就是一個大問題了。這也是為什么軟件工程管理方面特別關注軟件文檔、注釋的原因了。但做這些要求的人只是人云亦云，并不理解如此做法的真正動機。至于注釋如何去做、變量如何命名、軟件配置管理如何操作，這里面既有很常規(guī)的方法，也有一些我們司空見慣然而是錯誤的做法。信手舉上幾個值得注意的細節(jié)供參考。

　　變量定義時宜將變量類型的變量名程中體現(xiàn)于其中;如AD_result_int、Cal_result_float等。這樣為的好檢查，防止數(shù)據類型的強制轉換或強制賦值時出現(xiàn)數(shù)據類型的錯誤;

　　注釋要充分;

　　代碼的布局風格宜統(tǒng)一，便于閱讀查找;

　　不可出現(xiàn)非受控的default流程，所有數(shù)值和變量，不論是調用函數(shù)時賦予的、讀取接口讀進來的、還是中間變量計算出來的，在應用前都宜作數(shù)據有效性的判斷，并對判定的所有可能結果均做受控的對應處理。

　　關于軟件可維護性編程方法方面的文章資料在網上是鋪天蓋地，不予贅述，綜合采用之即可。很多文章把軟件可維護性編程規(guī)范推薦做成企業(yè)的嵌入式軟件可靠性設計規(guī)范，實在是有點以偏概全，有失偏頗的，用一句娛樂圈的話來說，“愛情是生活的重要內容，但它不是生活的全部”，軟件可維護性編程方法亦然。

　　軟件代碼在執(zhí)行中容易出現(xiàn)的下一個問題是跑飛，程序指針受到干擾，跳轉到了一個非受控位置，執(zhí)行了不該執(zhí)行的代碼。如果執(zhí)行了不該執(zhí)行的代碼，如果在程序中加入了足夠的變量判斷、讀值判斷、狀態(tài)檢測判斷等，那倒還好了，后果也不會太嚴重，甚至最終還是可能自己跑回來的。但有一種跑飛是比較可怕的，一般我們在ROM中存放的程序目標代碼是1-3字節(jié)的指令，就是最多3條字段的目標碼組成了執(zhí)行動作，如果程序指針跑飛到了某個3字節(jié)指令的第2個字節(jié)上的時候，執(zhí)行的后果是什么，可就真的沒人知道了，即使在程序上作了足夠的數(shù)據判錯、邏輯跳轉的防范措施，結果也不會好。而且ROM一般是不可能全部都被程序代碼填滿的，總有富余空間，富余空間中的默認內容是啥，這些默認字節(jié)是否也會導致一些操作呢?單片機中的默認空間是0FFH，DSP的我沒查過，大家有興趣查一下，跳到這些字段里，也是容易出麻煩的。

　　好了，不再羅嗦，直接給出解決方法吧，就是每隔一段程序代碼或控制區(qū)域，就人為放置上幾個NOP指令，在NOP指令后放置一個長跳轉的ERR處理程序。注意NOP最少放置3個，這樣任何的跑飛最多只能占用2個NOP，第三個NOP一樣還是能把程序代碼揪回來，揪回來后就執(zhí)行ERR處理程序。

　　如果碰到安全性、可靠性等級要求比較高的程序，推薦的處理方法可以采用熱備份的處理方法，即用兩段代碼同時執(zhí)行同一個功能，執(zhí)行的結果進行對比，如果一致則放行通過，如果結果不一致，咋處理就看您的嘍。但是… …國人有的是辦法，為了圖省事，你領導不是要求我編熱備份程序嗎，那好，我就把原來的代碼復制一遍，重新插入到某個地方，您這和明朝時代馮保太監(jiān)(還是嚴嵩、張居正阿?拿不準了，大家有興趣的翻看《明朝那些事兒》查閱下)玩的沒啥兩樣，自己寫奏章，自己給自己審批奏章。既然是備份就是為了防止一個人出問題，那最好的辦法自然是不同的人來編這段，如果原理計算方法上也不同，數(shù)據采集通道也不同，那就過年帶娶媳婦的，好上加好了。

　　安全性和可靠性的編程細節(jié)注意事項還有很多，窺一斑難見全豹呵，諸位仁兄一起努力鉆研了。

　　4、數(shù)據、變量

　　變量的定義是為的避免各種混淆，同一程序內數(shù)據和數(shù)據的混淆、不同人讀程序時對變量理解上出現(xiàn)的二義性、視覺效果上容易出現(xiàn)的錯誤(字母的“o”和數(shù)字的“0”，字母的“l(fā)”和數(shù)字的“1”)。這里要遵循一個“要么相同，要么迥異”的基本規(guī)則，這條規(guī)則在很多的領域都有應用，用的最絕的是朱元璋，對待貪官，要么不理你，自覺點您貪差不多了就收手吧，您自己不收手的話，做的過了直接就殺，株連幾族，所以在明朝，朱元璋是殺人最多的皇帝;在結構的防呆性設計上，接插件的選型也是如此，如果一個乳白色和一個淺灰色的同類接插件，最好的選擇是有很直觀的視覺差異或結構的差異，或者干脆就是相同的，相同須基于一個前提，互換性要好。

　　用顯意的符號來命名變量和語句標號。標識符的命名有明確含義，且是完整單詞或易理解的縮寫。短單詞通過去掉“元音”形成縮寫;長單詞取頭幾個字母形成縮寫;一些單詞有公認的縮寫。如：

　　Temp — tmp;

　　Flag — flg;

　　Statistic — stat;

　　Increment — inc;

　　Message — msg。

　　特殊約定或縮寫，要有注釋說明。在源文件開始處，對使用的縮寫或約定注釋說明。自己特有的命名風格，要自始至終保持一致。對于變量命名，禁止取單個字符(如i、j、k...);含義+變量類型、數(shù)據類型等，i、j、k作局部循環(huán)變量是允許的，但容易混淆的字母慎用。如int Liv_Width，L代表局部變量(Local)(g全局變量Global)、i代表數(shù)據類型(Interger)、 v代表 變量(Variable)(c常量Const)、Width代表變量的含義，這種命名方式可防止局部變量與全局變量重名。

　　禁用易混淆的標識符(R1和Rl，DO和D0等)來表示不同的變量、文件名和語句標號。

　　除了編譯開關/頭文件等特殊應用，避免使用_EXAMPLE_TEST_之類以下劃線開始和結尾的定義。

　　全局變量是戰(zhàn)略性資源，它決定了模塊和模塊間的耦合度，需在項目上提升到一個足夠高的高度，慎用全局變量，不得不用的時候，要單獨為每一個全局變量編寫獨立的操作模塊或函數(shù)，在修改全局變量的時候，要檢查是否有別的函數(shù)在調用它并且需要此數(shù)值保持穩(wěn)定。

　　對變量代表某個特定含義的時候，盡量不要僅僅用位來代表什么，比如用某變量的第零位代表某個狀態(tài)(0000 0001，其中僅用1代表某個內容，這樣01H、03H、05H… 會有很多個組合都能代表這個狀態(tài));位容易受干擾被修改，信息出現(xiàn)錯誤的幾率大很多。

　　也不要用00H、FFH等數(shù)據代表，就像我們面試一群人一樣，第一個被面試人和最后一個被面試人容易被記住，00H和FFH亦然，系統(tǒng)默認狀態(tài)是00和FF的時候較多，他們容易被復位或置位成這類數(shù)值。推薦以四位的二進制碼的某個中間值為狀態(tài)變量，如1001。

　　變量數(shù)據在應用之前宜作數(shù)據類型和數(shù)值范圍的判斷;

　　數(shù)據在存儲過程中也容易出現(xiàn)問題，EEPROM、RAM等都有過類似的案例。數(shù)據出錯時避免不了的，解決的辦法是學花旗銀行等美國金融企業(yè)，之所以在9.11后他們能很快恢復業(yè)務，基本沒有數(shù)據方面的損失，原因何在?因為他們有異地容災數(shù)據備份系統(tǒng)，知里面有兩個關鍵詞，異地、備份。我們的信息也同樣，首先選擇存在不同的介質中、或相同的介質但迥異的存放環(huán)境和位置下，雙重備份的結局是兩邊不一致的時候，數(shù)據被懷疑并拒絕反映執(zhí)行，但嵌入式軟件很多時候是要靠數(shù)據來推動執(zhí)行機構的，即使發(fā)現(xiàn)數(shù)據有問題也不允許行政不作為，這種情況下，作為我們也很難辦，2個不同的數(shù)據，有明顯問題的還好排除，都在有限范圍內可如何判定哈?這種時候沒辦法只好三備份，少數(shù)服從多數(shù)是唯一的選擇了。石頭剪刀布的方式不好用，葛優(yōu)的分歧終端機也不適用，就只好選擇這種最原始最有效的辦法了，唯一需要注意的是數(shù)據宜存放于三種不同的備份環(huán)境下，不然豈不成了你家哥倆兒，咋表決都占便宜阿。

　　以上僅就嵌入式軟件可靠性的關注方面分了幾大類，進行了基本的描述，實際應用中，需要關注的點還有很多很多，如果是準備自行制定設計規(guī)范的話，以上的思路應該也可以給與一些啟迪了。