我们正在编译一个嵌入式C++应用程序,它部署在电离辐射轰击的环境中的屏蔽设备中。我们正在为ARM使用GCC和交叉编译。在部署时,我们的应用程序会生成一些错误的数据,并且比我们希望的更频繁地崩溃。硬件是为这个环境而设计的,我们的应用程序已经在这个平台上运行了几年。
我们是否可以对代码进行更改,或对编译时进行改进,以识别/纠正由单个事件扰乱导致的软错误和内存损坏?是否有其他开发人员成功地减少了软错误对长时间运行的应用程序的有害影响?
我们正在编译一个嵌入式C++应用程序,它部署在电离辐射轰击的环境中的屏蔽设备中。我们正在为ARM使用GCC和交叉编译。在部署时,我们的应用程序会生成一些错误的数据,并且比我们希望的更频繁地崩溃。硬件是为这个环境而设计的,我们的应用程序已经在这个平台上运行了几年。
我们是否可以对代码进行更改,或对编译时进行改进,以识别/纠正由单个事件扰乱导致的软错误和内存损坏?是否有其他开发人员成功地减少了软错误对长时间运行的应用程序的有害影响?
当前回答
您可能还对有关算法容错的丰富文献感兴趣。这包括旧的赋值:编写一个排序,当恒定数量的比较将失败时(或者,更糟糕的版本,当失败的比较的渐近数量为n次比较的log(n)时),正确地对其输入进行排序。
开始阅读黄和亚伯拉罕1984年的论文《矩阵运算的基于算法的容错》。他们的想法隐约类似于同态加密计算(但实际上并不相同,因为他们正在尝试在操作级别进行错误检测/纠正)。
该论文的一个较新的后代是Bosilca、Delmas、Dongarra和Langou的“基于算法的容错应用于高性能计算”。
其他回答
我真的读了很多很棒的答案!
这是我的2美分:通过编写软件检查内存或执行频繁的寄存器比较,建立内存/寄存器异常的统计模型。此外,以虚拟机的形式创建一个仿真器,您可以在其中试验该问题。我想,如果你改变结尺寸、时钟频率、供应商、外壳等,你会观察到不同的行为。
即使我们的台式电脑内存也有一定的故障率,但这不会影响日常工作。
考虑到超级跑车的评论、现代编译器的趋势以及其他因素,我很想回到古代,用汇编和静态内存分配的方式到处编写整个代码。对于这种完全的可靠性,我认为组装不再会带来很大的成本差异。
使用C语言编写在这种环境中表现稳健的程序是可能的,但前提是大多数形式的编译器优化都被禁用。优化编译器旨在用“更高效”的编码模式替换许多看似冗余的编码模式,并且可能不知道当编译器知道x不可能保持任何其他值时,程序员测试x==42的原因是因为程序员想要阻止执行某些代码,而x保持某个其他值——即使在这样的情况下,它保持该值的唯一方法是系统接收到某种电气故障。
将变量声明为易失性通常很有用,但可能不是万能药。特别重要的是,注意安全编码通常需要操作具有需要多个步骤来激活的硬件联锁,并且使用以下模式编写代码:
... code that checks system state
if (system_state_favors_activation)
{
prepare_for_activation();
... code that checks system state again
if (system_state_is_valid)
{
if (system_state_favors_activation)
trigger_activation();
}
else
perform_safety_shutdown_and_restart();
}
cancel_preparations();
如果编译器以相对文字的方式翻译代码,并且如果全部在prepare_for_activation()之后重复对系统状态的检查,系统可以对几乎任何可能的单一故障事件具有鲁棒性,甚至那些会任意破坏程序计数器和堆栈的程序。如果在调用prepare_for_activation()之后发生了一个小故障,这意味着激活是合适的(因为没有其他原因prepare_for_activation()将在故障发生之前被调用)。如果故障导致代码不正确地到达prepare_for_activation(),但如果没有后续故障事件,则代码将无法在未通过验证检查或先调用cancel_preparies的情况下到达trigger_activation()[如果堆栈出现问题,则在调用prepare_for_activation()的上下文返回后,执行可能会继续到trigger_active()之前的某个位置,但调用cancel_preparations(从而使后者的调用无害。
这样的代码在传统的C语言中可能是安全的,但在现代的C编译器中却不安全。这种编译器在这种环境中可能非常危险,因为它们努力只包含通过某种定义良好的机制可能出现的情况下相关的代码,并且其结果也将得到很好的定义。在某些情况下,旨在检测和清理故障的代码可能会使情况变得更糟。如果编译器确定尝试的恢复在某些情况下会调用未定义的行为,则可能推断在这种情况下不可能出现需要恢复的条件,从而消除了检查这些条件的代码。
也许了解一下硬件“为这种环境而设计”意味着什么会有所帮助。它如何纠正和/或指示SEU错误的存在?
在一个与空间探索相关的项目中,我们有一个自定义MCU,它会在SEU错误时引发异常/中断,但会有一些延迟,即在导致SEU异常的insn之后可能会通过一些循环/执行一些指令。
数据缓存尤其容易受到攻击,因此处理程序会使有问题的缓存行无效并重新启动程序。只是,由于异常的不精确性,以引发异常的insn为首的insn序列可能无法重新启动。
我们确定了危险的(不可重启的)序列(如lw$3,0x0($2),然后是insn,它修改了$2,数据不依赖于$3),我对GCC进行了修改,所以这样的序列不会发生(例如,作为最后的手段,用nop分隔两个insn)。
只是需要考虑的事情。。。
有一点似乎没有人提到。你说你在GCC中开发,并在ARM上交叉编译。你怎么知道你的代码中没有关于空闲RAM、整数大小、指针大小、执行某个操作需要多长时间、系统将持续运行多长时间等的假设?这是一个非常普遍的问题。
答案通常是自动单元测试。编写在开发系统上执行代码的测试线束,然后在目标系统上运行相同的测试线束。寻找差异!
还要检查嵌入式设备上的勘误表。您可能会发现“不要这样做,因为它会崩溃,所以启用编译器选项,编译器会解决它”。
简而言之,崩溃的最可能来源是代码中的错误。在你确定这不是事实之前,不要担心更深奥的故障模式。