1　可靠性設計模型與概述

可靠性設計模型表達了單片機應用系統(tǒng)從激勵到響應的唯一性過程?？煽啃栽O計模型如圖1所示，按照可靠性設計模型，軟件設計的主要任務是保證在過程空間中，應用系統(tǒng)程序按照給定順序有序地運行。軟件設計的可靠性保障是軟件設計中的本質可靠性與可靠性控制。它保障了最少的軟件錯誤以及在軟件出錯后仍保證系統(tǒng)能正常運行或安全運行。

2　本質可靠性的軟件設計

2．1　最大限度地減少錯誤及缺陷

在應用軟件中，唯一的有序性（編程指定的）與無限的激勵因素，導致了軟件測試仿真的不完全性，其結果是軟件的缺陷與軟件并存。軟件的缺陷與錯誤通?？煞譃轱@性與隱性兩大類。顯性缺陷與錯誤發(fā)生在程序正常運行中。這些缺陷和錯誤大部分都可通過仿真調試進行糾正；隱性缺陷與錯誤通常都在系統(tǒng)非正常運行中顯露出來。容錯能力弱的系統(tǒng)存在較多的隱性錯誤。

2．2　要有足夠的時序余度

時序是程序設計中必須考慮的問題。在應用程序設計應考慮的時序有系統(tǒng)復位時序、狀態(tài)時序、器件工作時序及總線運行時序。

（1）系統(tǒng)復位時序

①MCU復位時序要求。MCU有上電復位（冷啟動復位，如開機）與信號復位（熱啟動，如按鍵復位）。上電復位有電源建立及時鐘系統(tǒng)起振過程和電路狀態(tài)復位。信號復位是在MCU工作狀態(tài)下的復位，沒有電源建立及時鐘起振過程的時序要求。

②應用系統(tǒng)中多個復位端的時序要求。當一個系統(tǒng)中，除單片機外，還有其他可編程外圍器件，如8155有復位要求時，系統(tǒng)中便出現(xiàn)了多個復位控制要求。解決系統(tǒng)中多個器件復位時序的原則是：保證MCU在系統(tǒng)中最后復位或MCU對外圍可編程器件的初始化，必須確保在該器件復位后進行。

③程序設計中的復位處理原則。

·MCU上電后延遲片刻，確保外圍器件復位完畢，再對外圍器件初始化。

·在確保MCU對有復位控制端口的外圍器件初始化是完全初始化操作時，可將外圍器件的復位端接成非復位狀態(tài)。

（2）器件工作時序

器件工作時序是器件應用程序設計的基礎。程序設計中必須保證時序工作的正確性，而且要有足夠的余度。在考慮器件運行時序時，MCU的操作必須保證時序信號的銜接控制和時序信號的時序余度。

（3）狀態(tài)轉換時序

在狀態(tài)轉換的程序設計中，應根據(jù)狀態(tài)轉換的時序特點，進行精心的時序控制設計。通常，MCU本身的狀態(tài)轉換，如復位、ID、PD方式的進入或退出，片內外圍集成電路單元的關斷與運行，都有自動監(jiān)視、自動運行管理功能。程序設計只須按MCU數(shù)據(jù)手冊及指令系統(tǒng)的操作要求進行即可。對于有較長過渡時間的外圍狀態(tài)轉換過程，可采取足夠的延時等待或設置提前轉換狀態(tài)的辦法。

（4）總線時序

在單片機應用系統(tǒng)中，有并行總線與串行總線。串行總線中又有通信總線和擴展總線。這些總線在規(guī)范化操作時，其時序由數(shù)據(jù)通信協(xié)議保證。在非規(guī)范運行，例如在虛擬總線方式下，其虛擬總線運行的可靠性在于時序的準確模擬。在并行總線中要保證讀、寫操作指令運行下的讀、寫時序；同步串行總線要保證時鐘線控制下的同步運行時序；串行異步時序則要考慮波特率對數(shù)據(jù)傳送的影響。

2．3　足夠的容錯設計

（1）超時管理的容錯設計

在系統(tǒng)程序中，除了專門設置的循環(huán)等待程序外，系統(tǒng)中的許多操作都是時間有界的。由于非正常激勵的入侵，導致任務操作無法結束，形成超時現(xiàn)象。解決措施：在程序設計中采用超時管理辦法，使程序從非正常激勵造成的“死機”中退出。

（2）超界管理的容錯設計

系統(tǒng)中實際運行的參數(shù)都是有界的。系統(tǒng)運行中要考慮的超界管理參數(shù)有：

①物理參數(shù)。這些參數(shù)主要是系統(tǒng)的輸入參數(shù)，它包括激勵參數(shù)、采集處理中的運行參數(shù)和處理結束的結果參數(shù)。合理設定這些邊界，將超出邊界的參數(shù)都視為非正常激勵或非正常響應進行出錯處理。

②資源參數(shù)。這些參數(shù)主要是系統(tǒng)中的電路、器件、功能單元的資源，如存儲器容量、存儲單元長度、堆棧深度。在程序設計中，對資源參數(shù)不允許超界使用。

③應用參數(shù)。這些應用參數(shù)常表現(xiàn)為一些器件、功能單元的應用條件。如E2PROM的擦寫次數(shù)與數(shù)據(jù)存儲時間等應用參數(shù)界限。

④過程參數(shù)。指系統(tǒng)運行中的有序變化的參數(shù)。

（3）有序化的容錯設計

有序化是程序正常運行的重要標志，是程序設計人員賦予的。有序化的容錯設計是要保證在眾多的非正常激勵和出現(xiàn)非正常響應時，要最大限度地保證原來程序設計時給定的有序的正常程序操作。

3　可靠性控制的軟件設計

3．1　噪聲失敏控制技術

（1）噪聲失敏與噪聲失敏率

噪聲失敏是利用CPU停止運行或關閉MCU外圍電路，使其對外界噪聲干擾失去響應能力的可靠性控制技術。噪聲失敏率NTOUT是在實際系統(tǒng)中，采取噪聲控制后，系統(tǒng)或電路對噪聲失敏的時間概率，

NTOUT可由下式估算：

TLOP為系統(tǒng)運行總時間，通常為系統(tǒng)開機時間；TOP為MCU中CPU的運行時間或電路系統(tǒng)的工作狀態(tài)時間；

TLOP－TOP為單片機CPU停止運行或外圍電路被關斷的時間。

（2）噪聲失敏控制的軟件技術

①按噪聲失敏設計最有效的程序結構。盡量減少應用程序中的循環(huán)等待；盡量集中安排任務和任務中的有效運行時間；及時關斷不在有效運行的電路單元。

②MCU的休眠與掉電。通常，與CPU停止運行的低功耗方式主要有關斷CPU時鐘的休閑ID方式和關斷系統(tǒng)時鐘的掉電PD方式。

③外圍電路關斷。外圍電路可通過電源供電的關斷控制。具有關斷功能的外圍電路，可采取引腳控制關斷或編程控制的辦法，使之進入失敏狀態(tài)。

3．2　程序失控的回復技術

（1）程序失控后的快速凍結與回復

①WDT（Watch Dog Timer）的失控回復。如圖2所示。在程序失控后，程序跳逸出正常路徑，無法對WDT清零，致使WDT溢出。溢出端輸出信號使MCU復位。

②指令的失控恢復。如89C51中采用LJMP0000H的軟件陷阱時，將輸入陷阱的失控程序強行跳轉到復位入口0000H處。

（2）失控回復后的處理

①回復狀態(tài)檢測?；貜褪侵赋绦蚴Э睾笥洲D回到正常路徑的起點，即復位入口地址。程序失控回復后要進行回復狀態(tài)檢測，以判斷是上電復位還是WDT復位或指令拉回。通常采用的檢測方法是利用上電標志。有些單片機內沒有上電標志，可利用上電復位時SRAM的隨機態(tài)與信號復位或程序拉回時，SRAM中數(shù)據(jù)不變的特點來判別。系統(tǒng)上電后，在SRAM區(qū)寫入特殊上電標志數(shù)據(jù)。待回復后先檢查上電標志是否存在，若存在即為WDT復位或指令拉回。

②回復后的初始化處理。圖3是上電復位與程序失控回復初始化處理框圖。0000H是MCU的復位入口，程序啟動后，首先判斷是上電復位（冷啟動），還是程序失控回復（熱啟動）。上電復位是開機操作，要建立上電標志，并進行系統(tǒng)的完全初始化。程序失控回復應進行相關資源的檢查與修復，以防止運行出錯。另外根據(jù)系統(tǒng)的特點，需要保留一些過程數(shù)據(jù)。

不得進行完全初始化時，只進行部分初始化。

3．3　安保、自檢與修復技術

在高可靠性等級的單片機應用系統(tǒng)中，軟件設計中應有安保、自檢與自修復軟件。

（1）安保程序設計。安保設計要求有非正常響應時，對象的完全性保障和系統(tǒng)的可持續(xù)運行。為了能在系統(tǒng)出現(xiàn)非正常響應時，立即獲得安全保護，應設置關鍵部位的失控檢測，如I／O口輸出狀態(tài)實時檢測；機器人軌跡檢測等。檢測到非正常響應后，應快速進入安保狀態(tài)設置，首先使系統(tǒng)進入安全態(tài)，然后保護系統(tǒng)的關鍵資源不受侵害，以保證系統(tǒng)具有后續(xù)運行的操作的能力。

（2）實際系統(tǒng)中的自檢。在實際的單片機應用軟件中，應充分利用其智能化特點，設置各種自檢程序以提高其可靠性與安全性。通常，應用系統(tǒng)中的自檢程序有自診斷，失控后的回復檢查和程序關鍵處的查驗。程序自診斷通常是開機后對系統(tǒng)的例行檢查；失控回復后的檢查重點是數(shù)據(jù)區(qū)，I／O狀態(tài)，SFR狀態(tài)，外圍電路的狀態(tài)等。程序關鍵處的查驗有界限檢查、冗余性檢查與邏輯性檢查。

3．4　系統(tǒng)的結構冗余

由于系統(tǒng)結構的簡化，電路的集成趨勢，器件成本的下降，邏輯控制能力的提高，在關鍵部位可采取冗余的備份結構來提高系統(tǒng)的可靠性。圖4為實際應用中某監(jiān)控系統(tǒng)的具有獨立仲裁器的雙機冗余系統(tǒng)。仲裁器的輸入邏輯接收兩個系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)與故障信息；輸出邏輯接收比較器A、B的比較結果和故障處理信號發(fā)生器的切換信號。仲裁器的故障判斷原理如下：對兩個同步工作系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進行比較，比較結果一致表明兩個系統(tǒng)均無故障；比較結果不同表明，必有一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，然后強令兩個系統(tǒng)進入自檢程序，用預先設定的參數(shù)進行測試，并與預定結果比較，相符者為正常開機，不符者為故障機。若為暫時性故障，重新復位即可排除，若為永久性故障則輸出故障信號并進入單機運行。

4　結束語

可靠性是一個綜合性、經驗性較強的問題，是單片機控制器能否成功應用的關鍵問題。上述提高單片機應用系統(tǒng)可靠性的軟件技術與方法應用于多項應用工程，使多項工程在高可靠性硬件基礎上，保障了最少的軟件錯誤以及在軟件出錯后仍保證系統(tǒng)正常運行或安全運行。

參考文獻：
［1］楊華舒，復濤．單片計算機系統(tǒng)抗干擾的軟件途徑［J］．電子技術應用，2001，（3）．
［2］何立民．單片機高級教程［M］．北京：北京航空航天出版社，2001．