單片機(jī)的干擾分析及MCU的改進(jìn)
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從表1可見(jiàn)，一個(gè)bit的變化完全改變了指令的意義，程序流或數(shù)據(jù)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的變化。例如，表中的跳轉(zhuǎn)部分（bit 0, 2或5發(fā)生變化）可能不轉(zhuǎn)入死循環(huán)，不引起Watchdog動(dòng)作，也有可能跳到非正常指令處，直至死循環(huán)。表中非跳轉(zhuǎn)指令則有可能改變累加器(bit 0, 1, 3, 4，6或7發(fā)生變化)，數(shù)據(jù)RAM(bit 1,3, 6或7發(fā)生變化)或狀態(tài)寄存器(bit 0, 1, 3, 4,6或7發(fā)生變化)。如果錯(cuò)誤發(fā)生在指令的第2或第3字節(jié)，數(shù)據(jù)的源或目的地址就錯(cuò)了。因此，即使Watchdog沒(méi)動(dòng)作，也不表示程序運(yùn)行正常。對(duì)8051其他指令作分析可得到類(lèi)似的結(jié)果。由此可見(jiàn)，Watchdog至多保證系統(tǒng)不死機(jī)，卻有可能掩蓋了數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/171101.htm
F0設(shè)計(jì)中，在關(guān)鍵點(diǎn)大量采用了“MOV dir1,tmp”，“MOV tmp, dir2”的形式將數(shù)據(jù)從dir1送到dir2，而不采用“MOV A,@R1”類(lèi)指令，以減小對(duì)原始數(shù)據(jù)破壞的可能性，從而為程序復(fù)執(zhí)創(chuàng)造條件。例如在備份數(shù)據(jù)Treh到Tbkh時(shí)，先將Treh送tmp1，然后將數(shù)據(jù)由tmp1送到備份Tbkh，再校驗(yàn)Tbkh與Treh是否一樣。若不一樣，就重作備份。采用的部分程序如下：
MOVtmp1, Tbkh85 53 19
MOVA, tmp1E5 19
XRLA, Treh65 4C
JNZtbkp70 F1
其中“MOV A, tmp1”仍有破壞tmp1的可能性，但tmp1是Treh的拷貝，壞了可重做；“XRL A, Treh”有可能破壞Treh，但已無(wú)法作其他選擇。
在硬件抗干擾方面，有許多專(zhuān)用的電源監(jiān)控芯片，如TL7705等，但是它們只適合在較慢的電源擾動(dòng)下使用。對(duì)于直流電源的跌落干擾，MCU根本來(lái)不及作現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)工作，所以它不是解決快速干擾問(wèn)題的辦法。
在F0中使用的辦法也不盡完善，一般單片機(jī)線路中還有很多外圍線路，例如F0中的光耦，3個(gè)光耦同時(shí)導(dǎo)通時(shí)要消耗約50 mA的電流，它們形成的動(dòng)態(tài)電阻很小，發(fā)生電源跌落時(shí)，并聯(lián)于MCU的解耦電容對(duì)此電阻放電，無(wú)法保證MCU正常工作的額定電壓。如在MCU電源中串接高頻二極管，就會(huì)引起額外的電源消耗，在低功耗的應(yīng)用中也會(huì)形成新的缺點(diǎn)。有些功能強(qiáng)大的MCU本身功耗就大，容許的電源變化范圍小，能否依靠解耦電容對(duì)抗電源跌落還需要檢驗(yàn)。綜上所述，軟件解決辦法不徹底，硬件解決辦法也有很多缺點(diǎn)與限制。
3 MCU要增加的功能
由于干擾而使指令出錯(cuò)的問(wèn)題不是Watchdog能解決的，特別是造成源數(shù)據(jù)錯(cuò)時(shí)，程序復(fù)執(zhí)也不能糾正錯(cuò)誤的結(jié)果。程序設(shè)計(jì)者要在現(xiàn)成的指令體系中找到對(duì)源數(shù)據(jù)危害性概率最小的指令不容易。即使找到，也不能保證指令在有多bit跳變時(shí)源數(shù)據(jù)不錯(cuò)。另外，有些指令錯(cuò)誤也可能破壞其他處的數(shù)據(jù)。利用破壞數(shù)據(jù)概率最小的指令設(shè)計(jì)程序也不是好辦法，它既耗ROM空間，又費(fèi)運(yùn)行時(shí)間。
增大指令的Hamming距離可以改善這一情況。例如，給指令增加一到數(shù)位校驗(yàn)位，一旦指令通不過(guò)校驗(yàn)，就不執(zhí)行，并重新取指。這樣，問(wèn)題就有可能在產(chǎn)生后果前解決。就目前MCU的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)水平而言，在技術(shù)與成本上這種增加不會(huì)有很大困難。雖然這一辦法在添加的校驗(yàn)位有限時(shí)仍會(huì)有一定出錯(cuò)概率，但這種概率可以小到能接受的程度。
為了更為可靠，作校驗(yàn)的線路可有某種冗余。連續(xù)重取指可能反映有其他故障，應(yīng)通過(guò)某種方式通知應(yīng)用層。為了不打擾程序設(shè)計(jì)者，這些指令的添加位應(yīng)該在寫(xiě)入ROM時(shí)自動(dòng)生成，這樣就不會(huì)產(chǎn)生與現(xiàn)有產(chǎn)品的兼容性問(wèn)題。
在早期的MCU應(yīng)用中，Watchdog是外置的，后來(lái)都集成到MCU里面去了。如果實(shí)現(xiàn)上述功能，MCU的抗干擾能力會(huì)更強(qiáng)，Watchdog可能就不需要了。軟件的可靠性分析就可以將程序走飛和數(shù)據(jù)的完整性問(wèn)題分割出來(lái)加以處理，軟件部分更專(zhuān)注于邏輯分析，意義深遠(yuǎn)。
評(píng)論