MCS-51系統(tǒng)軟復(fù)位的深入研究

引 言
復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其作用是使單片機(jī)和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。
標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的復(fù)位邏輯比較簡(jiǎn)單，只有通過復(fù)位引腳RST進(jìn)行外部擴(kuò)展。對(duì)于具有外部看門狗芯片的系統(tǒng)，當(dāng)單片機(jī)由于某種原因程序“跑飛”而沒有按時(shí)“喂狗”，或由軟件陷阱捕捉到程序運(yùn)行的異常，而故意不“喂狗”時(shí)，看門狗芯片會(huì)給單片機(jī)的RST引腳提供一個(gè)復(fù)位信號(hào)，讓單片機(jī)進(jìn)行一次“硬”復(fù)位，以恢復(fù)程序的正常運(yùn)行；有些5l內(nèi)核的單片機(jī)具有片內(nèi)的看門狗，或者提供可訪問的寄存器實(shí)現(xiàn)“軟件復(fù)位”。一般實(shí)現(xiàn)的也都是與在RST引腳提供復(fù)位信號(hào)等價(jià)的“硬”復(fù)位。
在有些應(yīng)用中，由于單片機(jī)所接外設(shè)嚴(yán)格依附干單片機(jī)口線的時(shí)序，甚至不允許硬件復(fù)位時(shí)對(duì)口線的復(fù)位操作；或由于系統(tǒng)沒有外部看門狗，只能用軟件監(jiān)測(cè)程序運(yùn)行異常并重新對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，這時(shí)就需要所謂的“軟復(fù)位”了。
在互聯(lián)網(wǎng)上可以找到一些軟復(fù)位的方法，但都不夠完善或不方便使用，基于C5l的軟復(fù)位更是一個(gè)難點(diǎn)。本文提出一種功能完善、占用資源少的實(shí)現(xiàn)方法，在51asm和C51下都可方便使用。

1 “軟復(fù)位”要實(shí)現(xiàn)的功能
對(duì)于MCS-51系統(tǒng)，所謂“軟復(fù)位”是一種由用戶軟件控制的復(fù)位活動(dòng)，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。其內(nèi)容包括：
①程序計(jì)數(shù)器PC的復(fù)位，從0000H開始執(zhí)行程序；
②中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器的復(fù)位；
③特殊功能寄存器的復(fù)位；
④程序跑飛前狀態(tài)的盡量恢復(fù)。
其中，特殊功能寄存器的復(fù)位可根據(jù)具體系統(tǒng)的需要，在軟復(fù)位以前對(duì)相關(guān)寄存器逐個(gè)賦值再軟復(fù)位的方法完成，或在復(fù)位以后的初始化程序中實(shí)現(xiàn)；程序跑飛前狀態(tài)的恢復(fù)也可根據(jù)RAM中存留的數(shù)據(jù)來進(jìn)行判斷處理。本文重點(diǎn)討論關(guān)于程序計(jì)數(shù)器的復(fù)位和中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器的復(fù)位，在此基礎(chǔ)上不難再增加特殊功能寄存器的復(fù)位和程序跑飛前狀態(tài)的恢復(fù)，下文不再涉及相關(guān)代碼。
程序計(jì)數(shù)器的復(fù)位容易實(shí)現(xiàn)，一條“LJMP 0000H”即可。中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器的復(fù)位則比較困難，由于它們對(duì)于用戶程序是不可見的，無法直接讀寫其內(nèi)容，只有用RETI指令才能清除。又由于51單片機(jī)兩級(jí)中斷機(jī)制，低優(yōu)先級(jí)中斷有可能被高優(yōu)先級(jí)中斷再次中斷而形成中斷再入，而一次RETl只能退出當(dāng)前優(yōu)先級(jí)中斷并清除相應(yīng)的中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器，因此最壞情況下需要兩次RETI才能確保中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器的復(fù)位。綜合考慮，可先用壓棧的方法準(zhǔn)備跳轉(zhuǎn)后的入口地址，再用RETI來完成跳轉(zhuǎn)和清除中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器的雙重任務(wù)，把以上過程執(zhí)行兩次，前一次的目標(biāo)地址是后一次的入口，后一次則跳轉(zhuǎn)到0000H，完成復(fù)位過程。

2 軟復(fù)位的實(shí)現(xiàn)方法
前已述及軟復(fù)位要完成的功能，包含程序計(jì)數(shù)器PC的復(fù)位、中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器的復(fù)位、特殊功能寄存器的復(fù)位(略)和程序跑飛前狀態(tài)的恢復(fù)(略)。下面分別用匯編程序和C51程序來實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)介紹C51程序的實(shí)現(xiàn)方法。
2．1 51asm匯編程序?qū)崿F(xiàn)

使用時(shí)，在軟件陷阱處理程序段或軟件看門狗中用“LJMP #RST_O”指令跳轉(zhuǎn)到此段程序入口處即可。
2．2 C51程序?qū)崿F(xiàn)
用C語言實(shí)現(xiàn)MCS-51系統(tǒng)的軟復(fù)位，互聯(lián)網(wǎng)上出現(xiàn)過多種版本，但都不夠完善。以下基于業(yè)界應(yīng)用最廣泛的編譯器Keil C51來討論。如：

這段程序，用強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換把地址0000H轉(zhuǎn)換成re-set_not_best_O()函數(shù)的入口。實(shí)際上調(diào)用函數(shù)reset_not_best_O()等價(jià)于“LJMP 0000H”，沒有處理可能的中斷狀態(tài)問題。
又如：

這段代碼中，一維字符數(shù)組中為復(fù)位代碼的機(jī)器碼?！?*((Void(*)())(rst)))()”是把rst這個(gè)字符數(shù)組的地址強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成函數(shù)指針，并調(diào)用。實(shí)際上調(diào)用函數(shù)reset_not_best_1()是執(zhí)行了一段如下代碼：

可見，調(diào)用一次reset_not_best_l()函數(shù)相當(dāng)于執(zhí)行了1次清除中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器的動(dòng)作，然后跳轉(zhuǎn)到0000H重新執(zhí)行。但此段代碼仍然可能被再次中斷失效，或者當(dāng)原來堆棧已經(jīng)溢出時(shí)導(dǎo)致對(duì)0000H地址的壓棧錯(cuò)誤，不能正確實(shí)現(xiàn)“軟復(fù)位”功能。除此之外，由于KeilC5l在把控制權(quán)交給函數(shù)main()之前對(duì)內(nèi)部RAM進(jìn)行初始化的代碼是：

此處R0作為循環(huán)變量使用，對(duì)內(nèi)部RAM從7FH單元開始，按照每次遞減的方法對(duì)內(nèi)部RAM逐一進(jìn)行清零。當(dāng)R0指向00H時(shí)，以上程序可以很好地完成清零工作；然而R0依據(jù)RS0、RSl取值的不同，可以指向00H、08H、10H或18H單元。當(dāng)：R0指向08H、10H或18H時(shí)，上面所列清零程序?qū)⑾萑胨姥h(huán)。分析如下：
以RS0=1、RSl=0，即RO指向08H為例。自標(biāo)號(hào)LOOP處起始的循環(huán)進(jìn)入時(shí)的狀態(tài)是：R0=7FH，PC=#LOOP。設(shè)程序已執(zhí)行到R0=08H，PC=#LOOP，此時(shí)執(zhí)行PC指向處的指令“MOV @RO，A”，將把(RO)清零，也即08H單元清零。由于R0指向08H，實(shí)際上R0也被清零了，此時(shí)RO=00H，PC=#LOOPl；再執(zhí)行一條指令“DJNZ R0，LOOP”，R0將由00H自減為OFFH，回到R0=OFFH，PC=#LOOP的狀態(tài)；繼續(xù)執(zhí)行，將再次出現(xiàn)R0==08H，PC=#LOOP的狀態(tài)，陷入死循環(huán)。當(dāng)R0指向10H或18H單元時(shí)也類似會(huì)陷入死循環(huán)。為了避免上述問題，可以把字符數(shù)組中機(jī)器碼改為與以下程序段對(duì)應(yīng)：

調(diào)用改造后的reset_not_best_l()函數(shù)將清除中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器，并跳轉(zhuǎn)到0000H單元繼續(xù)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)了軟復(fù)位。但由于只執(zhí)行了1次RETT指令，在復(fù)位前出現(xiàn)了中斷再入的極端情況下，仍會(huì)出現(xiàn)低優(yōu)先級(jí)中斷放鎖死的現(xiàn)象。由于無法在字符數(shù)組中實(shí)現(xiàn)對(duì)最終代碼地址的取得，無法如2．1節(jié)匯編程序中的“MOV DPTR，#RSTl”一樣讀取絕對(duì)地址，因此也無法實(shí)現(xiàn)如同2．1節(jié)中的兩次RETl來保證清除全部的中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器。解決的辦法是，在內(nèi)存中設(shè)置標(biāo)志flag，每次復(fù)位后都檢查特定標(biāo)志，接如下偽代碼來判定(假定復(fù)位標(biāo)志設(shè)為0x55，若復(fù)位后發(fā)現(xiàn)標(biāo)志字為0x55則轉(zhuǎn)正常初始化程序，否則置復(fù)位標(biāo)志為0x55，再次復(fù)位)：

但這種辦法有兩個(gè)弊端：其一，萬一在程序跑飛時(shí)剛好處在中斷再入中，且flag所在的RAM地址中由于某種原因恰好是0x55，低級(jí)中斷仍是被鎖死的；其二，Keil C5l的缺省編譯模式是加上了初始化程序段startup．A51的，在這段程序中對(duì)全部的內(nèi)部RAM都進(jìn)行了初始化，復(fù)位標(biāo)志也會(huì)被清0，flag將失效。因此要正常使用標(biāo)志flag必須手工修改startup．A5l，不要清除flag單元，或者禁止stanup．A5l的使用，自己對(duì)內(nèi)部RAM進(jìn)行初始化，都比較繁瑣。
若用以下reset_best()函數(shù)，則可順利解決上述問題：

在此函數(shù)中，首先定義了結(jié)構(gòu)體類型ResetStruct，它包含字符數(shù)組rstcode和16位整型數(shù)addr兩個(gè)成員。在結(jié)構(gòu)體變量的RST實(shí)例中，RST．rstcode是復(fù)位代碼對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼，RST．a(chǎn)ddr的值是RST．rstcode這個(gè)數(shù)組的首地址+偏移量0x15。其實(shí)是以下匯編代碼中標(biāo)號(hào)rstl處的地址，也即是“#rstl”，由Keil C51在編譯時(shí)自動(dòng)計(jì)算得到。

此reset_best()函數(shù)巧妙地利用C語言中數(shù)組名即是數(shù)組首地址(其實(shí)質(zhì)就是這一段“軟復(fù)位”代碼的入口地址!)，把數(shù)組名+偏移量0x15賦值給結(jié)構(gòu)體的int型的成員addr，則正好把軟復(fù)位代碼中標(biāo)號(hào)rstl的入口地址兩個(gè)字節(jié)取了出來(由KeilC51在編譯連接時(shí)完成)，存放在RST．a(chǎn)ddr中，由于結(jié)構(gòu)體連續(xù)存儲(chǔ)，RST．a(chǎn)ddr會(huì)緊接著軟復(fù)位代碼RST．rstcode存放。見上段程序中的“DB #LOW(rstcode+OFH)”和“DB #HIGH(rstcode+09H)”。
當(dāng)本程序被調(diào)用并執(zhí)行到“MOVC A，@A+PC”時(shí)，分兩次取到的分別是“#rstl”的低位和高位字節(jié)，把它們壓棧以后再調(diào)用RETI指令，除了清除可能有的中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)記錄外，還會(huì)跳轉(zhuǎn)到rstl執(zhí)行后續(xù)的連續(xù)兩次壓棧操作，把第2次RETI的返回地址設(shè)為0000H，再通過緊接著的RETI指令，清除可能還有的中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)記錄，并跳轉(zhuǎn)到0000H完成完整的復(fù)位操作。
本程序使用一個(gè)C51函數(shù)完成了完整的包含兩次RETI在內(nèi)的復(fù)位操作，消除了所有已知隱患，只需在應(yīng)用程序中包含此reset_best()函數(shù)，在需要軟復(fù)位時(shí)調(diào)用即可。2．1節(jié)中所列匯編語言的子程序也可使用本節(jié)分析時(shí)所用匯編代碼代替。

結(jié) 語
本文對(duì)MCS-51單片機(jī)的“軟復(fù)位”進(jìn)行了深入討論，給出了分別基于51asm的匯編子程序和基于C5l的函數(shù)。使用本文所述的“軟復(fù)位”方法，無論是5lasm程序還是C51程序，所需的資源消耗都很小，只占用二三十個(gè)字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，使用也非常簡(jiǎn)單，不會(huì)增加編程負(fù)擔(dān)。當(dāng)具體應(yīng)用系統(tǒng)還需進(jìn)行特殊功能寄存器的復(fù)位以度程序跑飛前狀態(tài)的恢復(fù)時(shí)，在此基礎(chǔ)上也很容易實(shí)現(xiàn)。特別是當(dāng)單片機(jī)所接外設(shè)嚴(yán)格依附于單片機(jī)口線的時(shí)序，須盡量避免硬件復(fù)位對(duì)口線的復(fù)位操作或系統(tǒng)不具備硬件看門狗時(shí)，對(duì)于提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力有較大的實(shí)用價(jià)值。實(shí)際應(yīng)用表明，這種軟復(fù)位方法是非常有效的。