嵌入式软件工程师如何撰写技术文档

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嵌入式软件工程师在开发过程中，技术文档的撰写是确保项目可维护性、团队协作和产品质量的重要环节。以下是针对需求文档、设计文档和测试文档的编写指南，结合嵌入式系统的特性（如实时性、资源约束、硬件交互等）进行说明。

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一、需求文档（Requirements Document）

需求文档是开发的基础，明确系统需要实现的功能、性能指标和约束条件。

1. 核心内容

• 功能需求：
  描述系统必须实现的功能，例如：

  • 嵌入式设备通过UART接收数据并解析。
  • 实时响应传感器中断，处理时间≤1ms。
  • 低功耗模式下电流消耗<10μA。

• 非功能需求：

  • 性能需求：CPU利用率、内存占用（RAM/ROM）、响应时间。
  • 可靠性需求：看门狗机制、错误恢复策略。
  • 硬件约束：处理器型号、外设资源（如ADC分辨率、GPIO数量）。
  • 环境需求：工作温度范围、EMC抗干扰能力。

• 接口需求：

  • 硬件接口：SPI通信协议、传感器引脚配置。
  • 软件接口：API函数定义、与上位机的通信协议（如CAN、Modbus）。

2. 撰写要点

• 明确优先级：区分核心功能（Must Have）和扩展功能（Nice to Have）。
• 量化指标：避免模糊描述（如“快速响应”），改用具体数值。
• 可验证性：每个需求需对应后续的测试用例。

3. 示例模板

# 需求文档：智能温控系统

## 1. 功能需求
- [FR1] 系统每100ms采集温度传感器数据（精度±0.5℃）。
- [FR2] 当温度超过阈值（50℃）时，触发风扇控制信号。

## 2. 非功能需求
- [NFR1] 中断响应延迟≤200μs。
- [NFR2] RAM占用不超过8KB，ROM占用≤32KB。

## 3. 接口需求
- [IR1] 温度传感器接口：I2C，SCL=PB6，SDA=PB7。
- [IR2] 风扇控制信号：GPIO PA0（高电平有效）。

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二、设计文档（Design Document）

设计文档描述系统如何实现需求，包括架构设计、模块划分和关键算法。

1. 核心内容

• 系统架构：

  • 分层设计（硬件抽象层HAL、驱动层、应用层）。
  • 数据流图：展示模块间交互（如传感器数据→滤波算法→控制输出）。

• 模块设计：

  • 模块功能：如“ADC驱动模块负责配置采样率”。
  • 接口定义：函数原型、输入输出参数（如void ADC_Init(uint32_t sampling_rate);）。
  • 依赖关系：模块间的调用关系（如“滤波模块依赖ADC数据”）。

• 关键算法：

  • 伪代码或流程图（如PID控制算法、数据滤波算法）。
  • 资源消耗分析：计算算法占用的CPU周期和内存。

• 硬件资源分配：

  • 外设配置（如定时器TIM3用于PWM生成）。
  • 内存映射（如全局变量区、堆栈大小设置）。

2. 撰写要点

• 模块化：高内聚、低耦合，便于复用和调试。
• 实时性设计：中断服务程序（ISR）的优先级和响应时间分析。
• 资源管理：动态内存使用策略（嵌入式系统通常避免动态分配）。

3. 示例模板

# 设计文档：电机控制系统

## 1. 系统架构
- **硬件层**：STM32F4 HAL库配置PWM、编码器接口。
- **驱动层**：电机驱动模块（速度计算、方向控制）。
- **应用层**：PID闭环控制算法。

## 2. 模块设计
### 2.1 PWM驱动模块
- **功能**：生成占空比可调的PWM信号。
- **接口**：
  ```c
  void PWM_Init(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t channel);
  void PWM_SetDutyCycle(float duty); // duty范围：0.0~100.0

3. 关键算法

PID控制伪代码

error = target_speed - current_speed;
integral += error * dt;
derivative = (error - prev_error) / dt;
output = Kp*error + Ki*integral + Kd*derivative;
prev_error = error;

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三、测试文档（Test Document）

测试文档确保软件符合需求，覆盖功能验证、性能测试和边界条件测试。

1. 核心内容

• 测试用例：

  • 功能测试：验证每个需求是否实现（如“触发风扇控制信号”）。
  • 性能测试：测量中断延迟、内存占用等。
  • 边界测试：输入超出范围的值（如温度传感器数据超量程）。
  • 异常测试：模拟硬件故障（如SPI通信超时）。

• 测试环境：

  • 硬件平台（如STM32开发板、示波器、逻辑分析仪）。
  • 软件工具（如Keil调试器、串口助手、单元测试框架Unity）。

• 测试结果：

  • 通过/失败状态。
  • 实际数据记录（如“中断响应时间实测180μs，符合≤200μs要求”）。

2. 撰写要点

• 可重复性：明确测试步骤和输入条件。
• 自动化测试：使用脚本或工具（如Python+PyTest）提高效率。
• 覆盖率分析：确保代码和需求覆盖率达标（常用工具：gcov、LDRA）。

3. 示例模板

# 测试文档：UART通信模块

## 测试用例1：数据收发功能
- **步骤**：
  1. 发送字符串"Hello"到UART。
  2. 验证接收端是否收到相同数据。
- **预期结果**：接收数据与发送数据一致。
- **实际结果**：通过（接收"Hello"）。

## 测试用例2：高负载压力测试
- **步骤**：
  1. 以115200bps持续发送数据30分钟。
  2. 监测系统是否出现丢包或死机。
- **预期结果**：无丢包，系统运行正常。
- **实际结果**：丢包率0.02%（需优化缓冲区大小）。

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四、嵌入式文档的特殊注意事项

1. 硬件关联性：

   • 明确硬件配置（如时钟树配置、引脚复用表）。
   • 记录硬件版本与软件的兼容性（如PCB Rev1.2需配合固件V2.0）。

2. 实时性和中断管理：

   • 中断优先级配置表（如SysTick最高优先级）。
   • 关键时序图（如SPI通信时序）。

3. 低资源优化：

   • 记录内存占用分析（通过.map文件检查堆栈溢出风险）。
   • 代码体积优化方法（如-Os编译选项、删除未使用代码）。

4. 版本与变更记录：

   • 使用Git管理文档和代码，记录每次变更的影响（如“V1.1：修复ADC采样抖动问题”）。

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五、工具推荐

1. 文档编写：Markdown（轻量级）、Doxygen（自动生成API文档）。
2. 版本控制：Git + GitHub/GitLab（代码与文档同步管理）。
3. 测试工具：
   • 单元测试：Unity、CppUTest。
   • 静态分析：PC-Lint、Cppcheck。
   • 动态分析：Valgrind（内存检测）、Logic Analyzer（时序分析）。

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六、总结

• 需求文档：明确“做什么”，量化指标，确保可验证。
• 设计文档：说明“怎么做”，注重模块化和资源管理。
• 测试文档：验证“是否做好”，覆盖功能、性能和异常场景。
• 核心原则：文档与代码同步更新，保持简洁、精准，避免冗余。
• 行业标准参考：汽车电子遵循ISO 26262，航空电子参考DO-178C。