充分應用功能安全性開發(fā)環(huán)境中集成的代碼分析工具

目前，越來越多的汽車、工業(yè)和其他應用都在強調功能安全性（functional safety），其開發(fā)過程也需要先進和完善的工具鏈支持，以及一些重要的開發(fā)工具使用經驗。作為功能安全性產品的研發(fā)工程師，一定聽說過類似MISRA C的靜態(tài)代碼檢查，以及其他一些代碼標準和自動化檢查工具。但是，在日常的開發(fā)流程中，僅僅知道這些標準并不代表著能夠高效地讓代碼符合代碼標準。

本文將從代碼標準本身、以及配套的檢查工具如何使用及流程兩方面，通過以業(yè)界常見的IAR開發(fā)工具鏈為例來提供一些思路，解釋為什么在開發(fā)需要安全認證的產品時，推薦使用其自帶的代碼分析工具。在實際應用中，針對Renesas RX和Arm系列內核，C-STAT 靜態(tài)代碼分析和 C-RUN 運行時分析組件往往都作為插件，被添加到IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境中。

功能安全標準與代碼分析

在 IEC 61508 2.0 版的第 3 部分中，對安全類系統(tǒng)的軟件作出了規(guī)定，要求必須采用可靠良好的開發(fā)流程。例如，第 7 部分“技術和措施概述”的第 C.4.2 節(jié)中指出要使用編程語言子集：

目的：降低引入編程錯誤的概率，并增加發(fā)現(xiàn)殘余錯誤的概率。

描述：對編程語言進行檢查，比如使用靜態(tài)分析法來確定容易出錯或難以分析的編程結構。然后定義編程語言子集來排除此類編程結構。

第 C.4.2 節(jié)還指出，如果軟件的安全完整性等級 (SIL) 高于 1，則不建議在未設定此類限制的情況下使用 C 語言進行編程。換言之，如果您想使用C/C++ 軟件開發(fā) SIL 2-4 認證系統(tǒng)，則基本上都需要使用靜態(tài)分析工具。

類似地，對于運行時分析，第 7 部分“技術和措施概述”的第 B.6.5 節(jié)“動態(tài)分析和測試”指出：

目的：通過對即將完成的原型進行動態(tài)行為檢查，檢測是否存在規(guī)范失效問題。

描述：對安全類系統(tǒng)進行動態(tài)分析的方法是，在安全類系統(tǒng)的基本可運行原型上，運行目標環(huán)境中的典型輸入數(shù)據(jù)。如果經觀察，安全類系統(tǒng)的行為符合所要求的行為，則表明系統(tǒng)通過了分析檢查。如果安全類系統(tǒng)出現(xiàn)任何失效問題，則必須予以糾正，然后重新分析新的可運行版本。

下面我們來看看 C-RUN 是如何滿足此類分析需求的：

C-RUN 是集成在編譯器和 C-SPY 調試器中的工具。借助此工具，可在運行時觀察可執(zhí)行代碼，并報告代碼在運行時出現(xiàn)的異常行為。C-RUN 會執(zhí)行算術檢查、邊界檢查和堆檢查，并且可在 IAR Embedded Workbench 的工程設置中輕松進行配置：

運行時分析工具的一般特點是誤報率低，C-RUN 也不例外。換言之，C-RUN 報告的錯誤很可能是真的錯誤，因為執(zhí)行和分析的均為真實代碼，并且是在真實的目標系統(tǒng)上進行的。C-RUN 可查看有關應用程序狀態(tài)的所有信息，并會報告實際發(fā)生的錯誤。盡管如此，在執(zhí)行過程中，您可設置適當?shù)?C-SPY 消息規(guī)則，讓檢測到的錯誤通過檢查，如下圖所示。

不過，運行時分析也有一些不足。首先，使用這種方法時，通常要到軟件開發(fā)流程的后期才能發(fā)現(xiàn)問題，因為運行時分析工具需要使用代碼的可執(zhí)行文件。此外，運行時分析僅對實際運行的應用程序部分進行檢查。如果無法觸發(fā)所有條件使得應用程序的全部代碼都得到分析，則最終將有部分代碼處于未經測試的狀態(tài)。盡管如此，C-RUN 仍可提供非常有價值的反饋，并且由于其與 IAR Embedded Workbench 深度集成，所以非常易用。

接下來說說 C-STAT，這是一種靜態(tài)分析工具，可通過執(zhí)行一項或多項規(guī)則檢查來發(fā)現(xiàn)是否存在偏離編碼規(guī)則的問題。C-STAT 檢查代碼是否符合 MISRA C:2012、MISRA C++:2008 和 MISRA C:2004 規(guī)定的規(guī)則，以及對應 CWE 和 CERT C/C++ 所涵蓋的各種問題的檢查。跟 C-RUN 一樣，在 IAR Embedded Workbench 的工程設置中也可輕松地對 C-STAT 進行配置。

與 C-RUN 不同的是，C-STAT 無需實際運行應用程序，即可檢查代碼是否存在缺陷。它能在不依賴程序的執(zhí)行路徑及所使用的數(shù)據(jù)集的情況下找到錯誤。C-STAT 可在軟件開發(fā)流程的早期發(fā)現(xiàn)錯誤和缺陷，實際上從開發(fā)的第 1 天就可以使用，而且不會影響系統(tǒng)性能。

雖然市面上有幾款獨立的靜態(tài)分析工具可供 C/C++ 開發(fā)人員使用，但 C-STAT 的一大優(yōu)勢在于可直接投入使用，無需進行繁瑣的配置。而且，它能理解和分析專為高效嵌入式編程設計的各種 IAR Systems特定的C/C++ 語言結構。將 C-STAT 集成到日常開發(fā)中，就可以輕松地檢查代碼是否符合大部分重要編碼規(guī)則。這樣就能為后期的測試和調試省下更多的時間和資源。

C-STAT 可集成到 IAR Embedded Workbench IDE 中，與常規(guī)的構建工具一樣簡單易用：

對于檢測到的每個錯誤，在線幫助系統(tǒng)中都會有相應的描述，按下 F1，就可看到對應的規(guī)則說明和相應的示例代碼來說明如何滿足該規(guī)則：

可生成 HTML 格式的報告，用以記錄測試結果：

結語

回到本文第一部分談到的功能安全標準，來看看上述工具如何幫助您的軟件達到規(guī)定標準。

第 7 部分“技術和措施概述”的第 C.4.2 節(jié)中指出要使用編程語言子集：對編程語言進行檢查，比如使用靜態(tài)分析法來確定容易出錯或難以分析的編程結構。然后定義編程語言子集來排除此類編程結構。

對此，C-STAT 能夠派上用場，可檢查代碼是否符合 MISRA 規(guī)定的規(guī)則。如前所述，如果想使用 C/C++ 軟件開發(fā) SIL 2-4 認證系統(tǒng)，則確實需要使用靜態(tài)分析工具。

再來看第 B.6.5 節(jié)“動態(tài)分析和測試”：對安全類系統(tǒng)進行動態(tài)分析的方法是，在安全類系統(tǒng)的基本可運行原型上，運行目標環(huán)境中的典型輸入數(shù)據(jù)。如果經觀察，安全類系統(tǒng)的行為符合所要求的行為，則表明系統(tǒng)通過了分析檢查。如果安全類系統(tǒng)出現(xiàn)任何失效問題，則必須予以糾正，然后重新分析新的可運行版本。

用于運行時分析的 C-RUN 雖然無法全面檢查整個安全類系統(tǒng)中的所有動態(tài)行為，但它仍是一個非常好用的工具，至少能在安全類系統(tǒng)的軟件部分中找到真實存在的和潛在的錯誤。需要記住的是，必須將安全概念與系統(tǒng)的危險失效率關聯(lián)起來，而不僅僅是組件（如軟件）的失效率。

用于運行時分析的 C-RUN 和用于靜態(tài)分析的 C-STAT 是兩類不同的代碼質量分析工具，在安全類軟件的開發(fā)中都非常有用，二者不形成競爭關系，而是構成優(yōu)勢互補。因此，IAR的C-RUN 和 C-STAT工具 能為開發(fā)人員帶來互補的代碼檢查能力，自然而然地集成到日常的開發(fā)流程中。在IAR的評估版工具中自帶C-RUN和C-STAT插件，歡迎工程師朋友們試用。