提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可靠性的軟件技術(shù)

1　可靠性設(shè)計(jì)模型與概述

可靠性設(shè)計(jì)模型表達(dá)了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)從激勵(lì)到響應(yīng)的唯一性過程。可靠性設(shè)計(jì)模型如圖1所示，按照可靠性設(shè)計(jì)模型，軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是保證在過程空間中，應(yīng)用系統(tǒng)程序按照給定順序有序地運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)的可靠性保障是軟件設(shè)計(jì)中的本質(zhì)可靠性與可靠性控制。它保障了最少的軟件錯(cuò)誤以及在軟件出錯(cuò)后仍保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行或安全運(yùn)行。

2　本質(zhì)可靠性的軟件設(shè)計(jì)

2．1　最大限度地減少錯(cuò)誤及缺陷

在應(yīng)用軟件中，唯一的有序性（編程指定的）與無限的激勵(lì)因素，導(dǎo)致了軟件測試仿真的不完全性，其結(jié)果是軟件的缺陷與軟件并存。軟件的缺陷與錯(cuò)誤通?？煞譃轱@性與隱性兩大類。顯性缺陷與錯(cuò)誤發(fā)生在程序正常運(yùn)行中。這些缺陷和錯(cuò)誤大部分都可通過仿真調(diào)試進(jìn)行糾正；隱性缺陷與錯(cuò)誤通常都在系統(tǒng)非正常運(yùn)行中顯露出來。容錯(cuò)能力弱的系統(tǒng)存在較多的隱性錯(cuò)誤。

2．2　要有足夠的時(shí)序余度

時(shí)序是程序設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的時(shí)序有系統(tǒng)復(fù)位時(shí)序、狀態(tài)時(shí)序、器件工作時(shí)序及總線運(yùn)行時(shí)序。

（1）系統(tǒng)復(fù)位時(shí)序

①M(fèi)CU復(fù)位時(shí)序要求。MCU有上電復(fù)位（冷啟動(dòng)復(fù)位，如開機(jī)）與信號復(fù)位（熱啟動(dòng)，如按鍵復(fù)位）。上電復(fù)位有電源建立及時(shí)鐘系統(tǒng)起振過程和電路狀態(tài)復(fù)位。信號復(fù)位是在MCU工作狀態(tài)下的復(fù)位，沒有電源建立及時(shí)鐘起振過程的時(shí)序要求。

②應(yīng)用系統(tǒng)中多個(gè)復(fù)位端的時(shí)序要求。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中，除單片機(jī)外，還有其他可編程外圍器件，如8155有復(fù)位要求時(shí)，系統(tǒng)中便出現(xiàn)了多個(gè)復(fù)位控制要求。解決系統(tǒng)中多個(gè)器件復(fù)位時(shí)序的原則是：保證MCU在系統(tǒng)中最后復(fù)位或MCU對外圍可編程器件的初始化，必須確保在該器件復(fù)位后進(jìn)行。

③程序設(shè)計(jì)中的復(fù)位處理原則。

·MCU上電后延遲片刻，確保外圍器件復(fù)位完畢，再對外圍器件初始化。

·在確保MCU對有復(fù)位控制端口的外圍器件初始化是完全初始化操作時(shí)，可將外圍器件的復(fù)位端接成非復(fù)位狀態(tài)。

（2）器件工作時(shí)序

器件工作時(shí)序是器件應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。程序設(shè)計(jì)中必須保證時(shí)序工作的正確性，而且要有足夠的余度。在考慮器件運(yùn)行時(shí)序時(shí)，MCU的操作必須保證時(shí)序信號的銜接控制和時(shí)序信號的時(shí)序余度。

（3）狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)序

在狀態(tài)轉(zhuǎn)換的程序設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)序特點(diǎn)，進(jìn)行精心的時(shí)序控制設(shè)計(jì)。通常，MCU本身的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，如復(fù)位、ID、PD方式的進(jìn)入或退出，片內(nèi)外圍集成電路單元的關(guān)斷與運(yùn)行，都有自動(dòng)監(jiān)視、自動(dòng)運(yùn)行管理功能。程序設(shè)計(jì)只須按MCU數(shù)據(jù)手冊及指令系統(tǒng)的操作要求進(jìn)行即可。對于有較長過渡時(shí)間的外圍狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，可采取足夠的延時(shí)等待或設(shè)置提前轉(zhuǎn)換狀態(tài)的辦法。

（4）總線時(shí)序

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，有并行總線與串行總線。串行總線中又有通信總線和擴(kuò)展總線。這些總線在規(guī)范化操作時(shí)，其時(shí)序由數(shù)據(jù)通信協(xié)議保證。在非規(guī)范運(yùn)行，例如在虛擬總線方式下，其虛擬總線運(yùn)行的可靠性在于時(shí)序的準(zhǔn)確模擬。在并行總線中要保證讀、寫操作指令運(yùn)行下的讀、寫時(shí)序；同步串行總線要保證時(shí)鐘線控制下的同步運(yùn)行時(shí)序；串行異步時(shí)序則要考慮波特率對數(shù)據(jù)傳送的影響。

2．3　足夠的容錯(cuò)設(shè)計(jì)

（1）超時(shí)管理的容錯(cuò)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)程序中，除了專門設(shè)置的循環(huán)等待程序外，系統(tǒng)中的許多操作都是時(shí)間有界的。由于非正常激勵(lì)的入侵，導(dǎo)致任務(wù)操作無法結(jié)束，形成超時(shí)現(xiàn)象。解決措施：在程序設(shè)計(jì)中采用超時(shí)管理辦法，使程序從非正常激勵(lì)造成的“死機(jī)”中退出。

（2）超界管理的容錯(cuò)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)都是有界的。系統(tǒng)運(yùn)行中要考慮的超界管理參數(shù)有：

①物理參數(shù)。這些參數(shù)主要是系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，它包括激勵(lì)參數(shù)、采集處理中的運(yùn)行參數(shù)和處理結(jié)束的結(jié)果參數(shù)。合理設(shè)定這些邊界，將超出邊界的參數(shù)都視為非正常激勵(lì)或非正常響應(yīng)進(jìn)行出錯(cuò)處理。

②資源參數(shù)。這些參數(shù)主要是系統(tǒng)中的電路、器件、功能單元的資源，如存儲器容量、存儲單元長度、堆棧深度。在程序設(shè)計(jì)中，對資源參數(shù)不允許超界使用。

③應(yīng)用參數(shù)。這些應(yīng)用參數(shù)常表現(xiàn)為一些器件、功能單元的應(yīng)用條件。如E2PROM的擦寫次數(shù)與數(shù)據(jù)存儲時(shí)間等應(yīng)用參數(shù)界限。

④過程參數(shù)。指系統(tǒng)運(yùn)行中的有序變化的參數(shù)。

（3）有序化的容錯(cuò)設(shè)計(jì)

有序化是程序正常運(yùn)行的重要標(biāo)志，是程序設(shè)計(jì)人員賦予的。有序化的容錯(cuò)設(shè)計(jì)是要保證在眾多的非正常激勵(lì)和出現(xiàn)非正常響應(yīng)時(shí)，要最大限度地保證原來程序設(shè)計(jì)時(shí)給定的有序的正常程序操作。

3　可靠性控制的軟件設(shè)計(jì)

3．1　噪聲失敏控制技術(shù)

（1）噪聲失敏與噪聲失敏率

噪聲失敏是利用CPU停止運(yùn)行或關(guān)閉MCU外圍電路，使其對外界噪聲干擾失去響應(yīng)能力的可靠性控制技術(shù)。噪聲失敏率NTOUT是在實(shí)際系統(tǒng)中，采取噪聲控制后，系統(tǒng)或電路對噪聲失敏的時(shí)間概率，

NTOUT可由下式估算：

TLOP為系統(tǒng)運(yùn)行總時(shí)間，通常為系統(tǒng)開機(jī)時(shí)間；TOP為MCU中CPU的運(yùn)行時(shí)間或電路系統(tǒng)的工作狀態(tài)時(shí)間；

TLOP－TOP為單片機(jī)CPU停止運(yùn)行或外圍電路被關(guān)斷的時(shí)間。

（2）噪聲失敏控制的軟件技術(shù)

①按噪聲失敏設(shè)計(jì)最有效的程序結(jié)構(gòu)。盡量減少應(yīng)用程序中的循環(huán)等待；盡量集中安排任務(wù)和任務(wù)中的有效運(yùn)行時(shí)間；及時(shí)關(guān)斷不在有效運(yùn)行的電路單元。

②MCU的休眠與掉電。通常，與CPU停止運(yùn)行的低功耗方式主要有關(guān)斷CPU時(shí)鐘的休閑ID方式和關(guān)斷系統(tǒng)時(shí)鐘的掉電PD方式。

③外圍電路關(guān)斷。外圍電路可通過電源供電的關(guān)斷控制。具有關(guān)斷功能的外圍電路，可采取引腳控制關(guān)斷或編程控制的辦法，使之進(jìn)入失敏狀態(tài)。

3．2　程序失控的回復(fù)技術(shù)

（1）程序失控后的快速凍結(jié)與回復(fù)

①WDT（Watch Dog Timer）的失控回復(fù)。如圖2所示。在程序失控后，程序跳逸出正常路徑，無法對WDT清零，致使WDT溢出。溢出端輸出信號使MCU復(fù)位。

②指令的失控恢復(fù)。如89C51中采用LJMP0000H的軟件陷阱時(shí)，將輸入陷阱的失控程序強(qiáng)行跳轉(zhuǎn)到復(fù)位入口0000H處。

（2）失控回復(fù)后的處理

①回復(fù)狀態(tài)檢測?；貜?fù)是指程序失控后又轉(zhuǎn)回到正常路徑的起點(diǎn)，即復(fù)位入口地址。程序失控回復(fù)后要進(jìn)行回復(fù)狀態(tài)檢測，以判斷是上電復(fù)位還是WDT復(fù)位或指令拉回。通常采用的檢測方法是利用上電標(biāo)志。有些單片機(jī)內(nèi)沒有上電標(biāo)志，可利用上電復(fù)位時(shí)SRAM的隨機(jī)態(tài)與信號復(fù)位或程序拉回時(shí)，SRAM中數(shù)據(jù)不變的特點(diǎn)來判別。系統(tǒng)上電后，在SRAM區(qū)寫入特殊上電標(biāo)志數(shù)據(jù)。待回復(fù)后先檢查上電標(biāo)志是否存在，若存在即為WDT復(fù)位或指令拉回。

②回復(fù)后的初始化處理。圖3是上電復(fù)位與程序失控回復(fù)初始化處理框圖。0000H是MCU的復(fù)位入口，程序啟動(dòng)后，首先判斷是上電復(fù)位（冷啟動(dòng)），還是程序失控回復(fù)（熱啟動(dòng)）。上電復(fù)位是開機(jī)操作，要建立上電標(biāo)志，并進(jìn)行系統(tǒng)的完全初始化。程序失控回復(fù)應(yīng)進(jìn)行相關(guān)資源的檢查與修復(fù)，以防止運(yùn)行出錯(cuò)。另外根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，需要保留一些過程數(shù)據(jù)。

不得進(jìn)行完全初始化時(shí)，只進(jìn)行部分初始化。

3．3　安保、自檢與修復(fù)技術(shù)

在高可靠性等級的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)有安保、自檢與自修復(fù)軟件。

（1）安保程序設(shè)計(jì)。安保設(shè)計(jì)要求有非正常響應(yīng)時(shí)，對象的完全性保障和系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行。為了能在系統(tǒng)出現(xiàn)非正常響應(yīng)時(shí)，立即獲得安全保護(hù)，應(yīng)設(shè)置關(guān)鍵部位的失控檢測，如I／O口輸出狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測；機(jī)器人軌跡檢測等。檢測到非正常響應(yīng)后，應(yīng)快速進(jìn)入安保狀態(tài)設(shè)置，首先使系統(tǒng)進(jìn)入安全態(tài)，然后保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵資源不受侵害，以保證系統(tǒng)具有后續(xù)運(yùn)行的操作的能力。

（2）實(shí)際系統(tǒng)中的自檢。在實(shí)際的單片機(jī)應(yīng)用軟件中，應(yīng)充分利用其智能化特點(diǎn)，設(shè)置各種自檢程序以提高其可靠性與安全性。通常，應(yīng)用系統(tǒng)中的自檢程序有自診斷，失控后的回復(fù)檢查和程序關(guān)鍵處的查驗(yàn)。程序自診斷通常是開機(jī)后對系統(tǒng)的例行檢查；失控回復(fù)后的檢查重點(diǎn)是數(shù)據(jù)區(qū)，I／O狀態(tài)，SFR狀態(tài)，外圍電路的狀態(tài)等。程序關(guān)鍵處的查驗(yàn)有界限檢查、冗余性檢查與邏輯性檢查。

3．4　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)冗余

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，電路的集成趨勢，器件成本的下降，邏輯控制能力的提高，在關(guān)鍵部位可采取冗余的備份結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的可靠性。圖4為實(shí)際應(yīng)用中某監(jiān)控系統(tǒng)的具有獨(dú)立仲裁器的雙機(jī)冗余系統(tǒng)。仲裁器的輸入邏輯接收兩個(gè)系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)與故障信息；輸出邏輯接收比較器A、B的比較結(jié)果和故障處理信號發(fā)生器的切換信號。仲裁器的故障判斷原理如下：對兩個(gè)同步工作系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果一致表明兩個(gè)系統(tǒng)均無故障；比較結(jié)果不同表明，必有一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，然后強(qiáng)令兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入自檢程序，用預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行測試，并與預(yù)定結(jié)果比較，相符者為正常開機(jī)，不符者為故障機(jī)。若為暫時(shí)性故障，重新復(fù)位即可排除，若為永久性故障則輸出故障信號并進(jìn)入單機(jī)運(yùn)行。

4　結(jié)束語

可靠性是一個(gè)綜合性、經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)的問題，是單片機(jī)控制器能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵問題。上述提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可靠性的軟件技術(shù)與方法應(yīng)用于多項(xiàng)應(yīng)用工程，使多項(xiàng)工程在高可靠性硬件基礎(chǔ)上，保障了最少的軟件錯(cuò)誤以及在軟件出錯(cuò)后仍保證系統(tǒng)正常運(yùn)行或安全運(yùn)行。

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