c51軟復位經(jīng)典分析

從單片機指針說到黑客程序

在電子BBS討論區(qū)上溜達，看到一個有趣的帖子，整個帖子內容如下：

純C51復位功能函數(shù)：一個大三學生，讓人又愛又怕

現(xiàn)單列復位部分如下：

main()

{

  &nbspunsigned&nbspchar&nbspcode&nbsprst[]={0xe4,0xc0,0xe0,0xc0,0xe0,0x32};  // 復位代碼

   (*((void (*)())(rst)))();  // 執(zhí)行上一行代碼，將rst數(shù)組當函數(shù)調用

}

本來我告訴他嵌入如下代碼：

clr&nbspa

push&nbspacc

push&nbspacc

reti

結果他卻玩了前面哪一段，而數(shù)組rst[]中的內容恰恰是上面的匯編機器碼，他的做法是將rst數(shù)組的數(shù)據(jù)當作代碼保存，然后采用絕對地址方式指向該數(shù)組，將該數(shù)組中的代碼當作函數(shù)來運行。居然通過了！

我覺得有問題，我說即使如此，那絕對地址調用也應該寫成(*((void (*)())(&rst)))() 才對呀，結果他反駁說，那樣的話，rst的地址就會當成參數(shù)傳遞給這個絕對地址函數(shù)，而實際LJMP調用的地址并非rst的地址，而是一個不確定的地址。于是我按照自己的說法嘗試了一下，看看匯編結果，還真的是將rst的地址傳遞給了R1&nbspR2，而絕對函數(shù)最終LJMP到了
一個莫名其妙的地址上去了，死翹！

看來C真是一匹不容易駕馭的野馬，這個大三學生理解力在我之上，我30多歲的人了，干了這么多年還沒他的境界呢，唉，人家才學了幾天啊，翻了幾天書就這么厲害了，服了！

l         首先分析帖子的C語言代碼

第一句定義一個數(shù)組rst[]，數(shù)組內數(shù)據(jù)就是完成復位功能的匯編機器碼，具體對應關系
為：clr&nbspa ==&nbsp0xe4、push&nbspacc ==&nbsp0xc0,0xe0、reti ==0x32

第二句是一個函數(shù)指針的用法，函數(shù)指針用法稍微有點復雜，可參看本人著的書，:)，以
下為快速入門講解。

定義一個返回值是空函數(shù)指針的定義形式如下：

void (*p) ( )

當把函數(shù)指針賦值后，就能通過函數(shù)指針調用函數(shù)，調用形式如下，

      (*p) ( );

或等價的簡化形式：

p ( );

假設rst就是函數(shù)指針，則如下調用形式就可以令單片機復位再起。

(*rst ) ( ); 

但可惜，rst不是函數(shù)指針，而是數(shù)組名，雖然兩者都是地址，但不可直接調用數(shù)組名。

如同把char型變量a賦值給int型變量b，(int) 表示強制類型轉換：

b = (int)&nbspa

函數(shù)指針的強制類型轉換公式如下（C語言的哲學是定義形式和使用一致）：

(  (void (*)()  )&nbsprst

這樣經(jīng)過轉換后的rst就可以當作函數(shù)指針使用了，簡單的調用形式如下：

#define &nbspK     (  (void (*)( )  )&nbsprst

(*K) ( )

或：

(     * ( &nbspvoid (*)( )  )rst      ) ( );

這樣的語句就完成復位再啟功能了。類型轉換符()的優(yōu)先級跟指針運算符*的優(yōu)先級相同，
二者的結合方向是自右至左，所以上述語句就能完成復位功能了。保險起見有些程序員常
常喜歡再加個括號：

#define &nbspK     (   (  (void (*)( )  )&nbsprst   )

(*K) ( )

或

(     *(   ( &nbspvoid (*)( )  )rst   )    ) ( );

由于沒有輸入?yún)?shù)，上述復位代碼更嚴謹?shù)膶懛ㄊ牵?

#define &nbspK     (   (  (void (*)(void )  )&nbsprst   )

(*K) ( )

或

(     *(   ( &nbspvoid (*)(void )  )rst   )    ) ( );

關于帖子作者的解釋

千萬不要犯“&rst”形式的錯誤，對于一維數(shù)組而言，數(shù)組名rst就代表地址。以下二者等
價，更常用的是等式左邊的形式：

rst == &rst[0]

整個函數(shù)指針無所謂參數(shù)傳遞，只是把rst當作程序執(zhí)行地址調用而已，那個學生的解釋也
有問題。

還有一點必須提及，不是說能通過編譯，甚至生成正確代碼，就表示某語句一定是對的。
對很復雜的語句，要考慮到編譯器不嚴格甚至出錯的可能性。

哈佛結構和一個蠕蟲病毒

請注意，定義數(shù)組rst[]時用了關鍵字code，這是C51特有的關鍵字，意味著把數(shù)組定義到程序空間。標準C是沒有關鍵字code的。

哈佛結構和普林斯頓結構：

哈佛結構——程序空間和存儲空間分開的。C51算是不太嚴格的哈佛結構——雖地址線分開，但數(shù)據(jù)線沒有分開。DSP是增強的哈佛結構。

PC電腦上奔騰CPU是普林斯頓結構——數(shù)據(jù)空間和程序空間統(tǒng)一編址。

如果數(shù)組rst[]數(shù)據(jù)的匯編機器碼是刪除文件的機器碼，這算不算是病毒？

曾經(jīng)流行過一種蠕蟲病毒，其發(fā)作機理采取的就是將惡意代碼保存成文本文件，然后通過指針調用執(zhí)行這個文本，很多殺毒程序也不會查詢文本文件。

程序也罷，數(shù)據(jù)也罷都是二進制形式，如果數(shù)據(jù)空間和程序空間是統(tǒng)一編碼的， 數(shù)據(jù)當然可以當作程序運行。

在這一點上，相對而言，哈佛結構的CPU安全性會好一點點。但嵌入式應用少有病毒，一般不用關心。

單片機復位的更好方法

帖子中匯編語言解釋如下：

clr&nbspa                      //清除ACC=0

push&nbspacc               //壓0到堆?！?位

push&nbspacc               //再壓0到堆?！?位

reti                        //返回到0地址，從而執(zhí)行。

帖子作者的這種復位方法比較麻煩，更加簡單的復位寫法是（摘自《C缺陷與陷阱》）：

(     * ( &nbspvoid (*)( )  )0      ) ( );

本句的分析方法同上，但更加精煉，沒有多余的匯編語句。

上述復位的方法可稱為軟件復位。

軟件復位跟真正上電復位有很大差別：上電復位時大部分寄存器都有確定的復位值；軟件復位則只相當于從0地址開始執(zhí)行而已，寄存器不會變?yōu)榇_定的復位值。

如果用戶要編程實現(xiàn)上電復位這種情況，在程序中不要踢看門狗即可。大部分單片機都有看門狗吧。

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匯編中的ORG&nbsp0X0000H 在C51中如何實現(xiàn).
一般是在連接定位模塊中來進行地址分配
1、選擇"options&nbspfo&nbsptarget   "
2、選擇“BL51&nbspLocate”
3、在code 欄填入   ?PR?MAIN?SS(0x800)

其中MAIN是你要定位的函數(shù)名，SS是函數(shù)所在的文件名，要是有多個函數(shù)需要定位，則在中間加逗號。

功能強大的時鐘中斷
　　在單片機程序設計中，設置一個好的時鐘中斷，將能使一個CPU發(fā)揮兩個CPU的功效，大大方便和簡化程序的編制，提高系統(tǒng)的效率與可操作性。我們可以把一些例行的及需要定時執(zhí)行的程序放在時鐘中斷中，還可以利用時鐘中斷協(xié)助主程序完成定時、延時等操作。

　　下面以6MHz時鐘的AT89C51系統(tǒng)為例，說明時鐘中斷的應用。
　　定時器初值與中斷周期　時鐘中斷無需過于頻繁，一般取20mS(50Hz)即可。如需要百分之一秒的時基信號，可取10mS(100Hz)。這里取20mS，用定時器T0工作于16位定時器方式(方式1)。

    T0的工作方式為：每過一個機器周期自動加1，當計滿0FFFFh，要溢出時，便會產(chǎn)生中斷，并由硬件設置相應的標志位供軟件查詢。即中斷時比啟動時經(jīng)過了N+1個機器周期。所以，我們只要在T0中預先存入一個比滿值0FFFFh小N的數(shù)，然后啟動定時器，便會在N個機器周期后產(chǎn)生中斷。

    這個值便是所謂的“初值”。下面計算我們需要的初值：時鐘為6MHz，12個時鐘周期為一個機器周期，20mS中有10000個機器周期。(10000)10=(2710)16,0FFFFh-2710h+1=0D8F0h。由于響應中斷、保護現(xiàn)場及重裝初值還需要7~8個機器周期，把這個值再加上7，即T0應裝入的初值是0D8F7h。每次中斷進入后，先把A及PSW的值壓入堆棧，然后即把0D8F7h裝入T0。

　　設置一個單元，每次中斷加1　我們可以取內部RAM中一個單元，取名為INCPI(Increase Per&nbspInterrupt)，在中斷中，裝完T0初值后，用INC　INCPI指令將其加一。從這個單元中，無論中斷程序還是主程序，都可以從中獲得20mS的1~256之間任意整數(shù)倍的信號。例如：有一段向
數(shù)碼管送顯的程序，需要每0.5秒執(zhí)行一次以便刷新顯示器，便可以設一單元(稱為等待單元)W_DISP，用/MOV&nbspA,INCPI/ADD&nbspA,#25/MOV&nbspW_DISP,A/語句讓其比當前的INCPI值大25，然后在每次中斷中檢查是否于INCPI值相等。若相等，說明已過了25個中斷周期，便執(zhí)行送顯程序，并且讓W_DISP再加上25，等待下個0.5秒。我們可以設置多個等待單元，以便取出多個不同的時基
信號。讓中斷程序在每次中斷時依次查詢各個等待單元是否與INCPI相等，若相等，則執(zhí)行相應的處理，并重新設置該等待單元的值，否則跳過。例如：用0.5秒信號刷新或閃爍顯示器，用1秒信號產(chǎn)生實時時鐘，或輸出一定頻率的方波，以一定間隔查詢輸入設備等。

　　在中斷中讀鍵　通常，我們在主程序中讀鍵盤，步驟為：掃描鍵盤，若有鍵按下，則延時幾十毫秒去抖動，再次確認此鍵確實按下，然后處理該鍵對應的工作，完成后再次重上述步驟。但這有兩點不足：1.處理相應工作時無法鎖存按鍵的輸入，即可能漏鍵。2.延時去抖時CPU無法做其它事情，效率不高。如果把讀鍵放入時鐘中斷中，則可避免上述不足。方法為：如果兩次相鄰的中斷中都讀到同一個鍵按下，則這個鍵是有效的(達到了去抖目的)，并將其鎖存到先入先出(隊列)的鍵盤緩沖區(qū)，等主程序來處理。這樣，主程序處理按鍵的同時，仍可響應鍵盤的輸入。

    緩沖區(qū)深度通?？稍O為8級，若鎖存的鍵數(shù)多于8個，則忽略新的按鍵，并報警提示用戶新的按鍵將無效。若鍵盤緩沖隊列停滯的時間大大長于主程序處理按鍵所需要的最大時間，說明主程序已
出錯或跑飛，可以在中斷用指令將系統(tǒng)復位，起到了看門狗的目的。　　

    主程序中的延時　由于有常開的時鐘中斷，所以當主程序中有需要時間較短、精度較高的延時時，應暫時把時鐘中斷關閉。而程序中需要時間較長、精度不高的延時時，便可仿照下需的寫法，避免多層嵌套的循環(huán)延時。

　　例：在P1.1輸出1秒的高電平脈沖
   &nbspMOV   &nbspA,INCPI
   &nbspINC   &nbspA
   &nbspCJNE   &nbspA,INCPI$    ；等待一次中斷處理完成
   &nbspSETB   &nbspP1.1        ；設P1.1為H，脈沖開始
   &nbspADD   &nbspA,#50        ；50個20mS為1秒
   &nbspCJNE   &nbspA,INCPI,$    ；等中斷將INCPI加一50次
   &nbspCLR   &nbspP1.1        ；設P1.1為L，脈沖結束

　　結束語：從上看出，要靈活地應用時鐘中斷，將任務合理分配給中斷和主程序，并且二者要分工明確，接口簡單。這其中的技巧還需要大家在實踐中多多摸索與體會。另外要注意：應盡量
縮短中斷處理程序的執(zhí)行時間，更不要長于20mS。