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探索80C51的三種非常規的復位技術
本文將介紹三種非常規擴展復位方式軟件復位(SWR,software reset)、軟硬件復位(SHR,software andhardware reset)和非法地址復位(IAR,illegal address reset)。
軟件陷阱技術及其改良方法
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置軟件陷阱,引導程序失控的單片機跳轉到一個指定的地址去執行,最終回復到正常軌道上來。軟件陷阱可以設置在用戶程序的空隙處或者轉移指令之后,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。實現軟件陷阱功能的指令是一個“5字節指令串”,通常包含2條單字節NOP指令和1條3字節跳轉指令。
NOP ;利用空操作指令
NOP ;來增加捕捉有效性
LJMP SWRST;無條件跳轉到指定地址去
其中“SWRST”可以是一段“軟件復位程序”的入口地址標號,也可以是復位矢量“0000H”,即主程序入口地址。
如果S W R S T等于復位矢量0000H,則會把捕捉到的跑飛程序引導到初始化程序入口地址去執行,從而達到回復到正常軌道的目的。這種處理方法只適合中斷功能沒有被啟用的場合。可以設想,假如是在(低級或高級)中斷服務程序中跑飛的,這時即使把程序拉回到起點,而中斷激活觸發器不能夠被清除,會影響以后的中斷請求無法被CPU響應。
如果SWRST等于“軟件復位程序”的入口地址,則會引發一次“軟件復位”。關于軟件復位程序的設計方法,隨后介紹。
總之,這種方法的指導思想是指,把未使用的ROM空間用跳轉引導指令填滿,作為軟件“陷阱”,以捕獲“飛掉”的程序,并強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行處理,以恢復系統的正常運行。為提高跑飛程序的捕獲率,通常還要在引導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,而程序跑飛又是通過非法隨機改變PC值形成的。假若跑飛后的PC值落到3字節指令LJMP的中間,就會把操作數當作操作碼來執行,將會產生不可預知的結果。為了提高捕捉的有效性,就在LJMP指令之前至少填充2條單字節的NOP指令。
如果把“5字節指令串”改換成如下作者新設計的“4字節指令串”,陷阱指令將會更加有效。理由是,該指令對應的目標碼為“00 20 00 20H”,這段碼無論重復多少次都是等同的。另外,應該在程序存儲器0020H開始的3字節中再放置一條跳轉到“軟件復位程序”真正入口的中轉指令LJMP SWRST。經過核查,-0020H～0022H字節恰好位于定時器T1中斷矢量區尾部和串口中斷矢量之前。
SWRST0 EQU 0020H:定義“軟件復位程序”的間接入口地址為“0020H”
NOP ;填充一條單字節的空操作指令,機器碼是“00H”
LJMP SWRST0 ;無條件跳轉到指定地址去。對應的機器碼是“20 00 20H”
軟件復位技術
軟件復位是一種新技術,目前有越來越多的新型單片機配備了該功能。例如Philips公司的P 87LPC 700和P89LPC900系列、TI—BB公司的MSCl 200系列和SunPlus公司的SPMC65系列等,內部都設計了專門用于實現軟件復位的控制寄存器或者控制位。
軟件復位是在利用軟件陷阱技術或軟件看門狗技術時,必需配套實施的一項后續處理工作。所謂“軟件復位”是一種由用戶軟件控制的復位活動,就是利用一系列指令來模擬硬件復位所實現的各種操作內容,并且重新從頭開始執行用戶程序。
其中的操作內容應該包含:(1)對于標準80C51的21個特殊功能寄存器SFR的復位操作,利用MOV指令很容易實現。全部復位可能不是必需的,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)對于無統一編址的程序計時器PC的復位,利用一條跳轉指令即可。(3)中斷激活觸發器的復位既容易被人們忽略,也不容易實現。理由是它們對于用戶程序是不可見的,無法直接讀寫其內容。有的編程人員采用LJMP 0000H(機器碼為20 0000H)作為軟件陷阱,認為直接跳轉到復位矢量就完成了軟件復位,就是這類失誤案例的典型代表。
清除中斷激活觸發器有何必要呢?程序的跑飛是隨機發生的,其起飛點完全可能發生在低級或高級中斷服務子程序中,這時的中斷激活觸發器已經被置位。如果在程序回復之后沒有及時清除它們,將阻止以后出現的所有的同級或低級中斷請求。
中斷激活觸發器包含高權組和低權組兩個觸發器,電路組成如圖1所示,該圖是根據作者的理解和經驗繪制的。電路中包括1個邏輯或門G1、兩個S-R觸發器FFl和FF2。當CPU響應低級中斷請求之后,FFl被置位,其Q=0,封鎖“低權組”不再受理新的低級中斷請求;當CPU響應高級中斷請求之后,因為G1的作用而使FFl和FF2同時被置位,FFI的Q=0封鎖“低權組”,FF2的Q;0封鎖“高權組”,不再受理新的高級和低級中斷請求。
如何設計“軟件復位程序”呢?其編寫方法如下。
SWRST: ;定義軟件復位程序的實際入口地址
CLR EA ;首先關閉中斷源總使能位
SETB FO ;設置一個軟件復位標志位
MOV PO,#0FFH;設定通用端口PO為高阻輸入狀態
MOV P1,#0FFH;設定通用端口P1為高阻輸入狀態
MOV P2,#0FFH;設定通用端口P2為高阻輸入狀態
MOV P3,#0FFH, 設定通用端口P3為高阻輸入狀態
MOV PSW,#00H;設定程序狀態字寄存器為原始值
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