探索80C51的三種非常規(guī)的復(fù)位技術(shù)（2）
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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(gè)指定的地址去執(zhí)行，最終回復(fù)到正常軌道上來(lái)。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(lái)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(lái)增加捕捉有效性
LJMP SWRST；無(wú)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?？梢栽O(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(wú)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(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(wú)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(lái)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(lái)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(wú)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(wú)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(shuō)明：（1）首先關(guān)閉總的中斷使能位，以確保軟件復(fù)位過(guò)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(lái)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(shuō)的軟硬件復(fù)位方式，不過(guò)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(lái)即可。
如何設(shè)計(jì)“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
SET F1 ；設(shè)置一個(gè)軟件復(fù)位標(biāo)志位
CLR P1.0 ；從P1.0輸出低電平，開始實(shí)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(guò)延時(shí)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(diǎn)需要說(shuō)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(jiǎn)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(hào)給單片機(jī)，還有一個(gè)很大的好處，就是可以為其他外圍電路提供復(fù)位信號(hào)，這彌補(bǔ)了傳統(tǒng)80C51的一個(gè)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(dòng)地為外圍芯片提供同步的復(fù)位信號(hào)；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(jì)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(shí)，也從RST輸出一個(gè)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(hào)和 Philips公司的P89C51RC、P89C51RA2/RB2/RD2等型號(hào)，它們都帶有內(nèi)部看門狗。
非法地址復(fù)位技術(shù)
一般來(lái)說(shuō)，非法地址復(fù)位是指由于意外原因?qū)е鲁绦蛴?jì)時(shí)器PC內(nèi)容被破壞，而迫使CPU試圖到一個(gè)非法地址去抓取指令代碼來(lái)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(dú)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(duì)于哪些實(shí)際配備ROM容量遠(yuǎn)小于64Kb的情況。這時(shí)就可以狹義地定義非法地址是 PC值超出ROM實(shí)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(shí)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(hào)引腳，該引腳專門用來(lái)提供選通外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器ROM的片選信號(hào)；另一端連接MAX812M的人工復(fù)位輸入腳MR。平時(shí)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(shí)，PSEN引腳才會(huì)送出低電平脈沖，就是巧妙地利用該脈沖作為復(fù)位信號(hào)源，來(lái)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(hào)引腳和一條外部中斷源引腳INT0連接起來(lái)，并且設(shè)定INT0為下降沿觸發(fā)和高級(jí)中斷源。當(dāng)出現(xiàn)非法地址時(shí)，PSEN引腳上的低電平脈沖經(jīng)過(guò)INT0向CPU請(qǐng)求中斷；在CPU響應(yīng)該中斷之后可以設(shè)置標(biāo)志，然后實(shí)施軟件復(fù)位或者軟硬件復(fù)位。
需要提示一點(diǎn)：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(chǔ)器），即無(wú)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(gè)外接復(fù)位源引腳RST，基本所有硬件中斷都是通過(guò)RST腳引入的，并且是根據(jù)實(shí)際需要逐個(gè)進(jìn)行擴(kuò)充的。其中只有上電復(fù)位POR是什么場(chǎng)合下都必不可少的。其擴(kuò)充順序大致符合（不是絕對(duì)符合）表1中的規(guī)律。
在此對(duì)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(cè)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(yùn)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(shí)期實(shí)施的復(fù)位；程序運(yùn)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(shí)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?gòu)?fù)位和延時(shí)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(gè)延遲時(shí)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(shí)施之前單片機(jī)處于無(wú)電狀態(tài)。
評(píng)論