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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ISRfaUIthandlero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，即使系统己失效。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malloc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
10、程序提出对空间的要求，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。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。提高嵌入式系统抗干扰能力的方法在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好等越来越受到重视。下面以单片机系统
11、为例，对软件抗干扰方法进行研究。1、软件抗干扰方法的研究在工程实践中，软件抗干扰研究的内容主要是：消除模拟输入信号的噪声(如数字滤波技术)；程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。本文针对后者提出了几种有效的软件抗干扰方法。1 .指令冗余CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当Pe受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。若“飞”到了三字节指令，出错机率更大。在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数
12、上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。此外，对系统流向起重要作用的指令如RET、RETkLCALL.LJMP.JC等指令之前插入两条NoP,也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。2 .拦截技术所谓拦截，是指将乱飞的程序引向指定位置，再进行出错处理。通常用软件陷阱来拦截乱飞的程序，因此先要合理设计陷阱，其次要将陷阱安排在适当的位置。a.软件陷阱的设计当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址OO(X)H的指令。通常在EPROM中
13、非程序区填入以下指令作为软件陷阱：NOPNOPLJMPOOOOH其机器码为OOOOo20000。b.陷阱的安排通常在程序中未使用的EPROM空间填0000020000o最后一条应填入020000,当乱飞程序落到此区，即可自动入轨。在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。如某应用系统虽未用到外部中断1,外部中断1的中断服务程序可为如下形式：NoPNOPRETl返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP0000H”。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可靠、完善，用“LJMP0000H”作返回指令可直
14、接进入故障诊断程序，尽早地处理故障并恢复程序的运行。考虑到程序存贮器的容量，软件陷阱一般IK空间有2-3个就可以进行有效拦截。3 .软件“看门狗”技术若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。RESETWatchdog configuration register (WWDG-CFR)看门狗技术可由硬件实现，也可由软件实现。在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断。则系统无法定时“喂狗”，硬件看门狗电路失效。而软件看门狗可有效地解决这类
15、问题。4 、系统故障处理、自恢复程序的设计单片机系统因干扰复位或掉电后复位均属非正常复位，应进行故障诊断并能自动恢复非正常复位前的状态。1 .非正常复位的识别程序的执行总是从OOOOH开始，导致程序从OOoOH开始执行有四种可能：系统开机上电复位;软件故障复位;看门狗超时未喂狗硬件复位;任务正在执行中掉电后来电复位。四种情况中除第一种情况外均属非正常复位，需加以识别。硬件复位与软件复位的识别：此处硬件复位指开机复位与看门狗复位，硬件复位对寄存器有影响，如复位JSPC=OOOOH,SP=07H,PSW=OOH等。而软件复位则对SP、SPW无影响。故对于微机测控系统，当程序正常运行时，将SP设置地
16、址大于07H,或者将PSW的第5位用户标志位在系统正常运行时设为1,那么系统复位时只需检测PSW.5标志位或SP值便可判此是否硬件复位。2 fr*tm由于硬件复位时片内RAM状态是随机的，而软件复位片内RAM则可保持复位前状态，因此可选取片内某一个或两个单元作为上电标志。设40H用来做上电标志，上电标志字为78H,若系统复位后40H单元内容不等于78H,则认为是硬件复位，否则认为是软件复位，转向出错处理。若用两个单元作上电标志，则这种判别方法的可靠性更高。开机复位与看门狗故障复位的识别：开机复位与看门狗故障复位因同属硬件复位，所以要想予以正确识别，一般要借助非易失性RAM或者EEROMo当系统
17、正常运行时，设置一可掉电保护的观测单元。当系统正常运行时，在定时喂狗的中断服务程序中使该观测单元保持正常值（设为AAH）,而在主程中将该单元清零，因观测单元掉电可保护，则开机时通过检测该单元是否为正常值可判断是否看门狗复位。正常开机复位与非正常开机复位的识别：识别测控系统中因意外情况如系统掉电等情况引起的开机复位与正常开机复位，对于过程控制系统尤为重要。如某以时间为控制标准的测控系统，完成一次测控任务需1小时。在已执行测控50分钟的情况下，系统电压异常引起复位，此时若系统复位后又从头开始进行测控则会造成不必要的时间消耗。因此可通过一监测单元对当前系统的运行状态、系统时间予以监控，将控制过程分解
18、为若干步或若干时间段，每执行完一步或每运行一个时间段则对监测单元置为关机允许值，不同的任务或任务的不同阶段有不同的值，若系统正在进行测控任务或正在执某时间段，则将监测单元置为非正常关机值。那么系统复位后可据此单元判系统原来的运行状态，并跳到出错处理程序中恢复系统原运行状态。2 .非正常复位后系统自恢复运行的程序设计对顺序要求严格的一些过程控制系统，系统非正常复位否，一般都要求从失控的那一个模块或任务恢复运行。所以测控系统要作好重要数据单元、参数的备份，如系统运行状态、系统的进程值、当前输入、输出的值，当前时钟值、观测单元值等，这些数据既要定时备份，同时若有修改也应立即予以备份。当在己判别出系统
19、非正常复位的情况下，先要恢复一些必要的系统数据，如显示模块的初始化、片外扩展芯片的初始化等。其次再对测控系统的系统状态、运行参数等予以恢复，包括显示界面等的恢复。之后再把复位前的任务、参数、运行时间等恢复，再进入系统运行状态。应当说明的是，真实地恢复系统的运行状态需要极为细致地对系统的重要数据予以备份，并加以数据可靠性检查，以保证恢复的数据的可靠性。其次，对多任务、多进程测控系统，数据的恢复需考虑恢复的次序问题。系统基本初始化是指对芯片、显示、输入输出方式等进行初始化，要注意输入输出的初始化不应造成误动作。而复位前任务的初始化是指任务的执行状态、运行时间等。对于软件抗干扰的还有一些其它常用方法，如数字滤波、RAM数据保护与纠错等。在工程实践中通常都是几种抗干扰方法并用，互相补充完善，才能取得较好的抗干扰效果。从根本上来说，硬件抗干扰是主动的，而软件抗干扰是被动的。细致周到地分析干扰源，硬件与软件抗干扰相结合，完善系统监控程序，设计一稳定可靠的单片机系统是完全可行的。
