分享老司機(jī)簡化的MCU程序保護(hù)設(shè)計(jì)，新手都學(xué)著點(diǎn)！

　　1 發(fā)生錯(cuò)的原因與現(xiàn)有對策

　　MCU在工作時(shí)會(huì)受到干擾，在一些空間場合，可能遇到粒子轟擊而產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的翻轉(zhuǎn)，即所謂single event upset。而一般工業(yè)場合是電源傳導(dǎo)干擾，受干擾時(shí)，電源電壓會(huì)瞬間超出或者略微超出MCU的名義工作電壓，線路的穩(wěn)定性就無法保證。由于各單個(gè)邏輯電路工藝過程中總會(huì)有微小差異，電源電壓的略微超出會(huì)在最弱的邏輯電路中造成指令讀錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)讀寫錯(cuò)誤。這種錯(cuò)誤最終表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。

　　國外對DRAM出錯(cuò)的研究已做得很多，在參考文獻(xiàn)中轉(zhuǎn)述了出錯(cuò)的概率：“谷歌(Google)使用了大量服務(wù)器，2009年的大規(guī)模統(tǒng)計(jì)。出錯(cuò)的概率是2.5～7×10-11error/bit/h。”即8G RAM每小時(shí)會(huì)有5個(gè)錯(cuò)。

　　現(xiàn)在對于有功能安全要求的系統(tǒng)，安全等級(jí)為SIL2時(shí)，出錯(cuò)的概率應(yīng)小于10-7”/h。現(xiàn)在控制器所用的MCU的Flash與RAM的大小已達(dá)128 K～1 Mb，參考上述概率，如果缺少程序的保護(hù)，將會(huì)有1M×7×10-11 error/h=7×10-5 error/h，這遠(yuǎn)大于功能安全要求的出錯(cuò)概率。

　　從功能安全的角度，系統(tǒng)中任何影響功能的錯(cuò)誤都是應(yīng)該被檢測出來的，如果這個(gè)錯(cuò)誤危及人類生命或造成設(shè)備的重大損失，那么就必須有防范的措施，必要時(shí)就必須糾正錯(cuò)誤。然而要達(dá)到這種要求是很難的，需要付出很大的代價(jià)。以數(shù)據(jù)錯(cuò)誤為例，人們常常重復(fù)計(jì)算多次，然后把占多數(shù)的結(jié)果代表正確的結(jié)果。這樣，數(shù)據(jù)分享前的結(jié)果都要經(jīng)表決，否則發(fā)現(xiàn)錯(cuò)會(huì)太晚，影響一致性。這就需要更多的硬件資源與開發(fā)成本。即便如此，如果作為表決器的環(huán)節(jié)仍是MCU的一個(gè)程序，它仍然可能會(huì)受錯(cuò)誤指令的干擾，未能完全攔住錯(cuò)誤。

　　為了節(jié)省成本，更多的應(yīng)用并沒有采用這種冗余與表決的方法。它們往往以不死機(jī)作為目標(biāo)，只要不死機(jī)，由控制對象來的新信息就可以重算出新的正確結(jié)果。即使上一次算出的錯(cuò)了，其后果也只延續(xù)了一個(gè)采樣周期。這種策略對有累積效應(yīng)的應(yīng)用是無效的，就像參考文獻(xiàn)中討論的積分功能會(huì)失敗。又如運(yùn)行結(jié)果與過程密切相關(guān)的應(yīng)用，例如可編程控制器(PLC)，數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致控制邏輯的混亂。

　　保證不死機(jī)的主要措施是采用看門狗技術(shù)，如果程序走飛，在一定時(shí)間內(nèi)沒有復(fù)位計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器就會(huì)溢出，產(chǎn)生MCU的重新啟動(dòng)，重新初始化可以糾正損壞了的數(shù)據(jù)。看門狗技術(shù)是不管數(shù)據(jù)正確性的，因?yàn)橹噶铄e(cuò)了程序未必走飛，而指令錯(cuò)了數(shù)據(jù)錯(cuò)的可能性極大。

　　2 錯(cuò)誤現(xiàn)象與錯(cuò)誤校正方案

　　MCU的指令在讀取時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤就會(huì)產(chǎn)生不同的執(zhí)行結(jié)果，在參考文獻(xiàn)中以8051的MOV指令為例，當(dāng)有一位讀錯(cuò)時(shí)就變成跳轉(zhuǎn)、除法、減法、交換、增1等等指令。實(shí)際上大部分MCU都會(huì)有指令錯(cuò)而執(zhí)行結(jié)果錯(cuò)的問題，因?yàn)檫@些指令內(nèi)沒有檢驗(yàn)錯(cuò)的機(jī)制。MC68HC11的LDA指令有1位錯(cuò)時(shí)可能轉(zhuǎn)為加法、減法、送立即數(shù)到累加器B、送狀態(tài)存器、送堆棧指針等指令。

　　假定數(shù)據(jù)字用D表示，生成多項(xiàng)式用G表示，Gm為最高階的系數(shù)，等于1。那么習(xí)慣的做法在除到Dn位時(shí)，判斷Dn值。若Dn=1，則將G和D的對應(yīng)位對齊，用模2加法求取余數(shù)，Mn-i=Dn-i+Gm-i，用余數(shù)Mn-i代替原來的Dn-i移位。如果Dn=0，則不做加法，Mn-i=Dn-i，然后移位，也可以說用余數(shù)Mn-i代替原來的Dn-i移位。我們的目的是直接由D來產(chǎn)生余數(shù)，所以做了修改。修改方法是，當(dāng)對齊后的Gm- i=1時(shí)，取Mn-i=Dn-i+Dn。當(dāng)Gm-i=0時(shí)，對應(yīng)項(xiàng)不做模2加。現(xiàn)在證明這兩種方法是等效的：

　　Dn=0，Gm-i=0時(shí)，習(xí)慣方法Mn-i=Dn-i;修改方法Mn-i=Dn-i。

　　Dn=0，Gm-i=1時(shí)，習(xí)慣方法Mn-i=Dn-i;修改方法Mn-i=Dn-i+Dn=Dn-i。

　　Dn=1，Gm-i=0時(shí)，習(xí)慣方法Mn-i=Dn-i+Gm-i=Dn-i;修改方法Mn-i=Dn-i。

　　Dn=1，Gm-i=1時(shí)，習(xí)慣方法Mn-i=Dn-i+Gm-i=Dn-i+1;修改方法Mn-i=Dn-i+Dn=Dn-i+1。

　　現(xiàn)在對G=X4+X+1時(shí)8位指令的數(shù)據(jù)字用修改方法求取CRC各位的值，為了閱讀方便，將數(shù)據(jù)字的各位用數(shù)字代表，例如7代表D7。參與模2加的各位就以各數(shù)字連寫在一起。例如CRC的最高一位是7 532，它代表D7、D5、D3、D2的模2加法結(jié)果。通過建立真值表，它們最后都可以用組合邏輯來實(shí)現(xiàn)，所以在取指完成后就立即可以判出是否有錯(cuò)。