探索80C51的三種非常規(guī)的復(fù)位技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)80C51片內(nèi)現(xiàn)有的復(fù)位邏輯比較簡單，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。通常可以在程序中設(shè)置軟件陷阱，引導(dǎo)程序失控的單片機(jī)跳轉(zhuǎn)到一個指定的地址去執(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器的空白區(qū)。實現(xiàn)軟件陷阱功能的指令是一個“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

LJMPSWRST；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，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合。可以設(shè)想，假如是在（低級或高級）中斷服務(wù)程序中跑飛的，這時即使把程序拉回到起點，而中斷激活觸發(fā)器不能夠被清除，會影響以后的中斷請求無法被 CPU響應(yīng)。

如果SWRST等于“軟件復(fù)位程序”的入口地址，則會引發(fā)一次“軟件復(fù)位”。關(guān)于軟件復(fù)位程序的設(shè)計方法，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特定的地址，在那里由一段專門處理錯誤的程序進(jìn)行處理，以恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。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方式，長度分別為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，就會把操作數(shù)當(dāng)作操作碼來執(zhí)行，將會產(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)計的“4字節(jié)指令串”，陷阱指令將會更加有效。理由是，該指令對應(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)計了專門用于實現(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，必需配套實施的一項后續(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，就是利用一系列指令來模擬硬件復(fù)位所實現(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）對于標(biāo)準(zhǔn)80C51的21個特殊功能寄存器SFR的復(fù)位操作，利用MOV指令很容易實現(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）對于無統(tǒng)一編址的程序計時器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，也不容易實現(xiàn)。理由是它們對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，其起飛點完全可能發(fā)生在低級或高級中斷服務(wù)子程序中，這時的中斷激活觸發(fā)器已經(jīng)被置位。如果在程序回復(fù)之后沒有及時清除它們，將阻止以后出現(xiàn)的所有的同級或低級中斷請求。

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)驗繪制的。電路中包括1個邏輯或門G1、兩個S-R觸發(fā)器FF1和FF2。當(dāng)CPU響應(yīng)低級中斷請求之后，F(xiàn)F1被置位，其Q = 0，封鎖“低權(quán)組”不再受理新的低級中斷請求；當(dāng)CPU響應(yīng)高級中斷請求之后，因為G1的作用而使FF1和FF2同時被置位，F(xiàn)F1的Q = 0封鎖“低權(quán)組”，F(xiàn)F2的Q = 0封鎖“高權(quán)組”，不再受理新的高級和低級中斷請求。

如何設(shè)計“軟件復(fù)位程序”呢？其編寫方法如下。

SWRST：；定義軟件復(fù)位程序的實際入口地址
CLR EA；首先關(guān)閉中斷源總使能位
SETBF0；設(shè)置一個軟件復(fù)位標(biāo)志位
MOVP0，#0FFH；設(shè)定通用端口P0為高阻輸入狀態(tài)
MOVP1，#0FFH；設(shè)定通用端口P1為高阻輸入狀態(tài)
MOVP2，#0FFH；設(shè)定通用端口P2為高阻輸入狀態(tài)
MOVP3，#0FFH；設(shè)定通用端口P3為高阻輸入狀態(tài)
MOVPSW，#00H；設(shè)定程序狀態(tài)字寄存器為原始值
……；（據(jù)實際需要還可初始化其他SFR）
MOVDPTR，#SWR0；為RETI準(zhǔn)備彈出地址，而又不想改變執(zhí)行順序
PUSHDPL；壓棧低字節(jié)，在先
PUSHDPH；壓棧高字節(jié)，在后
RETI；中斷返回指令，清除高級中斷激活觸發(fā)器
SWR0：CLRA；準(zhǔn)備復(fù)位地址
PUSHACC；壓棧低字節(jié)00H
PUSHACC；壓棧高字節(jié)00H
RETI；清除低級中斷激活觸發(fā)器，并跳到0000H

以下幾點需要說明：（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，因為在整個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置位了所有兩個中斷激活觸發(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（可以由編程人員按需要來啟用），又具有硬件復(fù)位的特點（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P1.0維持高電平，Q1截止；當(dāng)內(nèi)部軟件需要實施該復(fù)位時，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起著延時和限流的雙重作用。圖2（b）電路是在MAX812M對接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。

如何設(shè)計“軟硬件復(fù)位程序”呢？其編寫方法如下。

SHRST：；定義軟硬件復(fù)位程序的入口地址
SETF1；設(shè)置一個軟件復(fù)位標(biāo)志位
CLRP1.0；從P1.0輸出低電平，開始實施軟硬件復(fù)位
ORL PCON，#02H；置位PD，令單片機(jī)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，即PD模式
；經(jīng)過延時后RST被拉高，迫使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)
；在復(fù)位操作完成并且喚醒單片機(jī)之后，將重新從0000H開始執(zhí)行用戶程序
以下幾點需要說明：（1）如果利用這里的“軟硬件復(fù)位程序”代替前面的“軟件復(fù)位程序”，可以簡化用戶程序并且復(fù)位進(jìn)行得徹底，但是需要增加一些硬件，并且也把可以定制的復(fù)位操作給轉(zhuǎn)化成了固定的復(fù)位操作。（2）在圖2所示的軟硬件復(fù)位的支撐電路，除了可以提供復(fù)位信號給單片機(jī)，還有一個很大的好處，就是可以為其他外圍電路提供復(fù)位信號，這彌補(bǔ)了傳統(tǒng)80C51的一個欠缺。

標(biāo)準(zhǔn)80C51的復(fù)位引腳RST是只能輸入的單向結(jié)構(gòu)，不能由單片機(jī)主動地為外圍芯片提供同步的復(fù)位信號；而MC68HC05和MC68HC08系列、ST公司的ST7系列，以及許多新款51兼容單片機(jī)都把RST引腳設(shè)計為可輸入/輸出的雙向結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部看門狗溢出復(fù)位的同時，也從RST輸出一個高電平脈沖，控制其他外圍芯片與單片機(jī)進(jìn)行同步復(fù)位操作。例如，ATMEL公司的AT89S51/52、T89C51RD2、AT89C51RC等型號和 Philips公司的P89C51RC、P89C51RA2/RB2/RD2等型號，它們都帶有內(nèi)部看門狗。

非法地址復(fù)位技術(shù)

一般來說，非法地址復(fù)位是指由于意外原因?qū)е鲁绦蛴嫊r器PC內(nèi)容被破壞，而迫使CPU試圖到一個非法地址去抓取指令代碼來執(zhí)行，就強(qiáng)迫單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作。

由于51系列單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)采用的是“哈佛架構(gòu)”，其程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)截然分開、獨立編址，不存在CPU到RAM區(qū)抓取指令的可能性，因此這極大地降低了非法尋址的概率。但是這并不能徹底杜絕非法尋址的可能性，尤其是對于哪些實際配備ROM容量遠(yuǎn)小于64Kb的情況。這時就可以狹義地定義非法地址是 PC值超出ROM實際容量的地址編碼。

（a）IC電路直接復(fù)位方式

（b）先中斷后復(fù)位方式

圖3是兩種實現(xiàn)非法地址復(fù)位的支撐電路。其中，圖3(a）電路是在圖2(b）的基礎(chǔ)上改變一條連線而成的。該連線一端連接PSEN信號引腳，該引腳專門用來提供選通外擴(kuò)程序存儲器ROM的片選信號；另一端連接MAX812M的人工復(fù)位輸入腳MR。平時PSEN引腳一直維持在高電平上；只有當(dāng)CPU試圖非法到外部ROM抓取指令時，PSEN引腳才會送出低電平脈沖，就是巧妙地利用該脈沖作為復(fù)位信號源，來強(qiáng)迫單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作。圖3（b）電路可以看作是在圖2（b）基礎(chǔ)上改變添加一條連線而成的。該連線把PSEN信號引腳和一條外部中斷源引腳INT0連接起來，并且設(shè)定INT0為下降沿觸發(fā)和高級中斷源。當(dāng)出現(xiàn)非法地址時，PSEN引腳上的低電平脈沖經(jīng)過INT0向CPU請求中斷；在CPU響應(yīng)該中斷之后可以設(shè)置標(biāo)志，然后實施軟件復(fù)位或者軟硬件復(fù)位。

需要提示一點：非法地址復(fù)位方式的啟用是有前提條件的，它僅適用于那些純粹利用片上ROM（指程序存儲器），即無外擴(kuò)ROM，并且片上ROM不足64Kb的情況。

復(fù)位方式小結(jié)

標(biāo)準(zhǔn)80C51只有一個外接復(fù)位源引腳RST，基本所有硬件中斷都是通過RST腳引入的，并且是根據(jù)實際需要逐個進(jìn)行擴(kuò)充的。其中只有上電復(fù)位POR是什么場合下都必不可少的。其擴(kuò)充順序大致符合（不是絕對符合）表1中的規(guī)律。

在此對于可能用到的多種復(fù)位源和復(fù)位的方式，進(jìn)行如下幾種不同的分類。

1 傳統(tǒng)復(fù)位方式和非傳統(tǒng)復(fù)位方式

傳統(tǒng)復(fù)位方式（包含上電復(fù)位和人工復(fù)位）是80C51技術(shù)手冊和所有教科書中幾乎都提及的；而非傳統(tǒng)復(fù)位方式（包含欠壓復(fù)位、看門狗復(fù)位、軟件復(fù)位、軟硬件復(fù)位和非法地址復(fù)位）是為了滿足技術(shù)發(fā)展的需要而擴(kuò)充的，這也是一些新款單片機(jī)在片內(nèi)新增的幾種復(fù)位方式。

2 硬件復(fù)位、軟件復(fù)位和軟硬件復(fù)位

復(fù)位分類如表2所示，將除了軟件復(fù)位之外的所有復(fù)位方式外部都引入到RST復(fù)位引腳上。

3 電源電壓監(jiān)控復(fù)位和程序運行監(jiān)控復(fù)位

電源電壓監(jiān)控復(fù)位包含上電復(fù)位和欠壓復(fù)位，它們都是在電源電壓的非常時期實施的復(fù)位；程序運行監(jiān)控復(fù)位包含人工復(fù)位、看門狗復(fù)位、非法地址復(fù)位、軟件復(fù)位和軟硬件復(fù)位，它們都是在用戶程序失常的情況下實施的復(fù)位。

4 內(nèi)部復(fù)位和外部復(fù)位

內(nèi)部復(fù)位包含看門狗復(fù)位、軟件復(fù)位、軟硬件復(fù)位和非法地址復(fù)位，它們基本都由內(nèi)部原因?qū)е碌膹?fù)位；外部復(fù)位包含上電復(fù)位、人工復(fù)位和欠壓復(fù)位，它們基本都由外部原因?qū)е碌膹?fù)位。

5 快速復(fù)位和延時復(fù)位

前者希望復(fù)位操作越快越好，例如人工復(fù)位、看門狗復(fù)位、非法地址復(fù)位等；而后者則希望復(fù)位操作有一個延遲時間，例如上電復(fù)位、欠壓復(fù)位等。

6 冷復(fù)位和熱復(fù)位

只有上電復(fù)位屬于冷復(fù)位，其余均屬于熱復(fù)位。在冷復(fù)位實施之前單片機(jī)處于無電狀態(tài)。