嵌入式軟件設(shè)計(jì)，注意這兩點(diǎn)，可以降低bug出現(xiàn)的概率。

工程師進(jìn)階筆記 · 發(fā)表于 3 天前

我是老溫，一名熱愛學(xué)習(xí)的嵌入式工程師
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在嵌入式開發(fā)軟件中查找和消除潛在的錯(cuò)誤是一項(xiàng)較為艱巨的任務(wù)，通常需要比較復(fù)雜的調(diào)試工具，才能從觀察到的錯(cuò)誤現(xiàn)象，追溯到錯(cuò)誤發(fā)生的根本原因。
在某些情況下，系統(tǒng)看起來仍然可以正常運(yùn)行，或至少在一段時(shí)間內(nèi)似乎仍能正常工作，潛在的錯(cuò)誤原因如果不處理，可能會(huì)破壞系統(tǒng)數(shù)據(jù)或者內(nèi)部的代碼鏡像。
工程師常常不主動(dòng)發(fā)現(xiàn)一些罕見的異常，這些異常在實(shí)驗(yàn)室中不易復(fù)現(xiàn)，一般將其視為用戶錯(cuò)誤或“小故障”，然而，機(jī)器中的這些“鬼魂”仍然存在。這是難以重現(xiàn)錯(cuò)誤最常見的根本原因。
每當(dāng)您閱讀固件源代碼時(shí)，請(qǐng)注意以下兩點(diǎn)，并遵循最佳的建議和做法，以防止它們?cè)俅伟l(fā)生在您身上。
注意事項(xiàng)1：競(jìng)爭(zhēng)條件
競(jìng)爭(zhēng)條件是指兩個(gè)或多個(gè)執(zhí)行線程（可以是RTOS任務(wù)或main（）和中斷處理程序）的組合結(jié)果根據(jù)交織指令的精確順序而變化的任何情況，每個(gè)都在處理器上執(zhí)行。
例如，假設(shè)您有兩個(gè)執(zhí)行線程，其中一個(gè)規(guī)則地遞增一個(gè)全局變量（g_counter + = 1; ），而另一個(gè)偶然將其歸零（g_counter = 0; ），如果不能始終以原子方式（即，在單個(gè)指令周期內(nèi)）執(zhí)行增量，則存在競(jìng)爭(zhēng)條件。
如圖1所示，將任務(wù)視為汽車接近同一十字路口，計(jì)數(shù)器變量的兩次更新之間的沖突可能永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生，或者很少會(huì)發(fā)生，但是，這樣做的時(shí)候，計(jì)數(shù)器實(shí)際上不會(huì)在內(nèi)存中清零。其值至少在下一個(gè)清零之前是損壞的。
這種影響可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重后果，盡管可能要等到實(shí)際碰撞后很長(zhǎng)一段時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)。

最佳實(shí)踐：可以通過適當(dāng)?shù)膿屜认拗菩袨椋拥貓?zhí)行代碼的關(guān)鍵部分，來避免競(jìng)爭(zhēng)條件。為防止涉及ISR的爭(zhēng)用情況，必須在另一個(gè)代碼的關(guān)鍵部分持續(xù)時(shí)間內(nèi)至少禁止一個(gè)中斷信號(hào)。
對(duì)于RTOS任務(wù)之間的爭(zhēng)用，最佳實(shí)踐是創(chuàng)建特定于該共享庫的互斥體，每個(gè)互斥體在進(jìn)入關(guān)鍵部分之前必須獲取該互斥體，請(qǐng)注意，依靠特定CPU的功能來確保原子性不是一個(gè)好主意，
共享數(shù)據(jù)和搶占的隨機(jī)時(shí)間是造成競(jìng)爭(zhēng)狀況的元兇，但是錯(cuò)誤可能并不總是會(huì)發(fā)生，這使得從觀察到的癥狀到根本原因的種族狀況跟蹤變得異常困難。
因此，保持警惕以保護(hù)所有共享對(duì)象非常重要。每個(gè)共享對(duì)象都是一個(gè)等待發(fā)生的事故。
最佳實(shí)踐：命名所有潛在共享的對(duì)象（包括全局變量，堆對(duì)象或外圍寄存器和指向該對(duì)象的指針），以使競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于所有的代碼閱讀者而言都是顯而易見的，在Netrino嵌入式C編碼標(biāo)準(zhǔn)提倡使用 “g_xxx” 前綴。查找所有可能共享的對(duì)象將是爭(zhēng)用條件代碼審核的第一步。
注意事項(xiàng)2：不可重入功能
從技術(shù)上講，不可重入功能的問題是爭(zhēng)用狀況問題的特例，而且由于相關(guān)原因，由不可重入函數(shù)引起的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤通常不會(huì)以可重現(xiàn)的方式發(fā)生-使它們同樣難以調(diào)試。
不幸的是，非重入功能也比其他類型的競(jìng)爭(zhēng)條件更難在代碼審查中發(fā)現(xiàn)，圖2 顯示了一個(gè)典型的場(chǎng)景，在這里，要搶占的軟件實(shí)體也是RTOS任務(wù)，但是，它們不是通過直接調(diào)用共享對(duì)象而是通過函數(shù)調(diào)用間接操作。

例如，假設(shè)任務(wù)A調(diào)用套接字層協(xié)議功能，該套接字功能調(diào)用TCP層協(xié)議功能，調(diào)用IP層協(xié)議功能，該功能調(diào)用以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序，為了使系統(tǒng)可靠地運(yùn)行，所有這些功能都必須是可重入的。
但是，以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序的所有功能都以以太網(wǎng)控制器芯片的寄存器形式操作相同的全局對(duì)象。如果在這些寄存器操作期間允許搶占，則任務(wù)B可以在將數(shù)據(jù)包A排隊(duì)之后但在發(fā)送開始之前搶占任務(wù)A。
然后，任務(wù)B調(diào)用套接字層功能，該套接字層功能調(diào)用TCP層功能，再調(diào)用IP層功能，該功能調(diào)用以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序，該隊(duì)列將數(shù)據(jù)包B排隊(duì)并傳輸。
當(dāng)CPU的控制權(quán)返回到任務(wù)A時(shí)，它將請(qǐng)求傳輸。根據(jù)以太網(wǎng)控制器芯片的設(shè)計(jì)，這可能會(huì)重傳數(shù)據(jù)包B或產(chǎn)生錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)包A丟失，并且不會(huì)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。
為了可以同時(shí)從多個(gè)RTOS任務(wù)中調(diào)用此以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序的功能，必須使它們可重入。如果它們每個(gè)僅使用堆棧變量，則無事可做。
因此，C 語言函數(shù)最常見的樣式是可重入的，但是除非經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，否則驅(qū)動(dòng)程序和某些其他功能將是不可重入的，
使函數(shù)可重入的關(guān)鍵是暫停對(duì)外圍設(shè)備寄存器，包括靜態(tài)局部變量，持久堆對(duì)象和共享內(nèi)存區(qū)域在內(nèi)的全局變量的所有訪問的搶占。
這可以通過禁用一個(gè)或多個(gè)中斷或獲取并釋放互斥鎖來完成。問題的細(xì)節(jié)決定了最佳解決方案。
最佳實(shí)踐：在每個(gè)庫或驅(qū)動(dòng)程序模塊中創(chuàng)建和隱藏一個(gè)互斥量，這些互斥量不是本質(zhì)上可重入的。使獲取此互斥鎖成為操作整個(gè)模塊中使用的任何持久數(shù)據(jù)或共享寄存器的前提。
例如，相同的互斥鎖可用于防止涉及以太網(wǎng)控制器寄存器和全局或靜態(tài)本地?cái)?shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器的競(jìng)爭(zhēng)情況，在訪問這些數(shù)據(jù)之前，模塊中訪問此數(shù)據(jù)的所有功能必須遵循協(xié)議以獲取互斥量。
注意非重入功能可能會(huì)作為第三方中間件，舊版代碼或設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一部分進(jìn)入您的代碼庫，令人不安的是，不可重入函數(shù)甚至可能是編譯器隨附的標(biāo)準(zhǔn)C或C ++庫的一部分。
如果您使用GNU編譯器來構(gòu)建基于RTOS的應(yīng)用程序，請(qǐng)注意您應(yīng)該使用可重入的“ newlib”標(biāo)準(zhǔn)C庫，而不是默認(rèn)庫。
原文：https://blog.csdn.net/weixin_44059661/article/details/107839764