摘 要：隨著使用軟件和微處理器控制各種嵌入式設(shè)備的增加，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的快速測(cè)試變得越發(fā)重要，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的硬件故障率曾下降的趨勢(shì)，同時(shí)軟件的故障率卻不斷的攀升。本文介紹了嵌入式軟件測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)，通過對(duì)軟件和硬件的結(jié)合、加強(qiáng)對(duì)其監(jiān)控、進(jìn)行總體優(yōu)化設(shè)計(jì)等措施，提高嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；可靠性設(shè)計(jì)

1 嵌入式系統(tǒng)的可靠性

國(guó)際電機(jī)工程師協(xié)會(huì)提出嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置。嵌入式系統(tǒng)是軟件、硬件的組合，同時(shí)包括機(jī)械附屬裝置。硬件系統(tǒng)是軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，硬件系統(tǒng)的質(zhì)量好壞容易通過直觀判斷，一般通過對(duì)其外觀檢查和測(cè)試，對(duì)其質(zhì)量、性能進(jìn)行評(píng)估。軟件系統(tǒng)的研發(fā)受研發(fā)人員對(duì)需求認(rèn)識(shí)、對(duì)硬件系統(tǒng)掌握的程度、實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)積累、編程設(shè)計(jì)能力等方面影響，所以對(duì)軟件系統(tǒng)的可靠性評(píng)估工作較為困難。嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行失效會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，由于大批量生產(chǎn)從而使生產(chǎn)企業(yè)遭受一定的經(jīng)濟(jì)損失，在產(chǎn)品出產(chǎn)前必須對(duì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)，包括硬件、軟件和系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試 [1]。

2 程序總體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)是以控制為主，軟硬件結(jié)合緊密，功能性操作復(fù)雜，模塊互相調(diào)頻繁，外部工作環(huán)境多樣，容易干擾別和被干擾，且執(zhí)行錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。在嵌入式軟件的設(shè)計(jì)過程中注重軟件、硬件之間接口的冗余性、預(yù)防性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)采用看門狗電路、狀態(tài)保存等技術(shù)設(shè)計(jì)。軟件鎖和程序陷阱設(shè)計(jì)等抗干擾技術(shù)以，通過備份技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)容錯(cuò)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的有序運(yùn)行，取決于頂層軟件程序協(xié)調(diào)和控制下級(jí)單元一起工作，低層軟件保持與頂層軟件同步可靠的運(yùn)行。

嵌入式微處理器控制系統(tǒng)軟件、硬件相輔相成，硬件是軟件的基礎(chǔ)，軟件使硬件充分高效地運(yùn)行，以完成自動(dòng)化、智能化控制。提高軟件運(yùn)行的可靠性，編寫軟件中對(duì)硬件作深入全面的研究、科學(xué)、合理地規(guī)劃各個(gè)軟件模塊，使其在不同的時(shí)間使用硬件資源，盡量避免不同程序模塊同時(shí)使用同一硬件資源。開始軟件編寫工作要深入學(xué)習(xí)硬件結(jié)構(gòu)及其提供的資源，使軟件編寫更加合理性、規(guī)劃性和科學(xué)性，最終形成高質(zhì)量的軟件系統(tǒng)。人性化設(shè)計(jì)指軟件執(zhí)行過程中的人機(jī)交互符合計(jì)算機(jī)使用者的心理特點(diǎn)，明確系統(tǒng)使用者心理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析低層次的界面人性化設(shè)計(jì)中界面元素與幫助的人性化及高層次的功能結(jié)構(gòu)人性化設(shè)計(jì)等方面。系統(tǒng)目標(biāo)細(xì)化，設(shè)計(jì)人員根據(jù)總體任務(wù)需求，將現(xiàn)有的硬件條件和工作環(huán)境，將任務(wù)分解成數(shù)個(gè)相互聯(lián)系、獨(dú)立運(yùn)行的控制單元模塊，每個(gè)控制單元模塊完成有自己的主要任務(wù)及配屬任務(wù)，使各個(gè)控制單元模塊負(fù)荷平均。以上為系統(tǒng)重點(diǎn)設(shè)計(jì)部分，可將一個(gè)復(fù)雜問題分解為幾個(gè)簡(jiǎn)單易解的問題，并行運(yùn)行的提高系統(tǒng)能力，從而現(xiàn)用幾個(gè)簡(jiǎn)單運(yùn)算解決復(fù)雜問題的能力，這樣可以大大提高系統(tǒng)的工作效率，還可以大大減輕中央處理器的負(fù)擔(dān)，同時(shí)全面提高系統(tǒng)的可靠性。每個(gè)控制單元模塊同單元模塊之間具有獨(dú)立性，最大程度的減少彼此之間的依賴性，每當(dāng)其中一個(gè)控制單元模塊工作不正常時(shí)，不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，每個(gè)控制單元模塊的功能設(shè)計(jì)不易太大，需考慮每個(gè)控制單元模塊之間的負(fù)荷保持均衡，控制單元模塊對(duì)系統(tǒng)硬件資源的占用的時(shí)間不能太常，但采取冗余設(shè)計(jì)是非常必要的。硬件資源中加入節(jié)能控制設(shè)計(jì)，比如運(yùn)行中改變中央處理器運(yùn)行頻率、中央處理器空閑模式等。節(jié)能設(shè)計(jì)可減少系統(tǒng)電能的消耗，在減少電能損耗時(shí)，可降低中央處理器和硬件電路中電子元器件的溫度，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)硬件的使用壽命，同時(shí)可以大大提高軟件運(yùn)行的可靠性。

3 程序設(shè)計(jì)中的具體措施

軟件系統(tǒng)中，子程序運(yùn)行會(huì)受到本身設(shè)計(jì)的缺陷、內(nèi)外部電磁干擾、工作環(huán)境的溫度等因素的影響。如果系統(tǒng)程序本身設(shè)計(jì)存在缺陷，可采用備用子程序進(jìn)行替換，如果是系統(tǒng)硬件電路運(yùn)行不可靠，軟件設(shè)計(jì)做出相關(guān)的預(yù)警，提示操作人員及時(shí)進(jìn)行排除。在系統(tǒng)子程序運(yùn)行中的狀態(tài)參數(shù)通過硬件的特定位置做出標(biāo)識(shí)，供給系統(tǒng)監(jiān)控函數(shù)和系統(tǒng)主程序使用。運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位是根據(jù)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)、硬件資源進(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然在高性能微處理器、優(yōu)化電路的設(shè)計(jì)情況下，軟件程序的可靠性較強(qiáng)，但程序可能還會(huì)出現(xiàn)一些不可意料的問題，即使硬件系統(tǒng)進(jìn)行高水平的設(shè)計(jì)，其軟件程序運(yùn)行過程中的監(jiān)控設(shè)計(jì)作為提高軟件系統(tǒng)可靠性的要點(diǎn)。當(dāng)多個(gè)子程序共同完成一目標(biāo)協(xié)調(diào)工作時(shí)，不可避免的存在不協(xié)調(diào)的情況，只要科學(xué)合理的處理，一般不影響太大。對(duì)于受到內(nèi)外環(huán)境的電磁干擾、偶然發(fā)生的子程序運(yùn)行失效問題，改進(jìn)軟件算法進(jìn)行解決，比如采用多次運(yùn)算，去掉最大值部分和最小值部分，進(jìn)行平均值計(jì)算等算法。當(dāng)頻繁出現(xiàn)運(yùn)行失效情況時(shí)，分析是程序設(shè)計(jì)存在缺陷還是硬件資源沖突或硬件本身出現(xiàn)故障。如果軟件程序設(shè)計(jì)存在一定缺陷，可通過調(diào)用備用程序予以解決。當(dāng)因硬件資源存在沖突，可重新掃描硬件資源，調(diào)整硬件資源占用的時(shí)間與空間。動(dòng)態(tài)軟件缺陷測(cè)試技術(shù)是發(fā)現(xiàn)和消除軟件缺陷的重要手段。在對(duì)軟件程序存在缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可采用混合執(zhí)行測(cè)試初始輸入評(píng)估和選擇方法，該方法結(jié)合部分控制流敏感的細(xì)粒度污點(diǎn)分析、符號(hào)執(zhí)行。可通過識(shí)別、計(jì)算不同備選初始輸入覆蓋容易觸發(fā)缺陷的危險(xiǎn)路徑的能力，來為混合執(zhí)行測(cè)試評(píng)估和選擇合適的初始輸入，可有效的提高混合執(zhí)行測(cè)試的缺陷檢測(cè)效果[2]。

嵌入式軟件既是系統(tǒng)的核心，作為硬件系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，需要具備防錯(cuò)、判錯(cuò)、糾錯(cuò)和容錯(cuò)等功能，具備了這些功能，可以保證系統(tǒng)可靠性要求在軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)。但是軟件可靠性又不同于硬件電路，它不會(huì)隨時(shí)間的推移而降低，其可靠性保障全部在設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]徐忠兵.嵌入式軟件可靠性測(cè)試用例自動(dòng)生成技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[2]孫輝.嵌入式軟件質(zhì)量體系和軟件質(zhì)量自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究[D].東華大學(xué)，2010.

（作者單位：中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所）