利用函數參數和返回值提高嵌入式軟件質量

　引 言

　　提高軟件代碼的質量是每一個軟件設計者都必須考慮的問題，這涉及軟件的有效性和經濟價值。基于嵌入式系統的軟件設計多數是以實時操作系統為平臺，這和傳統的以WindOWS操作系統為平臺的程序設計有很大的不同。前者要求對操作系統有更加深入的了解，要求使用者對自己的處理器和編譯器工作原理有相當的理解，能夠編寫一定量的移植代碼實現操作系統和底層硬件的連接。μC／OS—II是一種源代碼公開的占先式實時操作系統內核，本文主要結合μC／OS—II的系統函數的應用，說明利用μC／OS—II系統函數的參數和返回值來提高程序設計效率和代碼質量的方法。

　　1 參數和返回值分類

　　通過對μC／0S—II的學習和研究，可以發現它提供的系統函數大多是用標準C語言寫的；受C語言語法規則的限制，這些函數只有一個返回值。為了在使用μC／0SII的系統函數時得到更多的狀態信息，將狀態信息保存在函數參數中。這樣，μC／OS—II系統函數的參數可以分為兩類：第一類是普通的形式參數，這類參數符合傳統的使用方法，主要傳遞實際參數的值，起到數值傳遞的作用；第二類形式參數在使用時，不傳遞有效數值，僅是一個變量。系統函數在執行時產生的狀態信息就保存在第二類參數里，在系統函數調用結束時通過這類參數的值來查看系統函數執行過程中產生的狀態信息。

　　本文以函數0SSemPend()為例來介紹。這個函數沒有返回值，它每個形式參數的具體含義見參考文獻，這里不做具體的描述。其參數可歸為上述的兩類：OS_EVENT*pevent和INTl6U timeout為第一類，應用程序中的實際參數要給予它們具體的數值；INT8U*err為第二類，應用程序中的實際參數不需要給出具體的數值，在函數代碼執行時，會根據不同的情況給INT8U*err賦值，這個值反映了函數的執行情況。如OSSemPend()函數的應用所示。

　　2 函數參數和返回值中的狀態信息

　　μC／OS—II的系統函數根據實際情況可以分為沒有參數和返回值的函數、有參數沒有返回值的函數和既有參數又有返回值的函數。在這里不討論第一種情況，本文主要研究的是第二和第三種情況。如前所述，μC／OS—II為了增加系統函數執行產生的狀態信息和返回值，將狀態信息放到函數的參數中。筆者通過對μC／0S—II的系統函數的研究發現，這些函數并不是都將狀態信息放到函數的參數中。有的也放到返回值中，如OSsemQtJery()函數，就是用返回值傳遞的狀態信息，而用函數的參數傳遞的有效信息。這些狀態信息反映了在使用μC／OS—II的系統函數時出現的問題，通過讀這些狀態可以知道系統函數執行的情況。因此，從安全的角度來說，在使用這些系統函數時應該讀出所有狀態信息，并且根據狀態的不同給出相應的處理指令。按照這種思路，對OSSemPend()函數的應用的改進如下：

　　可以看到，在調用系統服務函數OSSemPend()時，臨時變量err作為實際參數傳遞給OSSemPend()。在執行這個函數后，err這個臨時變量就包含了函數執行時產生的狀態信息。這些狀態信息使用常量而不用一個常數，是為了增加軟件的可讀性和通用性。具體的定義和含義如表1所列，其中前兩種返回值是正常的：第一種是有信號可用時的情況，進行正常的處理；第二種是在規定的時間內沒有信號到來，要做超時處理。后面三種情況是人為錯誤造成的。在調用OSSemPend()系統函數后要對這個包含狀態信息的變量進行分析處理，過程如上述程序所示，由于篇幅關系，這里只是用簡單的一句話來代表處理過程。

　　3 狀態信息的使用

　　在調用μC／OS—II的每個系統函數時，只要被調用的函數提供狀態信息，都應該對這些狀態信息進行分析和處理。專業軟件設計者信奉這樣一個道理：“編寫無錯代碼的最好方法是把防止錯誤放在第一位”。以調用μC／OS—II的系統函數OSSemPend()為例，用戶不需要去改動OSSemPend()函數的代碼，假設這部分內容是沒有什么問題的。現在我們要做的是檢測這個函數執行時的狀態，也就是它產生的出錯信息。這個函數返回三種結果說明用戶使用的錯誤，如表1所列：0S_ERR_EVENT_TYPE表示用戶在調用OSSemPend()函數時提供的指針數據不是指向信號量的，發生了類型錯誤；OS_ERR_PEVENT_NULL表示用戶提供的用作實際參數的指針是一個空指針；OS_ERR_PEND_ISR表示用戶在中斷服務程序中調用了OSSemPend()函數；這三種狀態錯誤是在軟件設計階段由于用戶粗心或者對μC／OS—II系統函數不了解而導致的。只要用戶在設計過程中小心謹慎，這類錯誤可以避免。但是，從防止錯誤的角度來考慮，對這些錯誤的狀態進行檢測和處理是必要的，這樣在錯誤發生時錯誤處理程序會給出簡單的提示甚至對錯誤進行修改。錯誤處理程序防止在程序調試過程中反復閱讀程序代碼，避免了花費很大的精力去查找錯誤，提高了軟件設計效率。

按照以上方案設計出的嵌入式系統軟件可以認為是一個理想的編譯器。現在考慮一下，倘若編譯程序能夠正確地指出代碼中的所有問題，那相應程序的錯誤情況會怎樣?這不單指語法錯誤，還包括程序中的任何問題，不管它多么隱蔽。顯然，現在所有的編譯器都無法實現這種功能，所以要對編譯器的功能進行擴展。這種設計思路可以認為是：軟件設計者要設計出編譯器的擴展功能，使得在進行軟件設計時，編譯器能夠自己檢查錯誤。如果能夠做到，軟件設計的勞動量將大大降低。

　　4 軟件的調試版與交付版

　　前面的改進程序對OSSemPend()函數調用產生的所有可能狀態進行了處理，而這部分代碼中的大部分都是冗余代碼，為的是便于軟件的設計和調試。使用實時操作系統μC／0S—II進行嵌入式軟件設計，用到的系統函數當然不止OSSemPend()一個，如果每個函數調用結束后都像程序中那樣處理，代碼的空間會迅速增加，程序的效率則會大大降低。

　　為了解決這個問題，首先考慮，如果非常謹慎小心進行程序設計，多數的狀態檢測處理過程就可以省略。之所以對每個狀態信息進行檢測處理是為了提高軟件設計調試的效率。在軟件調試通過后，有些狀態信息的檢測就沒有必要了。這就像乘坐飛機出行前要買保險，等航班到達目的地后，保險就沒有什么用處了。軟件最終是作為一個產品提供給客戶的。這個產品是最終版本(當然還會不斷升級)。在進行產品設計時會有一個調試版本，這個調試版要貫穿整個軟件的生存周期。調試版是為了軟件的設計、調試和升級使用，不會提供給用戶，更不會出現在產品中。

　　具體到嵌入式系統軟件設計問題，仍然以調用OS—SemPend()函數的代碼為例來說明問題。調用OSSem—

　　通過觀察上述程序和前面的改進發現，本段程序中加了幾個條件編譯指令。如果沒有定義TEST標志，則有一部分代碼將不會被編譯，這就是交付版軟件。反之，如果定義了TEST標志，則表示為調試版，所有的指令代碼都會被編譯。通過比較這兩個版本看到：交付版的代碼比調試版的代碼在數量上大大減少。而且通過分析知道，在軟件調試通過以后，就不存在OS_ERR_EVENT_TYPE、0S_ERR_PEND_ISR和OS_ERR_PEVENT_NULL的錯誤了，這兩個版本實現的功能完全相同，這部分代碼確實沒有編譯的必要了。

　　結 語

　　嵌入式系統軟件設計過程中，大部分場合會用到嵌入式實時操作系統。用戶在保證自已設計代碼質量的前提下，還要充分考慮調用系統函數時產生的狀態信息，并進行適當的處理。只有這樣，才能夠提高軟件的設計效率，縮短設計周期。