嵌入式代码常见的容错设计

嵌入式微处理器 · 公众号 · · 2024-09-14 12:00

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如果一个大型嵌入式项目，代码没有做容错设计，你能想象后果是什么吗？

有经验的朋友肯定能想到，这样的项目会有无数bug，而且有些bug很难查找。

今天，我们就来聊一聊嵌入式代码常见的几种容错设计方法。

使用断言（ Assert ）

什么是Assert断言？这里举一个栗子来说明吧。

有这么一个数组和函数：

int Array[5] = {0xA1, 0xB2, 0xC3, 0xD4, 0xE5};
int Fun(char i){    return Array[i];}

假如按下下面方式调用Fun函数，你觉得会出错吗？

int a;
a = Fun(8);

有经验的朋友肯定都猜到了，在Fun函数中增加断言（Assert）机制，就可以避免出错。

断言（Assert）是代码中最常见的一种容错设计，很多源码库都能看到断言的身影，比如STM32外设库：

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct){  /* Check the parameters */  assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));  assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_InitStruct->GPIO_Mode));  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_InitStruct->GPIO_Pin));  /* ... */}

明确返回值和错误码

大家常用的协议栈、外设库、操作系统等，它们的API大多设计的很完美，为函数设计合理的返回值，用于反馈操作的成功或失败。例如，使用0表示成功，非0值表示特定的错误代码。

比如RTOS创建任务函数：

INT8U  OSTaskCreate (void   (*task)(void *p_arg),                     void    *p_arg,                     OS_STK  *ptos,                     INT8U    prio){    OS_STK     *psp;    INT8U       err;#if OS_CRITICAL_METHOD == 3u                 /* Allocate storage for CPU status register               */    OS_CPU_SR   cpu_sr = 0u;#endif
#ifdef OS_SAFETY_CRITICAL_IEC61508    if (OSSafetyCriticalStartFlag == OS_TRUE) {        OS_SAFETY_CRITICAL_EXCEPTION();        return (OS_ERR_ILLEGAL_CREATE_RUN_TIME);    }#endif
#if OS_ARG_CHK_EN > 0u    if (prio > OS_LOWEST_PRIO) {             /* Make sure priority is within allowable range           */        return (OS_ERR_PRIO_INVALID);    }#endif    OS_ENTER_CRITICAL();    if (OSIntNesting > 0u) {                 /* Make sure we don't create the task from within an ISR  */        OS_EXIT_CRITICAL();        return (OS_ERR_TASK_CREATE_ISR);    }    /* ... */}

为函数设计合理的返回值和错误码，也会让你的代码更健壮，特别是找bug时更容易。

日志记录

我们为什么要记录日志？记录详细的日志信息，包括错误发生的时间、位置、原因等，以便在有bug 出现时进行追踪和分析。

我们学嵌入式之初，基本都会学习 printf 这种打印输出的功能，这种打印对应的另一种功能就是日志记录。

除了存储在本地的日志之外，也可以使用 printf 打印输出至另外终端（比如上位机）进行存储日志。

致命Bug重启策略

我们软件遇到一些致命的bug时，比如硬件故障（HardFault ）、内存溢出（MemManage）等，这个时候可以选择重启策略。

当然，重启也要根据项目实际情况，选择什么方式重启，比如：内核复位、系统复位。

1、内核复位

只复位 Cortex-M 内核，不会复位UART这些片内外设。

在 Cortex-M 内核文档中大概有这样的描述： 通过设置 NVIC 中应用程序中断与复位控制寄存器(AIRCR)的VECTRESET 位，可只复位处理器内核而不复位其它片上设施。

内核复位函数（参考内核代码修改而来）：

void NVIC_CoreReset(void){  __DSB();  SCB->AIRCR  = ((0x5FA << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos)      |                 (SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) |                 SCB_AIRCR_VECTRESET_Msk);       //置位 VECTRESET  __DSB();  while(1) { __NOP(); }}

2、系统复位

软件复位中的系统复位操作的寄存器位（SYSRESETREQ）不同，复位的对象为整个芯片（除后备区域）。

系统复位函数：

void NVIC_SysReset(void){  __DSB();  SCB->AIRCR  = ((0x5FA << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos)      |                  (SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) |                  SCB_AIRCR_SYSRESETREQ_Msk);     //置位 SYSRESETREQ  __DSB();  while(1) { __NOP(); }}

静态分析工具

使用静态分析工具检查代码中的潜在问题，如未初始化的变量、内存泄漏、缓冲区溢出等。这些工具可以在编译前发现许多问题，从而提高代码质量。

虽然这算不上容错设计，但这也是开发过程中重要的一个环节，其作用在一定程度上超过常规的容错设计。

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