汇总让嵌入式系统保持稳健的方法和技术

嵌入式系统在现代科技领域中无处不在，从智能家居到工业控制，从医疗设备到航空航天，嵌入式系统都扮演着至关重要的角色。然而，由于其高度集成、定制化以及运行环境的复杂性，嵌入式系统的可靠性问题一直是开发者关注的焦点。本文将介绍一些提高嵌入式系统开发可靠性的小技巧，帮助开发者在开发过程中避免潜在的问题，提升系统的稳定性和可靠性。

嵌入式系统现在变得更加智能，互连程度更高，当然也比以前要复杂。要让嵌入式系统保持稳健并尽可能接近无错误，开发团队需要有效的方法来进行测试，验证系统能否按预期的方式工作。测试工作中最关键，通常也是难度最高的方面，就是在微控制器上运行软件。

本文将向开发人员介绍如何使用这些新技术，以及新技术实施所需的设备和工具。

嵌入式测试的要求变化

现代嵌入式系统测试工具要求开发人员采用以下四种主要组件，才能完全测试他们的系统：

支持跟踪功能的调试器

通信适配器/嗅探器

逻辑分析仪

模数转换器 (ADC)

使用这四个组件，开发人员能够在系统级别和微控制器级别上测试嵌入式软件，还可向下深入到由微处理器执行的指令。

在当今的开发环境中，这一点非常关键，旨在确保构建的系统不仅能够满足需求，还能够可靠地运行。

初看起来，可能类似于非常传统的嵌入式系统测试工具，但它的进步和新功能真正源于一种分析微控制器中运行情况的全新方式，称为“深入洞察分析”。

利用深入洞察分析来测试软件

深入洞察分析让开发人员能够在运行时分析系统。深入洞察分析有三个关键组成部分：

RTOS 感知的调试

运行时分析

剖析和代码覆盖分析

开发人员通常在设计应用之后，使用基本调试技术(例如断点调试)尝试了解系统的工作情况，随后立即开始测试。在存在断点的情况下进行测试只流于表面，无法让开发人员真正了解微控制器中的运行情况。

使用深入洞察分析，开发人员能够在基本测试和调试之外更深入地挖掘 RTOS、运行时行为、执行分析和覆盖。

要为测试工具添加深入洞察分析功能，开发人员必须使用专业调试工具，例如 Segger Microcontroller Systems、J-Trace 或 J-Link Ultra+。

J-Link Ultra+ 使用标准的 JTAG 或 SWD 接口，从板载调试模块提取跟踪数据。这些信息可用于执行多种不同分析，例如 RTOS 感知的调试。

使用 RTOS 感知的调试，开发人员能够在执行测试案例时监控任务的执行情况。例如开发人员能够深入了解以下情况：

最大堆栈使用

任务运行计数

任务状态

显示了结合使用 Segger 的 embOS RTOS 和 Embedded Studio 的测试会话示例。此视图可以让开发人员深入了解 RTOS 的运行情况，但无法提供应用运行情况的完整信息。

开发人员可以使用 Segger 的免费 SystemView 实用工具或 Percepio 的 Tracealyzer 工具，进一步增强测试工具。这些工具为开发人员提供运行时分析，以便他们在运行测试套件时，直观地查看和分析应用的执行情况。

为了采集这些跟踪数据，开发人员需要配置他们的应用，以便在 IDE 内部进行跟踪，或者使用配置工具进行跟踪。如果没有使用工具，他们可以手动集成低级别库。

运行时分析可为开发人员提供有关应用运行情况的丰富信息。例如，开发人员能够：

跟踪事件的时间和顺序

获取最大、最小和平均的执行时间

直观地查看任务执行，以及任务何时切换

监控 CPU 负载

分析任务统计数据

识别潜在问题，例如优先级反转、任务抖动和死锁

虽然为测试工具添加了 RTOS 感知的调试和运行时分析功能，但这可能还不足够。在很多实例中，错误可能隐藏在测试过程中从不执行的代码中。对于开发人员而言，了解哪些代码行已经执行过可能非常困难。在这一方面，J-Trace 等工具为我们带来了很多便利。

如何跟踪已执行代码

J-Trace 使用微控制器中的嵌入式跟踪宏单元 (ETM) 端口来执行指令跟踪。通过指令跟踪，J-Trace 能够“看到”在处理器上执行的每一个 CPU 指令，以及代码的准确路径。

在测试工具中使用这种分析，开发人员能够确定测试案例是否达到了 80%、90% 或 100% 的代码覆盖率。

如果测试覆盖率只有 95%，但又必须达到 100% 的覆盖率才能交付产品，他们可以使用类似于 Ozone 的免费实用工具，查看哪些代码行已经执行，更重要的是查看哪些代码行尚未执行。

然后可以添加新的测试案例，确保这些遗漏的代码行在测试中得到执行。

借助深入洞察分析提供的强大工具，开发人员现在能够自由专注于构建有效测试工具所必需的其他组件。测试工具的另一个至关重要的组件是在测试过程中用于与微控制器通信并控制其行为的工具。

命令和控制嵌入式系统

对于如何与外界进行交互，每个嵌入式都有不同的需求。有些器件可能通过简单的 UART 进行通信，而其他器件则可能使用 CAN 或 TCP/IP。

为了成功地构建能够与系统进行通信并让其执行命令的测试工具，开发人员必须在测试工具中增加通信硬件和软件。

虽然嵌入式系统使用了大量不同的通信接口，但其中一种接口比其何接口都更加常用，那就是 UART。嵌入式软件开发人员习惯使用 UART，将这种接口包括在测试工具中很重要，原因有几个，其中包括：

为了调试信息，例如打印消息(虽然这些信息应该通过调试器发送)

设备发出命令

监控多个器件之间的内部通信

易于使用

每个开发人员都应在实验室常备的一种通用 UART 工具是由 SparkFun Electronics 提供的 BOB-12731 FT232R, USB-to-UART 评估板。

这些价格低廉的评估板可以轻松连接到任何嵌入式系统，并在 PC 上作为简单的通信端口。它不需要任何特殊驱动程序或软件就能与嵌入式系统进行通信。开发人员只需打开 COM 端口即可开始发送和接收测试消息。

验证每个逻辑状态

要对嵌入式系统进行完全测试，就需要开发人员验证微控制器的内部工作情况，以及它产生的外部逻辑。这种逻辑可能是简单的输入和输出状态，以及低级别通信，例如 I2C 或 SPI。

但是，如果开发人员使用模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 板，则监控输入/输出态和低级别通信可能成本高昂。开发人员可以利用一些技巧来降低成本，以便监控这些信号和改进测试功能。

第一个技巧是使用来自系统上的微控制器的开发板，来监控微控制器引脚。例如，如果开发人员使用 STMicroelectronics STM32F767 或 STM32L4微控制器，则他们应该首先购买 STM32F767 Nucleo 板 或 STM32L476RGT6 Nucleo 板。

然后，他们应该使用板上的针座，直接将每个 I/O 引脚跳转到系统上的相应引脚。由于他们已经为微控制器开发了低级别驱动程序，因此可以轻松地调节这些驱动程序，以便监控微控制器的输入和输出状态。

开发人员还可以添加少量额外代码，例如 USB 驱动程序，这样开发板就能够直接插入到测试主机。

USB 可用于接收输入/输出样本状态数据，随后这些数据可以关联至从系统发出和接收命令，以确定工作情况是否完全符合预期。

除了使用开发板之外，测试工具也可以使用逻辑探头，例如同样来自 SparkFun 的 Logic Pro 8。

这些逻辑分析仪具有多功能性，在要监控的对象方面，可通过软件对每个输入进行修改。

例如，开发人员可设置前两个输入来监控开关输入，同时使用接着的两个输入来监控 I2C 通信，并使用剩余的输入来监控 SPI。数据可以轻松采集，然后与测试工具的剩余组件进行同步，从而让我们全面了解嵌入式系统的工作情况。

构建测试工具的技巧和诀窍

显而易见，测试工具对于很多现代嵌入式系统是必不可少的。获得认证有时可能非常困难，但认证产生的回报和带来的系统稳健性提升的价值会数倍于投资成本。

在首次构建测试工具时，甚至在升级测试工具时，开发人员可以利用多种技巧，确保构建最有效的测试工具。其中包括：

使用与主要目标相同的处理器的开发套件，来监控微控制器的数字输入和输出

在支持跟踪功能的调试器上进行投资，并利用免费的软件包，以最深入地了解系统运行情况

运行软件跟踪时，请务必使用最坏情况测试，以确保您能够获取最坏情况场景

如果没有足够的资金来构建完善的测试工具，首先构建较小的测试工具，然后随着时间推移加以完善。哪怕只进行一部分测试，也强于没有进行测试。

花费必要的时间掌握要在测试工具中使用的不同工具和组件

不要害怕构建您自己的接口，要充分利用现有软件来监控系统运行情况

不要做出任何假设!如果您没有监控输出或触发输入，则很可能让错误乘虚而入。

提高嵌入式系统的可靠性需要开发者在硬件设计、软件编程、系统调试与优化等方面付出努力。通过选用可靠的硬件组件、合理的硬件布局与布线、模块化编程、静态代码分析、动态内存管理优化、错误处理和异常捕获、单元测试与集成测试、实时调试与监控、性能优化以及可靠性测试等手段，可以显著提高嵌入式系统的可靠性和稳定性。同时，开发者还应不断学习和探索新的技术和方法，不断提高自己的技能水平，为嵌入式系统的可靠性保驾护航。