工程師講解PCB設計中軟件缺陷的查找

本文將介紹如何避免那些隱藏但常見的錯誤，并介紹幾種幫助工程師發(fā)現(xiàn)PCB抄板軟件中隱藏錯誤的技巧。 大多數(shù)軟件開發(fā)項目依靠代碼檢查、結構測試和功能測試的結合來識別軟件缺陷。 盡管這些傳統(tǒng)技術非常重要并且可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)軟件問題，但它們無法檢測當今復雜系統(tǒng)中的許多常見錯誤。

結構測試或白盒測試可以有效地發(fā)現(xiàn)代碼中的邏輯、控制流、計算和數(shù)據(jù)錯誤。 這種測試需要清楚地了解軟件的內部工作（因而稱為“白盒”或“玻璃盒”），從而了解軟件結構的細節(jié)。 它檢查每個條件表達式、數(shù)學運算、輸入和輸出。 由于需要測試的細節(jié)很多，結構測試一次檢查一個軟件單元，通常是一個函數(shù)或類。

代碼審查還使用復雜的技術來發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)缺陷和潛在問題。 與白盒測試一樣，評審通常針對每個軟件單元進行，因為有效的評審過程需要集中且詳細的評審。

與評審和白盒測試不同，功能測試或黑盒測試假設不了解軟件實現(xiàn)，并測試由受控輸入驅動的輸出。 功能測試由測試人員或開發(fā)人員編寫的測試程序組成，這些測試程序指定與一組特定的程序輸入相對應的預期程序輸出。 測試運行后，測試人員將實際輸出與預期輸出進行比較，以發(fā)現(xiàn)問題。 黑盒測試可以有效地找出程序最常用功能中未滿足的需求、接口問題、性能問題和錯誤。

雖然這些技術可以結合起來找到隱藏在特定軟件程序中的大多數(shù)錯誤，但它們也有局限性。 代碼審查和白盒測試一次只關注一小部分代碼，而忽略系統(tǒng)的其他部分。 黑盒測試通常將系統(tǒng)視為一個整體，忽略實現(xiàn)的細節(jié)。 有些重要的問題只有關注它們在整個系統(tǒng)中的相互作用才能發(fā)現(xiàn)； 傳統(tǒng)方法無法可靠地識別這些問題。 必須對軟件系統(tǒng)進行整體檢查，找出特定問題的具體原因。 由于通常不可能徹底分析程序的每個細節(jié)及其與代碼所有其他部分的交互，因此分析應重點關注程序中已知會導致問題的特定方面。

本文將探討三個潛在的問題領域：

• 堆棧溢出

• 競爭條件

• 僵局
  

讀者可以在線閱讀本文的第二部分，其中將探討以下問題：

• 時序問題

• 可重入條件
  

所有上述問題在使用多任務實時設計技術的系統(tǒng)中都很常見。

堆棧溢出：

處理器使用堆棧來存儲臨時變量、向被調用函數(shù)傳遞參數(shù)、保存線程“狀態(tài)”等等。 如果系統(tǒng)不使用虛擬內存（換句話說，它無法將內存頁轉移到磁盤以釋放內存空間用于其他用途），則堆棧將固定為產(chǎn)品出廠時的大小。 如果由于某種原因堆棧超出了程序員分配的數(shù)量，程序就會變得不確定。 這種不穩(wěn)定性可能會導致嚴重的系統(tǒng)故障。 因此，確保系統(tǒng)在最壞的情況下能夠分配足夠的堆棧非常重要。

確保永遠不會發(fā)生堆棧溢出的唯一方法是分析代碼，確定程序在各種可能情況下的最大堆棧使用量，然后檢查是否分配了足夠的堆棧。 測試不太可能觸發(fā)特定的瞬時輸入組合，從而導致系統(tǒng)出現(xiàn)最壞的情況。

堆棧深度分析的概念很簡單：

• 為每個獨立線程創(chuàng)建一個調用樹。

• 確定調用樹中每個函數(shù)的堆棧使用情況。
  

• 檢查每個調用樹，確定從樹根到外部“葉子”的哪條調用路徑需要最多的堆棧。
  

• 添加每個獨立線程調用樹的最大堆棧使用量。
  

• 確定每個中斷優(yōu)先級內每個中斷服務例程 (ISR) 的最大堆棧使用量并計算其總和。 但是，如果ISR本身沒有堆棧并使用被中斷線程的堆棧，則應將ISR使用的最大堆棧數(shù)添加到每個線程的堆棧中。
  

• 對于每個優(yōu)先級，添加中斷發(fā)生時用于保存處理器狀態(tài)的堆棧數(shù)量。
  

• 如果使用RTOS，則添加RTOS自身內部使用所需的最大堆棧數(shù)（與應用程序代碼引起的系統(tǒng)調用不同，這已包含在步驟2中）。
  

此外，還有兩個重要問題需要考慮。 首先，僅從高級語言源代碼構建的調用樹可能并不完美。 大多數(shù)編譯器使用運行時庫來優(yōu)化常見的計算任務，例如大整數(shù)的乘法和除法、浮點運算等。這些調用僅在編譯器生成的匯編語言中可見。 運行時庫函數(shù)本身可能會使用大量的堆棧空間，必須將其包含在分析中。 如果使用C++語言，則以下類型的函數(shù)（方法）也必須包含在調用樹中：構造函數(shù)、析構函數(shù)、重載運算符、復制構造函數(shù)和轉換函數(shù)。 所有函數(shù)指針也必須被解析，并且它們調用的函數(shù)必須包含在分析中。

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