嵌入式软件设计规范框架（MISRA-C 2012增强版）
以下是一份基于MISRA-C的嵌入式软件设计规范（完整技术文档框架），包含编码规范、安全设计原则和工程实践要求：
嵌入式软件设计规范（MISRA-C 2012增强版）
一、编码基础规范
1.1 文件组织
- 头文件保护
/* 示例：符合MISRA Rule 20.2 */
#ifndef MODULE_H
#define MODULE_H
/* 内容 */
#endif /* MODULE_H */
- 模块划分原则
- 每个.c文件对应一个.h文件
- 单个文件代码量 ≤ 800行（MISRA Dir 4.1）
1.2 变量声明
| 规则编号 | 要求 | MISRA条款 |
|---|---|---|
| VAR-001 | 禁止隐式声明 | Rule 8.1 |
| VAR-002 | 所有变量必须显式初始化 | Rule 9.1 |
| VAR-003 | 禁止使用全局变量（需审批） | Rule 8.8 |
示例（错误）：
int a, b; // 违反VAR-003
1.3 函数设计
/* 符合MISRA Rule 17.8的规范函数 */
static uint32_t calculate_crc(uint8_t const *data, uint16_t len)
{
uint32_t crc = 0xFFFFFFFFU;
// ... CRC计算逻辑
return crc ^ 0xFFFFFFFFU;
}
- 函数圈复杂度 ≤ 10（MISRA Dir 4.1）
- 递归调用必须通过安全评审（Rule 17.2）
二、安全关键规则
2.1 内存管理
| 规则类型 | 要求 | 技术措施 |
|---|---|---|
| 强制 | 禁止动态内存分配 | 使用静态内存池 |
| 建议 | 关键数据区启用ECC/奇偶校验 | 硬件特性+软件校验 |
| 强制 | 数组访问必须边界检查 | 防御性编程模板 |
防御性代码示例：
#define ARRAY_SIZE 32
uint8_t safe_array_access(uint8_t *arr, size_t index) {
if (index < ARRAY_SIZE) {
return arr[index];
}
return 0; // 错误处理
}
2.2 多任务同步
/* 符合MISRA Rule 20.7的互斥锁使用 */
void critical_section(void) {
static osMutexId_t mutex = osMutexNew(NULL);
if (osMutexAcquire(mutex, 100U) == osOK) {
// 临界区操作
osMutexRelease(mutex);
}
}
- 共享资源必须使用RTOS提供的同步原语
- 禁止使用关中断方式保护临界区（特殊硬件操作除外）
三、代码风格与可读性
3.1 命名规范
| 类型 | 前缀 | 示例 |
|---|---|---|
| 全局变量 | g_ | g_system_state |
| 静态变量 | s_ | s_local_counter |
| 类型定义 | t_ | t_sensor_data |
| 枚举常量 | E_ | E_OPERATION_MODE |
3.2 注释要求
函数头注释模板：
/**
* @brief 计算CRC32校验值
* @param data 输入数据指针（MISRA Rule 17.6检查）
* @param len 数据长度（0-65535）
* @return 计算后的CRC32值
* @warning 本函数非线程安全，需在临界区调用
*/
四、MISRA-C核心规则增强
4.1 类型安全
| 规则编号 | 要求 | 示例修正 |
|---|---|---|
| Type-001 | 禁止有符号与无符号隐式转换 | 添加显式类型转换 |
| Type-002 | 浮点运算必须进行有效性检查 | 使用isnan()/isinf() |
4.2 控制流安全
/* 符合MISRA Rule 15.5的循环结构 */
for (uint8_t i = 0U; i < MAX_RETRY; ++i) {
if (operation_succeed()) {
break;
}
// 不允许使用continue
}
- 禁止使用goto（Rule 15.1）
- switch必须有default分支（Rule 16.4）
五、验证与测试
5.1 静态分析要求
| 工具 | 检查项 | 通过标准 |
|---|---|---|
| Polyspace | 运行时错误检测 | 0 Red缺陷 |
| LDRA | MISRA-C:2012合规性 | ≥95%规则覆盖率 |
5.2 单元测试规范
测试用例模板：
void test_adc_conversion(void) {
// 1. 模拟输入电压2.5V
mock_adc_input(2.5f);
// 2. 执行转换
float result = read_adc_voltage();
// 3. 验证结果
TEST_ASSERT_FLOAT_WITHIN(0.01f, 2.5f, result);
}
- 分支覆盖率 ≥ 90%
- MC/DC覆盖率 ≥ 80%（安全关键模块）
六、工具链配置
6.1 编译器设置
# GCC安全编译选项示例
CFLAGS += -Wall -Wextra -Werror
CFLAGS += -Wstrict-prototypes -Wmissing-prototypes
CFLAGS += -fstack-usage -Wstack-usage=512
6.2 持续集成
# GitLab CI配置示例
code_check:
stage: verify
script:
- cppcheck --enable=warning,style --std=c99 src/
- splint +bounds +unrecog src/*.c
七、文档体系
7.1 必须输出文档
- 软件需求规格书（SRS）
- 详细设计文档（DDD）
- 测试验证报告（含MISRA合规证明）
- 安全分析报告（FMEA/FTA）
八、变更管理
- 任何对MISRA规则的豁免必须记录在《规范偏离报告》中
- 代码修改必须通过影响分析（Impact Analysis）
- 版本控制使用语义化版本（SemVer）
附录A：MISRA-C:2012关键规则速查表
| 规则ID | 描述 | 类别 |
|---|---|---|
| 8.1 | 函数必须显式声明返回值类型 | 强制 |
| 11.5 | 禁止将对象指针转换为函数指针 | 强制 |
| 15.3 | 循环控制变量不得在循环内修改 | 强制 |
| 21.1 | 禁止使用标准库中的宏定义 | 建议 |
附录B：典型违规案例集
// 错误示例：违反Rule 11.4
float *ptr = (float *)0x40024000; // 需使用uintptr_t转换
// 正确写法：
float *ptr = (float *)(uintptr_t)0x40024000;
本规范需配合《嵌入式软件安全设计指南》和《代码审查checklist》使用，建议每季度进行合规性审计。