固件軟件工程化管理應用探討

黃小波

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥230088)

固件軟件工程化管理應用探討

黃小波

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥230088)

隨著技術的不斷發展，固件軟件的修改和升級日益變得簡單。固件的更新升級在為用戶帶來多樣化的功能滿足同時，也帶來了開發過程和質量不可控的風險。本文在引入固件的定義和特點后，借鑒GJB2786A《軍用軟件開發通用要求》標準中對軟件工程化管理規定，提出了固件軟件開發過程的管理要求。從提高軟件質量角度出發，提出了固件軟件可靠性設計的相關要求。最后，將固件軟件的工程化管理應用于某型項目中，經過實際運行，表明固件軟件工程化管理切實可行。

固件；軟件工程化；開發過程；軟件質量；可靠性設計

0 概述

固件就是 “固化的軟件”，它是指固化在集成電路內部的程序代碼，負責控制和協調集成電路的功能。有時也理解具有程序代碼的硬件裝置。在硬件設備中，固件就是硬件設備的靈魂，因為一些硬件設備除了固件以外沒有其它軟件組成，因此固件也就決定著硬件設備的功能及性能。雖然以“固件”為名，但還是應當被我們理解為軟件。固件既然是軟件，就有大小之分。大的可有幾百兆，小的也許只有幾K，甚至不足1K。固件常用的開發的語言一般包括有：匯編語言、C語言、AHDL語言、VHDL語言、Verilog語言等。

隨著技術的不斷發展，修改固件以適應不斷更新的硬件環境成了用戶們的迫切要求，升級固件也變得越來越簡單，越來越沒有危險，固件程序與我們通常所說的程序的區別已經越來越小。由于設計師可以隨意迅速修改設計、進行硬件設計，從而忽略了良好的設計流程；隨著集成電路規模越來越大，設計、驗證、封裝和測試的經費需求也越大。

如同軟件產業引起軟件工程化管理的必要性所示，固件軟件開發存在著與常用軟件同樣問題：團隊溝通困難,軟件重用率低下,開發人員各自為政,代碼冗余度高,文檔不健全等;結果造成數據丟失,開發周期漫長,產品可靠性差,質量低劣,軟件維護困難,用戶抱怨使用不便,項目風險增加等。隨著固件軟件易于修改的靈活性和應用的持續增長，暴露的問題也逐漸增多，必須用標準的設計方法和開發過程約束。

固件軟件工程化是引用軟件工程化的理論、概念和技術以提高固件設計的質量和數量，降低開發和維護成本，提高軟件質量，加快和控制開發進度，實現開發過程受控。

1 管理思路

我國軟件工程標準化工作從上世紀80年代初才開始起步，經過近30年努力發展，取得了喜人成果，現已頒布國標50多項、國軍標約15項，另外，航空、航天、電子、機械等部門也基于自身管理需要分別制定了若干標準。自1983年軍用標準化工作實行統一管理以后，軟件工程標準化工作受到各有關方面的重視和研究[1-2]，取得了可喜成績，迄今已頒布的15多項國軍標中的大多數標準已被軍內外廣泛應用，對一些大型信息系統工程及重點武器型號的研制、生產及使用起到了積極的促進作用。形成的主要標準如：GJB2786A《軍用軟件開發通用要求》、GJB438B《軍用軟件開發文檔通用要求》、GJB1268A《軍用軟件驗收要求》、GJB5000A《軍用軟件研制能力成熟度模型》和GJB/Z102《軟件可靠性和安全性設計規則》等。

軟件工程化帶來的好處是顯而易見的，比如：提高軟件的可靠性和可移植性、軟件人員的技術水平、提高軟件人員間的溝通效率，減少差錯和誤解，降低軟件產品開發和運行維護成本、縮短軟件開發周期等。

軟件工程化發揮的巨大引領作用，可以從載人航天工程中得以體現[3]。在神舟六號質量問題匯總中，軟件質量問題占全部質量問題的比例僅為7.69%，而在三年前的神舟三號中，這個問題的比例高達31.25%。

GJB2786A《軍用軟件開發通用要求》第一章節“1.范圍”中明確描述了”本標準適用與需方和開發方獲取、開發及維護軍用軟件(含固件中的軟件)。”軟件開發的基本活動主要包括：系統需求分析、系統設計、軟件需求分析、軟件設計、軟件實現和單元測試、單元集成和測試、CSCI合規性測試、CSCI/HWCI集成和測試、系統合規性測試、軟件使用準備、軟件移交準備、軟件驗收；在實際軟件開發過程中，可根據軟件的關鍵等級和項目的應用場合，對上述開發活動進行裁剪。同時，GJB 2786A又從軟件開發管理、軟件工程、正式合格性測試、軟件產品評價、軟件配置管理、軟件保障階段等6個方面對上述活動提出了具體要求。

2 管理過程

參考GJB 2786A《軍用軟件開發通用要求》，根據固件自身的設計特點，固件軟件的開發流程階段一般劃分為六個階段：任務分析階段、需求分析階段、設計階段、實現階段、驗證階段、運行維護階段。其開發模式也可以采用如“瀑布模型”、“螺旋模型”、“敏捷模型”等。其開發流程及對應形成的主要文檔如下圖所示：

圖1 固件軟件開發流程圖

各階段形成的一般文檔資料如表1所示：

表1 軟件研制過程文檔

任務分析階段主要分析所使用的固件軟件是否滿足任務要求。描述的關鍵點主要包括：

1）固件軟件的軟硬件運行環境；

2）設計約束：包括綜合方式、時鐘要求、速度要求、時序參數和管腳分配；

3）技術要求：包括功能指標、性能指標及用到的協議和算法；所實現功能的框圖、數據流和控制流等；

4）接口信號狀態：包括接口信號、電平、輸入/輸出關系；

5）功能驗證要求；

6）安全性可靠性設計要求。

需求分析階段主要是對任務書內容的細化，使得固件產品設計師和編碼人員能夠根據需求規格說明完成設計和編碼工作。描述的關鍵點主要包括：

1）功能性能需求描述；

2）內/外部接口需求描述；

3）時序關系需求描述；

4）安全性可靠性需求描述。

設計階段主要是進行功能分解和模塊劃分。描述的關鍵點主要包括：

1）軟件結構的使用；

2）狀態和模式的轉換關系；

3）模塊的功能、接口和相互關系；

4）地址空間劃分；

5）性能實現方式。

軟件實現階段，主要根據需求文檔和設計文檔，依據相關行業標準和編程規范，進行代碼編寫和時序驗證工作。

驗證階段是軟件測試生命周期中的一個階段，在驗證活動中發現盡可能多的缺陷。驗證階段應和需求規格說明同步開展工作，開發軟硬件驗證平臺、腳本、定義需要開發的總線接口模型、編寫驗證用例及其對應的驗證通過依據。驗證的手段主要包括：文檔審查、代碼規則檢查、功能驗證、時序驗證、設計確認。

運行維護階段主要是對固件軟件開發過程和產品本身進行正式驗收，經過驗收后的軟件交付給用戶使用，在使用過程中維護軟件的正常運行、不斷改進軟件的性能和質量。通過編制軟件質量履歷書，形成固件軟件產品從單機驗證、測試記錄、系統聯調記錄、交接記錄、使用記錄、檢查記錄等相關使用維護信息。

3 可靠性設計

軟件可靠性(software reliability)是軟件產品在規定的條件下和規定的時間區間完成規定功能的能力。軟件可靠性不但與軟件存在的缺陷和（或）差錯有關，而且與系統輸入和系統使用有關。由于固件軟件設計與器件緊密相連，因此，影響固件軟件可靠性設計的因素很多。

固件軟件可靠性設計一般需考慮如下幾方面因素：

1）建立時間和保持時間：數據的穩定傳輸必須滿足建立和保持時間的要求；

2）競爭和冒險：競爭和冒險會影響邏輯電路的穩定性。時鐘端口、清零和置位端口對毛刺信號十分敏感，任何一點毛刺都可能引起系統出錯；

3）時鐘信號：可靠的時鐘信號對固件軟件是非常關鍵的。一般都要求將時鐘信號綜合到全局網絡進行考慮，對跨時鐘域信號進行同步化處理；

4）組合邏輯設計：由于組合邏輯的輸出易產生毛刺，因此，在系統要滿足高可靠性要求時，盡量避免大量使用組合邏輯電路設計；

5）多余調試端口設計：由于多余調試端口在懸空狀態下可能會引入外部觸發信號，從而觸發固件軟件內部工作邏輯，從而產生異常；因此，不用的調試端口或多余管教盡量進行下拉接地處理；

6）觸發器亞穩定處理：由于亞穩態無法避免的，因此設計電路要減少亞穩態導致錯誤的發生，其次要使系統對產生的錯誤不敏感；

7）脈沖計數突跳處理：脈沖計數的突跳會導致采樣出差，一般采用格雷碼計數器設計避免；

8）上電和掉電對輸入和輸出管腳影響考慮：在上電和掉電這一過渡階段中,管腳的邏輯電平是不確定的，從而會程序運行不正常。一般考慮在上電時增加延時、確保各個管腳電平穩定后開始工作；通過設計硬件電路檢測電壓降低來處理掉電對程序可能的影響[4]；

9）其它還需要考慮的因素包括：看門狗電路失效性處理、總線切換中時序沖突處理、對復位信號的去毛刺、上/下拉抗干擾考慮等等。

影響固件軟件可靠性設計因素是多方面的，這需要從開發起始階段就要將可靠性設計納入整個開發過程。

4 工程應用

以某項目產品研制過程為例，整個項目包含六個固件軟件。按照軟件關鍵等級定義，六個固件軟件關鍵等級定義為重要級別。按照產品研制大綱要求，六個固件軟件都需進行軟件第三方評測，并最終交付使用。

參考GJB 2786A《軍用軟件開發通用要求》，產品開發流程劃分為六個階段，開發模式采用“瀑布模型”，每個固件軟件在研制過程中最終形成如下文檔：

10）軟件研制任務書；

11）軟件需求文檔；

12）軟件設計文檔；

13）軟件安裝手冊；

14）軟件源代碼和可執行程序；

15）軟件版本說明；

16）軟件仿真分析報告；

17）軟件測試需求文檔；

18）軟件測試報告。

軟件在每個階段形成的文檔經過會議評審，形成評審結論。同時，軟件所有文檔資料按照三庫(開發庫、配置庫和產品庫)方式進行管理。對經過第三方測評后進行的軟件修改，形成軟件更改影響域分析報告，并進行回歸測試。軟件最終經過驗收，交付用戶使用。

5 結論

在固件開發過程中引入軟件工程化管理的目的是為了實現開發過程受控、提高固件軟件設計的質量、降低開發和維護成本。本文在引入固件軟件的定義和特點后，按照GJB 2786A《軍用軟件開發通用要求》，將固件軟件開發流程劃分為六個階段，并給出各研制階段對應形成的過程數據包資料。同時，為提高固件軟件質量，本文給出了固件軟件可靠性設計過程中需要考慮的相關因素。結合項目實際管理結果，表明固件軟件工程化管理在開發過程中的應用是切實可行。

［1］耿聰.軟件工程化管理方法在武器裝備軟件研制中的應用研究[D].西北大學，2007.

［2］王楊玲，王英浩，顛遷貴，等.航天型號軟件過程改進實踐[J].航天標準化，2011（3）：18-22.

［3］張強.扛起航天軟件工程化旗幟[N].科技日報，2013－01－15.

［4］王小平.解決系統上電和掉電可靠性的一種處理方法[J].單片機與嵌入式系統應用，2001（7）：356-357.

The Application of the Software Engineering Management to Firmware

HUANG Xiao-bo
(China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute，Hefei Anhui 230088，China)

With the development of technology,firmware-software modification and upgrade becomes more simple.Although firmware update brings diverse functions for the user,but also brings uncontrollable risk of development process and sofeware quality.After the definition and characteristics of the firmware introduced,the paper proposed the management requirements to firmware’s development,referring to the GJB2786 standard.From the perspective of improving software quality,some rules of software reliability design are given.Finally,with the application to a project,the software management to firmware is feasible.

Firmware；Software engineering；Development process；software quality；Reliability design

黃小波(1975—)，男，安徽合肥人，碩士，中國電子科技集團公司第三十八研究所，高級工程師，研究方向為浮空器和SAR測控系統設計。

丁艷］