單片機(jī)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)詳解（二）

　　標(biāo)準(zhǔn)80C51片內(nèi)現(xiàn)有的復(fù)位邏輯比較簡(jiǎn)單，只有通過一條復(fù)位引腳RST進(jìn)行外部擴(kuò)展。技術(shù)手冊(cè)中給出了上電復(fù)位(POR，power on reset)和人工復(fù)位(MRST，manual reset)電路的接線方法;借助于一只專用外圍芯片，如MAX813L或DS1323等，來擴(kuò)充欠壓復(fù)位(LVR，low voltage reset)和看門狗復(fù)位(WDR，watch dog timer reset)也有文章介紹。

　　本文將介紹三種非常規(guī)擴(kuò)展復(fù)位方式：軟件復(fù)位(SWR，software reset)、軟硬件復(fù)位(SHR，software and hardware reset)和非法地址復(fù)位(IAR，illegal address reset)。

　　軟件陷阱技術(shù)及其改良方法

　　軟件陷阱(software trap)是一種捕捉程序“跑飛”的編程方法。通?？梢栽诔绦蛑性O(shè)置軟件陷阱，引導(dǎo)程序失控的單片機(jī)跳轉(zhuǎn)到一個(gè)指定的地址去執(zhí)行，最終回復(fù)到正常軌道上來。軟件陷阱可以設(shè)置在用戶程序的空隙處或者轉(zhuǎn)移指令之后，還可以利用一系列的陷阱指令來填充程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)。實(shí)現(xiàn)軟件陷阱功能的指令是一個(gè)“5字節(jié)指令串”，通常包含2條單字節(jié)NOP指令和1條3字節(jié)跳轉(zhuǎn)指令。

　　NOP ;利用空操作指令

　　NOP ;來增加捕捉有效性

　　LJMP SWRST;無條件跳轉(zhuǎn)到指定地址去

　　其中“SWRST”可以是一段“軟件復(fù)位程序”的入口地址標(biāo)號(hào)，也可以是復(fù)位矢量“0000H”，即主程序入口地址。

　　如果SWRST等于復(fù)位矢量0000H，則會(huì)把捕捉到的跑飛程序引導(dǎo)到初始化程序入口地址去執(zhí)行，從而達(dá)到回復(fù)到正常軌道的目的。這種處理方法只適合中斷功能沒有被啟用的場(chǎng)合。可以設(shè)想，假如是在(低級(jí)或高級(jí))中斷服務(wù)程序中跑飛的，這時(shí)即使把程序拉回到起點(diǎn)，而中斷激活觸發(fā)器不能夠被清除，會(huì)影響以后的中斷請(qǐng)求無法被 CPU響應(yīng)。

　　如果SWRST等于“軟件復(fù)位程序”的入口地址，則會(huì)引發(fā)一次“軟件復(fù)位”。關(guān)于軟件復(fù)位程序的設(shè)計(jì)方法，隨后介紹。

　　總之，這種方法的指導(dǎo)思想是指，把未使用的ROM空間用跳轉(zhuǎn)引導(dǎo)指令填滿，作為軟件“陷阱”，以捕獲“飛掉”的程序，并強(qiáng)行將捕獲到的跑飛程序引向一個(gè)特定的地址，在那里由一段專門處理錯(cuò)誤的程序進(jìn)行處理，以恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為提高跑飛程序的捕獲率，通常還要在引導(dǎo)指令之前放置上幾條空操作指令 NOP。理由是，8051的指令編碼采用的是不等長(zhǎng)方式，長(zhǎng)度分別為1～3字節(jié)，而程序跑飛又是通過非法隨機(jī)改變PC值形成的。假若跑飛后的PC值落到3 字節(jié)指令LJMP的中間，就會(huì)把操作數(shù)當(dāng)作操作碼來執(zhí)行，將會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。為了提高捕捉的有效性，就在LJMP指令之前至少填充2條單字節(jié)的 NOP指令。

　　如果把“5字節(jié)指令串”改換成如下作者新設(shè)計(jì)的“4字節(jié)指令串”，陷阱指令將會(huì)更加有效。理由是，該指令對(duì)應(yīng)的目標(biāo)碼為“00 20 00 20H”，這段碼無論重復(fù)多少次都是等同的。另外，應(yīng)該在程序存儲(chǔ)器0020H開始的3字節(jié)中再放置一條跳轉(zhuǎn)到“軟件復(fù)位程序”真正入口的中轉(zhuǎn)指令 LJMP SWRST。經(jīng)過核查，0020H～0022H字節(jié)恰好位于定時(shí)器T1中斷矢量區(qū)尾部和串口中斷矢量之前。

　　SWRST0 EQU 0020H;定義“軟件復(fù)位程序”的間接入口地址為“0020H”

　　NOP ;填充一條單字節(jié)的空操作指令，機(jī)器碼是“00H”

　　LJMP SWRST0 ;無條件跳轉(zhuǎn)到指定地址去。對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼是“20 00 20H”

　　軟件復(fù)位技術(shù)

　　軟件復(fù)位是一種新技術(shù)，目前有越來越多的新型單片機(jī)配備了該功能。例如Philips公司的P87LPC700和P89LPC900系列、TI- BB公司的MSC1200系列和SunPlus公司的SPMC65系列等，內(nèi)部都設(shè)計(jì)了專門用于實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位的控制寄存器或者控制位。

　　軟件復(fù)位是在利用軟件陷阱技術(shù)或軟件看門狗技術(shù)時(shí)，必需配套實(shí)施的一項(xiàng)后續(xù)處理工作。所謂“軟件復(fù)位”是一種由用戶軟件控制的復(fù)位活動(dòng)，就是利用一系列指令來模擬硬件復(fù)位所實(shí)現(xiàn)的各種操作內(nèi)容，并且重新從頭開始執(zhí)行用戶程序。

　　其中的操作內(nèi)容應(yīng)該包含：(1)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)80C51的21個(gè)特殊功能寄存器SFR的復(fù)位操作，利用MOV指令很容易實(shí)現(xiàn)。全部復(fù)位可能不是必需的，只管那些在用戶程序中用到的SFR即可，可以由用戶自己定制。

　　2)對(duì)于無統(tǒng)一編址的程序計(jì)時(shí)器PC的復(fù)位，利用一條跳轉(zhuǎn)指令即可。(3)中斷激活觸發(fā)器的復(fù)位既容易被人們忽略，也不容易實(shí)現(xiàn)。理由是它們對(duì)于用戶程序是不可見的，無法直接讀寫其內(nèi)容。有的編程人員采用LJMP 0000H(機(jī)器碼為20 00 00H)作為軟件陷阱，認(rèn)為直接跳轉(zhuǎn)到復(fù)位矢量就完成了軟件復(fù)位，就是這類失誤案例的典型代表。

　　清除中斷激活觸發(fā)器有何必要呢?程序的跑飛是隨機(jī)發(fā)生的，其起飛點(diǎn)完全可能發(fā)生在低級(jí)或高級(jí)中斷服務(wù)子程序中，這時(shí)的中斷激活觸發(fā)器已經(jīng)被置位。如果在程序回復(fù)之后沒有及時(shí)清除它們，將阻止以后出現(xiàn)的所有的同級(jí)或低級(jí)中斷請(qǐng)求。

　　圖1 中斷激活觸發(fā)器示意圖

　　中斷激活觸發(fā)器包含高權(quán)組和低權(quán)組兩個(gè)觸發(fā)器，電路組成如圖1所示，該圖是根據(jù)作者的理解和經(jīng)驗(yàn)繪制的。電路中包括1個(gè)邏輯或門G1、兩個(gè)S-R觸發(fā)器FF1和FF2。當(dāng)CPU響應(yīng)低級(jí)中斷請(qǐng)求之后，F(xiàn)F1被置位，其Q = 0，封鎖“低權(quán)組”不再受理新的低級(jí)中斷請(qǐng)求;當(dāng)CPU響應(yīng)高級(jí)中斷請(qǐng)求之后，因?yàn)镚1的作用而使FF1和FF2同時(shí)被置位，F(xiàn)F1的Q = 0封鎖“低權(quán)組”，F(xiàn)F2的Q = 0封鎖“高權(quán)組”，不再受理新的高級(jí)和低級(jí)中斷請(qǐng)求。

　　如何設(shè)計(jì)“軟件復(fù)位程序”呢?其編寫方法如下。

　　SWRST： ;定義軟件復(fù)位程序的實(shí)際入口地址

　　CLR EA ;首先關(guān)閉中斷源總使能位

　　SETB F0 ;設(shè)置一個(gè)軟件復(fù)位標(biāo)志位

　　MOV P0，#0FFH ;設(shè)定通用端口P0為高阻輸入狀態(tài)

　　MOV P1，#0FFH ;設(shè)定通用端口P1為高阻輸入狀態(tài)

　　MOV P2，#0FFH ;設(shè)定通用端口P2為高阻輸入狀態(tài)

　　MOV P3，#0FFH ;設(shè)定通用端口P3為高阻輸入狀態(tài)

　　MOV PSW，#00H ;設(shè)定程序狀態(tài)字寄存器為原始值

　　…… ;(據(jù)實(shí)際需要還可初始化其他SFR)

　　MOV DPTR，#SWR0 ;為RETI準(zhǔn)備彈出地址，而又不想改變執(zhí)行順序

　　PUSH DPL ;壓棧低字節(jié)，在先

　　PUSH DPH ;壓棧高字節(jié)，在后

　　RETI ;中斷返回指令，清除高級(jí)中斷激活觸發(fā)器

　　SWR0： CLR A ;準(zhǔn)備復(fù)位地址

　　PUSH ACC ;壓棧低字節(jié)00H

　　PUSH ACC ;壓棧高字節(jié)00H

　　RETI ;清除低級(jí)中斷激活觸發(fā)器，并跳到0000H

　　以下幾點(diǎn)需要說明：(1)首先關(guān)閉總的中斷使能位，以確保軟件復(fù)位過程順利完成;(2)其中的核心指令是中斷返回指令RETI，因?yàn)樵谡麄€(gè)指令集中只有該指令能夠清除中斷激活觸發(fā)器;(3)末尾RETI指令的作用還代替了一條3字節(jié)的“LJMP 0000H”指令;(4)由軟件陷阱捕獲的跑飛程序并不一定同時(shí)置位了所有兩個(gè)中斷激活觸發(fā)器，但是該程序仍然適用，并且也沒有任何負(fù)面影響;(5)軟件復(fù)位標(biāo)志這里利用了PSW中的一個(gè)通用位F0，也可以利用F1、GF0、GF1以及RAM字節(jié)單元或位單元等;(6)軟件復(fù)位是一種不外擴(kuò)任何硬件電路、不導(dǎo)致單片機(jī)發(fā)生狀態(tài)遷移、純軟件的復(fù)位方法。

　　軟硬件復(fù)位技術(shù)

　　軟硬件復(fù)位是軟件復(fù)位功能的一種延伸，也是單片機(jī)的一種自主復(fù)位方式，既具有軟件復(fù)位的特點(diǎn)(可以由編程人員按需要來啟用)，又具有硬件復(fù)位的特點(diǎn)(能夠?qū)崿F(xiàn)硬件復(fù)位的全部操作內(nèi)容)。這種復(fù)位方式是本文作者自行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和命名的。

　　(a)分立件電路方式

　　(b)IC電路方式

　　在上述軟件復(fù)位的基礎(chǔ)上很容易實(shí)現(xiàn)這里所說的軟硬件復(fù)位方式，不過需要外擴(kuò)一定的硬件電路的支持。圖2是兩種配合軟硬件復(fù)位的外擴(kuò)電路。其中，圖2 (a)電路是在普通復(fù)位電路的基礎(chǔ)上，添加1只三極管Q1和3只阻容元件而成的，并且其導(dǎo)通與截止由一條并口引腳控制，如P1.0。平時(shí)P1.0維持高電平，Q1截止;當(dāng)內(nèi)部軟件需要實(shí)施該復(fù)位時(shí)，從P1.0腳輸出低電平，Q1導(dǎo)通把RST腳拉高，強(qiáng)行復(fù)位單片機(jī)。這里R3、R4和C2起著延時(shí)和限流的雙重作用。圖2(b)電路是在MAX812M對(duì)接80C51電路基礎(chǔ)上添加一條連線而成的，其工作原理與上類似。該連線把MAX812M的人工復(fù)位輸入腳 MR和一條通用I/O腳(如P1.0)連接起來即可。