嵌入式代码常见的容错设计

原创 strongerHuang 2024-09-13 08:20

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作者 | strongerHuang

微信公众号 | strongerHuang

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。

今天就来聊聊嵌入式代码常见的一些容错设计方法。

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。


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。


这里推荐阅读:嵌入式开发常用的代码静态分析工具

最后,代码bug千千万,除了常规的容错设计,代码规范其实也很重要。

最最后,你们平时写代码,有考虑哪些容错设计,欢迎留言评论。

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strongerHuang 作者黄工,高级嵌入式软件工程师,分享嵌入式软硬件、物联网、单片机、开发工具、电子等内容。
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