提高单片机应用系统可靠性的软硬件技术
单片机应用系统的可靠性技术研究
．
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：６ １７ ６ （ ０２ ０ ４０ ６０ １７ －８４ ２ １ ） ２３１ －２
々 － ・ ． ・ ． ・ ． ・ ・ － ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 一 牛 牛 夺 々 ÷ 专 孛 ÷ 幸 幸 夺 ÷ 专 争 ÷ 寺 夺 寺 牵 孛 夺 ÷ 夺 牛 夺 幸 夺 ÷ 夺 夺 幸 夺
当干扰侵 入单 片机系 统的前 向通道 叠加 在信 号上 时 ，
２ 单片 机应 用 系统 的硬件 抗干 扰设计
２ １ 供 电 系统 ．
会 使数据 采集 误差增 大 ， 特别 是前 向通道 的传感 器接 口是 小 电压 输入 时 ， 此现象 会更加 严重 。
１２ 程序 运行 失常 ． 是控 制状 态失灵 。在单 片机 系统 中 ， 由于干 扰 的加
言
在实 验 室里 设 计 的控 制 系统 ， 安装 、 在 调试 后 完全 符 合设 计要求 ， 把 系统 置 人现 场 后 ， 但 系统 常 常不 能 稳定 工 作 。产生 这种情 况 的原 因 主要 是 现场 环 境 复杂 和 各种 各 样 的电磁 干扰 ， 以单 片 机应 用 系 统 的可 靠 性设 计 、 干 所 抗 扰 技术 显得 十分重 要 。 工 业现场 环境 中 的干 扰是 以脉 冲 的形 式 进人 单 片机 系统 的。空 间干扰 多 发生 在 高 电压 、 电流 、 大 高频 电磁场 附近 ， 过静 电感应 、 并通 电磁感应 等方式 侵入 系 统 内部 ； 供 电 系统 干扰 是 由电源 的噪声干扰 引起 的 ； 过程 通道 干扰 是 干扰通 过 前向通 道 和后 向通道 进 入 系统 的。干 扰一 般 沿 各种 线路侵 入 系统 。另 外 ， 系统 接地 装 置 不可 靠 ， 也是 产 生 干扰 的重要 原因 ； 类传 感 器 、 入 输 出线 路 的 绝缘 损 各 输
论单片机应用系统的可靠性技术
运行。
【 关键词】 单片机应 用； 抗干扰 设计； 技术 １ 干扰 产 生 的 后 果
在对控制系统的可靠性有严格要求的场合 ． 使用双机冗余可进一 步提高系统抗干扰能力 。 双机冗余 ． 就是执行 同一个控制任务 ． 可安排 两个单片机来完成 ． 即主机 与从机 。 正常情况下 ． 主机掌握着三总线 的 控 制权 ， 对整个 系统进行控制 ， 此时 ， 从机处 于待 机状态 ， 等待仲裁器 的触发 。 当主机由于某种原 因发生误动作时 ， 仲裁器根据判别条 件， 若 认 为主机程序已混乱 ． 则切断主机的总线控制权 ， 将从机唤醒 ． 从机将 代替主机进行处理与控制 ２ ． ５ 用 好 去 耦 电容 好的高频去耦 电容可 以去除高到 １ Ｇ Ｈ Ｚ 的高频成 分 陶瓷片电容 或多层陶瓷电容 的高频特性较好。设计 印刷线路板 时 ． 每个集成电路 的电源与地之间都要加一个去耦 电容 。 去耦电容有 两个作用 ： 一是 ， 本 集成电路的蓄能电容 ． 提供和吸收该集 成电路开 门、 关 门瞬 间的充 放 电能 ； 二是 ， 旁路掉该器件的高频噪声 。 数字电路 中典型 的去耦电容为 ０ ． １ Ｆ的去耦 电容 ，它有 ５ ｎ ｌ 分布电感 ，它 的并行 共振频率大 约在 ｉ ７ ＭＨｚ 左右 ．也就是说对于 １ ０ ＭＨ ｚ以下的噪声有较好 的去耦 作用 ． 对 ４ ０ Ｍ Ｈ ｚ 以上 的噪声几乎不起作 用。１ 和ｌ Ｏ ａ Ｆ电容并行共振频率在 ２ ０ Ｍ Ｈ ｚ 以上 ， 去除高频率噪声 的效果要好一些 在 电源进入印刷板的 地方设置一个 １ Ｆ 或 ｌ Ｏ ａ Ｆ 的去高频电容往往是有利 的 ， 即使是用 电 池供电的系统也需要这种电容。每 １ Ｏ 片左右的集成电路 要加一片充 放电电容 ， 或称 为蓄放 电容 ， 电容大小可选 １ Ｏ 。 最好不用 电解电容 ，
几种提高系统可靠性的方法
Tubemod——一种延长过热器、再热器寿命和提高可靠性的新技术介绍本文在分析典型的过热器和再热器设计和工作中的的缺陷的基础上，介绍了一种能够提高过热器和再热器可靠性的技术——Tubemod技术。
Tubemod技术是通过3个有效的计算机软件即蒸汽力学模型软件，热传导软件和寿命模型，综合起来估计过热器中管子每个关键位置的状况以及再分流蒸汽流的方法和影响，从而可提高过热器和再热器的寿命和可靠性。
最后得出：伴随着在给定时间内温度的下降，管子的氧化和耗蚀率会降低，寿命也会延长。
因此运行温度降低一些能提高系统的可靠性。
我觉得如果降低温度可能影响到工作效率和质量，而且降低温度需要增加成本，如果在最高的温度部分用奥氏体铬镍不锈钢，其他部位也在成本接受下使用耐高温材料，这样可以在较高的温度下工作，既提高了工作效率，又提高了系统的可靠性。
提高嵌入式系统可靠性的探讨与实践本文在自动化控制系统的硬件故障率在不断下降,而软件故障率却在快速上升的背景下，通过系统目标细化和合理分配与利用硬件资源来进行程序总体结构的优化设计，并提出要在充分掌握和利用硬件的基础上,通过软硬结合、加强监控、总体优化等措施,提高系统运行的可靠性，同时给出编程过程中提高可靠性的一些具体方法，包括在程序运行过程中的监控、将监控程序与专用监控CPU相结合进行实时监控、关键程序、数据的自动备份与恢复等。
我认为硬件的可靠性是非常重要的，因为硬件是设备的物质依托，要在硬件设计时保证系统的可靠性，这样，只要软件程序在经过大量数据测定成功后，系统的可靠性就能够保证。
搞好闭环管理提高可靠性水平本文从对元器件进行闭环管理来说提高系统可靠性的问题，阐述了如何搞好元器件的闭环管理，主要包括：元器件优选手册与筛选条件的制定、人库检验、筛选、使用情况与失效分析四个步骤。
元器件的可靠性是整机可靠性的基础，因此，提高了元器件的可靠性对提高电子设备的可靠性有重大意义。
作者这种方法运用的比较好，设计闭环过程，在实际工作中对失效模式进行分析，从而更新优选条件，更好的去提高系统的可靠性。
习题和思考题答案
习题和思考题答案习题和思考题答案第⼀章单⽚机概述1. 第⼀台电⼦数字计算机发明的年代和名称。
1946年、ENIAC。
2. 根据冯·诺依曼提出的经典结构，计算机由哪⼏部分组成？运算器、控制器、存储器、输⼊设备和输出设备组成。
3. 微型计算机机从20世纪70年代初问世以来，经历了哪四代的变化？经历了4位、8位、16位、32位四代的变化。
4. 微型计算机有哪些应⽤形式？系统机、单板机、单⽚机。
5. 什么叫单⽚机？其主要特点有哪些？单⽚机就是在⼀⽚半导体硅⽚上，集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并⾏I／O、串⾏I／O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的⽤于测控领域的微型计算机，简称单⽚机。
单⽚机技术易于掌握和普及、功能齐全，应⽤⼴泛、发展迅速，前景⼴阔、嵌⼊容易，可靠性⾼。
6. 举例说明单⽚机的应⽤？略7. 当前单⽚机的主要产品有哪些？各⾃有何特点？MCS是Intel公司⽣产的单⽚机的系列符号，MCS-51系列单⽚机是Intel公司在MCS-48系列的基础上于20世纪80年代初发展起来的，是最早进⼊我国，并在我国应⽤最为⼴泛的单⽚机机型之⼀，也是单⽚机应⽤的主流品种。
其它型号的单⽚机：PIC单⽚机、TI公司单⽚机、A VR系列单⽚机。
8. 简述单⽚机应⽤系统的开发过程。
（1）根据应⽤系统的要求进⾏总体设计总体设计的⽬标是明确任务、需求分析和拟定设计⽅案，确定软硬件各⾃完成的任务等。
总体设计对应⽤系统是否能顺利完成起着重要的作⽤。
（2）硬件设计根据总体设计要求设计并制作硬件电路板（即⽬标系统），制作前可先⽤仿真软件（如Proteus软件）进⾏仿真，仿真通过后再⽤硬件实现并进⾏功能检测。
（3）软件设计软件编程并调试，⽬前⼀般⽤keil软件进⾏设计调试。
调试成功后将程序写⼊⽬标单⽚机芯⽚中。
（4）综合调试进⾏硬软件综合调试，检测应⽤系统是否达到设计的功能。
9. 说明单⽚机开发中仿真仪的作⽤。
提高单片机应用系统可靠性的软件技术
单 片机 应 用 系 统 抑 制 电 磁 干 扰 的 技 术 分 为 硬 件 和
软件 两 个 方 面 ， 往 主 要 侧 重 于 采 用 硬 件 技 术 ， 电磁 以 如
在 单 片 机 应 用 系 境 中 ． 序 及 表 格 、 数 均 存 放 在 程 常 Ｅ Ｒ Ｍ 中 ， 免 了 这 些 数 据 受 ＿ 破 坏 ， 片 内 Ｒ Ｍ、 ＰＯ 避 Ｆ扰 但 Ａ 外扩 Ｒ ＡＭ 以及 片 内 Ｓ Ｒ等 的状 态 都 有 可 能 受 外 界 干 扰 Ｆ 而 变 化 。 根 据 干 扰 窜 入 的 途 径 、 干 扰 数 据 的 性 质 不 受 同， 系统 受 损 坏 的 情 况 也 不 同 ， 能 造 成 数 据 误 差 、 控 可 使 制 失 灵 改 变 程 序 状 态 、 变 某 些 部 件 （ 定 时 器 ／ 数 改 如 计 器、 串行 口等 ） 工 作 状 态 ， 可 能 破 坏 与 中 断 有 关 的专 的 还 用 寄 存 器 内 容 ， 而 改 变 中 断 设 置 方 式 ， 闭 某 些 有 用 从 关
ｗ ｎ －ｎｅ ｅｅ ｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｔ ｌ ａｌｅｔｅ ｒｌａ ｆ￣ ｆＰ ａｒｈ ａ ｏ ｙ ｔｍｓ ｍ ａ ｔ ｉｔｒ ｒ ｎ ｅｔｃ ｎ ｌｇ ｏＬｌ ｌ ｈ ｉｂ ｙ ｉ Ｓ ｌ ｃ ｆ ｎ ｓ ｓｅ ｉ ｆ ￣ｈ ｏ ｅ ｌ ｎ ｐ ｉ Ｋ目 ｗｏ ｄ ｒ ｓ： Ｓ ＣＰ； Ｒｅｉｂｉｔ ＥＭＩ Ｓ ｆ ｒ ｔ－ ｔｒｅ＇ｎ ｅ ｌａ ｌｙ： ｉ ： ｏｔ ｅ Ａｎｉｉ ｅｆａ ｃ ｗａ ｎ ｅ
摘
要 ：软 件 抗 干扰 技 术是 抑 制 电磁 干 扰 的 重要 手 段 。首 先 分 析 了 电磁 干 扰 对 单 片 机 应 用 乐统 连 成 干
PIC单片机应用系统可靠性技术探究
PIC单片机应用系统可靠性技术探究摘要:PIC系列的单片机因为抗干扰能力强、适用性佳、指令集简洁、功能完备、功耗较低、体积较小以及成本低廉等优势，被广泛地用于工业控制仪表、汽车电气控制、电机控制、通信领域以及家电领域等。
不管应用于何种领域，高度的可靠性均是必需的条件之一。
本文从增强PIC单片机自身的抗干扰作用和增设程序（指令）两个方面分析和探讨了PIC单片机应用系统的可靠性技术问题。
关键词:PIC单片机可靠性技术抗干扰程序后者指令PIC单片机应用系统的可靠性问题具有高度的系统性，我们应该从多个角度来考虑和处理，单一解决某一个方面的问题，无法从根本上保证PIC单片机的可靠性。
一般而言，我们需要综合考虑硬件设计和软件增强这两个方面来保证PIC单片机的可靠性。
尤其在硬件方面的可靠性设计是确保PIC单片机应用系统具有高度可靠性的前提与基础。
1 提高PIC单片机的抗干扰水平1.1 启用WDTWDT，WatchdogTimer，监视定时器，俗称“看门狗”，它是一个内部RC时钟信号源的累加计数器，独立于其它单元，其计时周期约为18ms左右。
PIC单片机为了有效解决程序失控问题，才用了WDT解决方案。
程序之所以出现失控问题，主要是因为PIC单片机在实际应用过程中，电磁干扰、软件故障、电源电压叠加噪声以及电源电压波动等因素均会对程序的正常运行产生干扰作用，使之偏离预定的运行线路。
WDT发挥作用的原理是，PIC单片机处在休眠状态时，如果WDT超时溢出，则会唤醒PIC单片机使其进入正常的工作状态;PIC单片机执行程序期间，如果WDT超时溢出，PIC单片机便会自动执行复位动作。
我们可以利用定义系统配置字CONFIG中WDTE 位的形式来决定是否启用WDT，设置“WDTE=1”时，则WDT处于开启状态;设置“WDTE=0”，则WDT处于关闭状态。
1.2 复位功能PIC系列的单片机预设有多种的复位方式，合理设置复位功能，对于提高PIC单片机应用系统的可靠性裨益良多。
单片机应用系统的可靠性设计研究
关 键 词 可靠性 ；看门狗” “ 技术 ； 解码输出
［ 中图分 类号 ］ Ｔ ３ ８ ２ Ｐ ６ ． 【 文献标识码 ］ Ａ
１ 引言
随着单片机应用领域 的不断扩展 ， 对单片机应用系统 的可 靠性也 提出 了更 高的要求． 在一些 单 片机应用 场合 ， 例如安全 防 卫、 火灾报警、 障监测 、 故 工业控制等 ， 一旦发生错误 ， 将会造成很大 的损失． 即便是 民用领域 ， 例如装 有微 电脑 （ 即单 片机 ） 控制 器 的微波炉． 在使 用时也不愿看到 ， 你 正在运行 的微波炉在设定 时间还未 到时就突然停止 ； 或者 是时间 已到它却还继 续运行． 因
第２ ６卷
第 ４期
２０ ０ ９年 １ 月 １
江苏教育学 院学报 （自然科 学版） Ｊｕ ａ ｆ ｉｎ ｓ ｎｔｕｅｏ ｄ ｃｔ ｎ（ ａｕａ Ｓ ｉ ｃｓ ｏ ｒ ｌ ａｇｕＩｓｔｔ ｆ ｕ ａ ｏ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎ ｅ ） ｎ ｏＪ ｉ Ｅ ｉ ｅ
Ｖｏ ． ６ Ｎｏ ４ １２ ． Ｎｏ ． ２ ０ ｖ ，０ ９
要求 在 Ｕ 输 出高阻态时 ， 片机从该 １０端读 到低 电平 ， 单 ／ 则必 须在 该 Ｉ０端连 接一 只下拉 电 ／ 阻 ， 图一中的 Ｒ Ｒ的值不能太大 ， 如 ． 太大了单 片机读到 的就是 高电平． 从单片机 的数据表中查 到 Ｉ参数 ， 可求得 Ｒ的最大值 ． 现设求得的 Ｒ的最大值为 ９ ｌ． Ｋｑ Ｒ的值也不能太小 ， 太小 了 ｕ 在 输 出高电平 时， 出电流会超 出其允许值 ． Ｕ 输 出高 电平 ４ ５ 输 设 ． Ｖ时的最大输 出电流为 ５ 则 可 ｍＡ， 求得 Ｒ的最小值 为 ９ ０ ￣选取 Ｒ的值为 ３ Ｏ左右 ， ０ ｆ． Ｋ 这样 与最大值 之 间和与最小值 之间都 留出
增强单片机系统可靠性的软硬件设计
技 术 纵 横
增强单片机系统可靠性 的软硬件设计 ＊
■ 中 南 大 学 ■ 中 国 电子 产 品可 靠 性 与环 境 试 验 研 究 所
田 磊 周 继 承
恩 云 飞
பைடு நூலகம்
从 可 靠 性 对 单 片机 系统 的重 要 性 出发 ， 合 实 际 系统 ， 硬 件 和 软 件 两 个 方 面 ， 用 模 块 化 思 想 ， 结 就 采 系统 地
＊ 基 金 项 目 ： 家 自然科 学 基 金 资 助 项 目（０ ７ ０ ６ 。 国 ６ ３ １ ４ ）
图 １ 前 级 滤 波 电路
１ ２ 隔离 技 术 ．
（ ）物 理 隔 离 技 术 １ 物 理 隔 离 技 术 是 指 在 单 片机 系 统 中 ， 过 器 件 的合 理 通
布局 和 线 路 的合 理 布 线 ， 容 易 产 生 干 扰 和 容 易 被 干 扰 的 将
为 “ 波 技 术 ” 滤 。
环境密切相关 ， 可看作是受 内部 因素和外部 因素 的共 同影
响乜 。从 内部 因素看 ， ］ 系统需要能够对运行过 程 中 自身 以
及周 围产 生 的干 扰 信 号 进 行 有 效 的抑 制 和 消 除 ； 从 外 部 而 因 素 看 ， 求 改 善 外 部 环 境 质 量 ， 除 干 扰 源 ， 断 干 扰 途 要 清 切
在 本 系统 中 ， 电模 块 设 计 了 前 级 滤 波 电 路 ， 效 地 供 有 抑 制 了 高 频 和 低 频 噪 声 分 量 ， 定 了 系统 电 源 电压 。实 践 稳 证 明 源 部 分 的干 扰 问题 解 决 得 好 对 于整 个 系统 的 可 靠 ， 电
性 有 着 极 其 重 要 的意 义 。 以 系统 使 用 的 ＡＴ８ Ｃ５ ９ １单 片 机
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提高单片机应用系统可靠性的软硬件技术
摘要：单片机日益广泛的使用，因此对于单片机的使用操作系统的可靠性和安
全性也有了越来越高的要求。
尤其是对于工业过程的控制、交通管理、金融以及
通讯等测控系统，最主要的技术指标就是可靠性。
因为系统一旦出现任何的问题
和故障，就会造成生产过程混乱、指挥以及监控系统的迟钝等不良后果。
文中简
单介绍了几种提升单片机应用系统可靠性的方式和措施。
关键词：单片机；杭干扰；可靠性
1.单片机设计模型和概述分析
可靠性的设计模型方面主要是表达单片机反用系统从激励到响应的唯一过程环节，也就
是按照可靠性最大化设计模型，对于软件的设计来说最主要的就是能够保证这个过程中空间
的运用，应用系统程序必须要能够按照给定的顺序进行运行。
2.单片机应用系统硬件可靠性设计
单片机应用系统的硬件可靠性设计主要是从供电系统稳定性、印刷电路板布线、提高电
元件可靠性、双机冗余设计这几个方面进行。
2.1供电系统稳定性
提高单片机应用系统供电系统稳定性可以防比干扰从电源系统进入单片机。
具体的做法
是采用交流稳压器保证单片机应用系统供电稳定性;采用隔离变压器来除高频噪声;采用低通
滤波器除掉工频干扰。
同时一定要保证供电功率足够单片机应用系统使用，单片机应用系统
主机部分要采用单独的稳压电源。
2.2印刷电路板布线
单片机应用系统的电路板印刷布线应采用可以提供较好的接地网的多层印制电路板，这
样就可以较好的避免地电位差和元件的祸合电路板中要进行合理的分区设计，地线要注意保
持有序的和电源端的地线连接。
为了使硬件系统更好的具有可靠性，要保证元件面和焊接面
不得平行，防比出现较大的寄生祸合，信号线之间的距离要合理的调大防比干扰。
2.3提高电元件的可靠性
进行单片机应用系统的硬件制造时要选用高质量的电元件，同时对于选定品牌的电元件
要进行相应的测试和筛选，一定要保证电元件的可靠性，防比因为电元件质量问题导致单片
机应用系统的可靠性降低。
在进行单片机应用系统硬件设计时也要考虑选用技术参数有适当
余量的电元件。
2.4双机冗余设计
在单片机应用系统中一些对可靠性要求较高的地方，要采用双机冗余设计。
这种单片机
应用系统有主机和从机两部分，正常情况下由主机进行正常运行控制，一旦主机出现故障，
仲裁器会自动的切断主机的控制权限，使从机发挥功能，完成相应的运行控制这种双机冗余
设计可以进一步的增强单片机应用系统的硬件可靠性。
3.软件可靠性设计
3.1指令冗余
一般情况下，CPU获取指令的过程是先进行获得操作码，随后根据操作码的指令在获得
相应的操作数。
所谓的指令冗余既是讲在那些需要注意的关键部位进行一些特殊操作，这些
特殊操作便是要人工进行加人一些单节指令。
然而由于指令冗余仅仅是可以让整个系统在错
误的代码处运转下去，却不能将错误的代码进行纠偏，不能有相应的扭转错误程序的功能，
所以要达到这一目的需要下面的相应技术进行实现:
3.2软件技术
在系统出现一些错误指令或者操作之后，会将整个系统带人一个死胡同，并且系统会在
其中进行重复的循环，进而引起整个系统的死机。
所以为了应对这一问题需要使用相应的系
统看门狗，这一程序可以使得系统在处于死循环之后有效的摆脱循环状态，从而恢复相应的
正常运转。
在现实运用过程中，为了检验系统是否处于死胡同中，需要定期的进行中断检验。
在现实工业化生产使用中，如果有较为严重的干扰情况出现，就会对这种中断操作产生破坏，
这种情况下回关闭中断，进而引起看门狗失去了相应的作用。
用定时器TO监视定时器Tl，
用定时器Tl监视丰程序，主程序监视定时器TO。
有一种较为理想的看门狗软件，它是使用的环形结构的软件，它具有较好的抗击干扰的
能力，能够在很大程度上提高系统整体的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性。
对于那些
需要市场运用T1定时器进行系统监控的系统而言，可以降低定时器的中断次数，进而使用
串口中断软禁进行监控。
总体而言，不能为了某一零部件或一小部门系统的运行而影响整个
系统的正常使用，因此在对其进行设计时应该讲全盘系统考虑在内，准确考虑系统的合理性。
对于看门狗软件需要使用定时器进行定时监控，为了避免因此而带来的相应限制，需要采用
一些相应的处理方式与方法，将看门狗与其他的软件通用一个定时器，这样不仅可以提高运
行效率还可以降低成本与系统的复杂性。
3.3检查RAM区标志数据及时发现严重干扰
这种方式便是要在这一区域选定几个相对稳定的单元结构，在初始化程序运转过程中，
将相应的单位参数设置成固定值，这样便能够保证在系统的运转过程中不会出现设置跑飞的
情况。
另外，如果系统真出现了跑飞的情况，也可以根据报警系统的报警及时发现，进而排
出相应的干扰，提高系统的运行效率。
另外，为了避免这种跑飞情况出现，可以在系统的正
常运行中进行相应的单元检查，在检查过程中一旦发现有相应的偏差出现便可以对其进行及
时更改，避免出现运行偏差。
3.4刷新输出端口
在单片机的输出口遇到相应的干扰时，可以通过输出口的干扰排出功能进行相应的刷新，这种功能主要是对单片机的输出口进行相应的刷新，对输出口的相应数据与状态进行纠偏，
保证单片机输出端的正常运转与输出。
4.结语
总体而言，计算机应用软件的开发是一项复杂而系统的工作，而编程语言的选择是重要
的环节。
从诸多的编程语言中选择出最合适的语言，是一件不简单的事情。
软件开发者应当
全面了解各种编译语言的特点，不断探索和实践，才能在面对不同的软件开发中选择更适合
的编译语言。
参考文献
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