跨越調(diào)試物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)的軟硬件鴻溝

不要忽略默認(rèn)MCU設(shè)置

調(diào)試是嵌入式設(shè)計(jì)中很重要的一部分，并且必須跨越硬件/軟件之間的鴻溝。在系統(tǒng)級(jí)別，嵌入式設(shè)計(jì)的功能越來越多地由固件定義，因此要避免漏洞，需要具有特定訓(xùn)練的工程師在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段緊密合作。這也意味著在漏洞不可避免地出現(xiàn)時(shí)需要抑制互相推諉的沖動(dòng)。

也許正是由軟件定義的硬件之特性，使現(xiàn)代嵌入式設(shè)計(jì)成為如此有意思的職業(yè)。每個(gè)新的微控制器(MCU)似乎都提供了更高的集成度和更先進(jìn)的功能，但是在對(duì)其完成編程之前，它完全沒有啟用。盡管這種集成和配置顯然是一個(gè)促進(jìn)因素，并且在為產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來巨大進(jìn)步，但它有時(shí)可能會(huì)給工程師帶來無法預(yù)料的問題。

諸如MCU之類的嵌入式元件所提供的功能和可配置特性也在不斷提高，并且這些元件提供了許多并非在每個(gè)設(shè)計(jì)中都需要的功能。這些額外的功能可能會(huì)被忽略，也較少引起問題。

正如大多數(shù)工程師所理解的那樣，這些功能通常由可通過軟件修改的寄存器控制。因此，它們?cè)陂_機(jī)時(shí)具有默認(rèn)設(shè)置，并且如果保持不變，將繼續(xù)在這些默認(rèn)設(shè)置下運(yùn)行。在很多情況下，這可能不會(huì)帶來問題。但是，如果這些功能一直未使用，而且可能未經(jīng)測試，則可能會(huì)以某種無法預(yù)料的方式產(chǎn)生影響。漏洞可能在系統(tǒng)中產(chǎn)生，由可能被忽略的常規(guī)功能所導(dǎo)致。

查找故障可能會(huì)很困難、耗時(shí)且成本高昂，即使在理想條件下。通常，我們通過其影響來識(shí)別故障，這些影響一般為工程師提供了足夠的證據(jù)來追蹤原因。導(dǎo)致故障的原因與硬件還是軟件有關(guān)，在很大程度上是無關(guān)緊要的，不過這也許仍存在爭論，重要的是找到并修復(fù)故障。

如果故障原因是未正確初始化的低級(jí)功能，那么發(fā)現(xiàn)它可能會(huì)變得更具挑戰(zhàn)性。要了解硬件平臺(tái)的初始狀態(tài)如何影響整個(gè)設(shè)計(jì)，就需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有更高的了解，而追蹤這些難以捉摸的條件會(huì)消耗不少資源。

例如，MCU上的SPI總線訪問串行閃存，是許多嵌入式系統(tǒng)中使用的相對(duì)簡單的功能。如果在存儲(chǔ)的值中檢測到錯(cuò)誤，會(huì)提示存儲(chǔ)(而不是MCU)出現(xiàn)故障。這是一個(gè)客戶的經(jīng)歷，當(dāng)從閃存的狀態(tài)寄存器連續(xù)讀取時(shí)提示發(fā)現(xiàn)了讀/寫錯(cuò)誤。自然而然，被認(rèn)為存儲(chǔ)器件發(fā)生了故障，這一理論由以下事實(shí)得出：如果在狀態(tài)寄存器讀取之間設(shè)置了短暫的延遲，則檢測到的故障數(shù)量似乎會(huì)減少。此外，重新啟動(dòng)電源似乎可以清除故障一段時(shí)間。

客戶工程師們認(rèn)為，這些癥狀表明串行存儲(chǔ)器發(fā)生故障，即使它仍在指定規(guī)格的周期極限之內(nèi)，僅完成了約60k的寫周期。當(dāng)客戶將串行閃存器件返回給我們進(jìn)行進(jìn)一步測試時(shí)，即使在執(zhí)行了超過300k的寫周期后，我們都沒有發(fā)現(xiàn)任何故障。

為了找到真正的故障，我們的工程師調(diào)查了客戶的應(yīng)用，并探究了SPI信號(hào)。我們發(fā)現(xiàn)，這看起來是存儲(chǔ)器件出現(xiàn)故障，實(shí)際上是系統(tǒng)噪聲問題，可以很容易地糾正。盡管部分原因是由于MCU與閃存之間的PCB走線阻抗不匹配，但噪聲并非完全是由于不良的PCB設(shè)計(jì)或信號(hào)完整性問題造成的。

盡管看上去似乎是PCB或電路設(shè)計(jì)問題，但實(shí)際上噪聲是SPI信號(hào)的過沖和下沖，這是由于信號(hào)的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度過大引起的。該過沖足以影響閃存器件的電荷泵，并導(dǎo)致讀取和寫入錯(cuò)誤。在某些情況下，SPI信號(hào)的過沖和下沖也可以解釋為信號(hào)躍遷，也可能導(dǎo)致讀取或?qū)懭脲e(cuò)誤。

跟蹤圖像顯示了SPI線上的過沖和下沖

一種可能的解決方案是在信號(hào)走線上放置一個(gè)RC電路，以減慢信號(hào)躍遷的速度。不過，我們發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)基于一個(gè)相對(duì)較新的MCU，允許在固件中修改I/O引腳的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。降低信號(hào)的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度足以消除SPI信號(hào)線上的過沖和下沖，從而有效地消除系統(tǒng)級(jí)噪聲源。

這里的重點(diǎn)并不是閃存器件如何努力應(yīng)對(duì)大量的系統(tǒng)噪聲，而是MCU上的可配置功能可能會(huì)引入一些影響，很容易讓人誤以為是設(shè)計(jì)中其他器件出現(xiàn)了故障。在這次事例中，我們通過有力的方法檢測到了設(shè)計(jì)中的故障，并通過我們工程師們的努力解決了問題。

或許我們真正可以從中學(xué)到的是，看似硬件的故障也許可以通過軟件輕松修復(fù)。看似某個(gè)元件的故障，也許可以追溯到另一個(gè)元件中的錯(cuò)誤配置。硬件和軟件工程師之間的合作關(guān)系，以及客戶與供應(yīng)商之間的合作關(guān)系應(yīng)足夠牢固，能夠承受得住使用最新技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)。盡管默認(rèn)設(shè)置的初衷是提供幫助，我們也應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化這些設(shè)置可以極大地改善系統(tǒng)性能和可靠性。