一種高可靠MCU系統(tǒng)監(jiān)控方案

對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)，一般都需要監(jiān)控電路來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。包括用電壓比較器對(duì)電源的監(jiān)控和看門(mén)狗對(duì)程序的監(jiān)控。為防止系統(tǒng)程序受干擾“飛掉”，常用看門(mén)狗定時(shí)器，這種方式對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)時(shí)很有效，而程序“飛掉”時(shí)極有可能跳過(guò)一段程序，正好進(jìn)入另一條指令的開(kāi)頭。尤其在risc系統(tǒng)中，絕大部分是單周期指令，容易遇到這種情況，此時(shí)程序會(huì)繼續(xù)運(yùn)行下去，使看門(mén)狗失效。跳過(guò)的這段程序，可能包括一些接口控制執(zhí)行指令，或某些數(shù)據(jù)的輸入輸出，或條件判斷，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)因此而運(yùn)行紊亂，或直接產(chǎn)生故障。系統(tǒng)出現(xiàn)這類(lèi)故障時(shí)很難立即察覺(jué)。 1. 在運(yùn)用極其廣泛的一類(lèi)mcu系統(tǒng)，如分段定時(shí)控制系統(tǒng)中，象家用電器的電腦控制微波爐、洗衣機(jī)、電飯煲；電力行業(yè)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制；冶金行業(yè)的連鑄、焊管及流水線系統(tǒng)等，都可能會(huì)在系統(tǒng)運(yùn)行中遇到分段定時(shí)控制或某一區(qū)域內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)與前段運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)的情況。此時(shí)簡(jiǎn)單地用看門(mén)狗電路作系統(tǒng)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)死鎖而復(fù)位，將會(huì)使啟動(dòng)以后的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程失效，這種方法顯然是行不通的。

2. 對(duì)于分時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，其中的某個(gè)或幾個(gè)任務(wù)出現(xiàn)死鎖，而又有一個(gè)或多個(gè)任務(wù)仍正常運(yùn)行的情況下，看門(mén)狗定時(shí)器可能會(huì)被“蒙蔽”而失去監(jiān)控作用。

3. 在一個(gè)程序運(yùn)行周期很短，或系統(tǒng)根據(jù)不同運(yùn)行狀況的程序處理時(shí)間相差很大的情況下，看門(mén)狗定時(shí)周期難以定得合適，此時(shí)若出現(xiàn)干擾死機(jī)可能因難于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決而造成故障。

如果有一種方法，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中能夠自行感知程序運(yùn)行狀況，出現(xiàn)問(wèn)題能夠隨時(shí)察覺(jué)；發(fā)現(xiàn)故障立即報(bào)警、停止運(yùn)行或復(fù)位，甚至可以自動(dòng)糾錯(cuò)，使程序恢復(fù)正確的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的最佳監(jiān)控，那將是比較理想的。

2 系統(tǒng)在線自行跟蹤基本方法

系統(tǒng)在線運(yùn)行過(guò)程中，如果能夠隨時(shí)將系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程即系統(tǒng)當(dāng)前程序的實(shí)際流程路線自動(dòng)記錄下來(lái)，就有辦法將預(yù)期的運(yùn)行路線與之比較，從而避免程序出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的死鎖。打個(gè)比方，設(shè)想有一輛在公路上行駛的汽車(chē)，只要知道該汽車(chē)在各個(gè)岔路口的走向，就可以描繪出這輛汽車(chē)整個(gè)的行駛路線，但是難以保證汽車(chē)可能會(huì)在一條單一路線上行駛時(shí)拋錨。如果每隔一定距離以及重要路段設(shè)上“哨卡”，就能更加細(xì)致地了解到汽車(chē)的行駛情況，一旦出現(xiàn)問(wèn)題就能立即知道事故出現(xiàn)的具體路段。同理，在程序運(yùn)行過(guò)程中也可以通過(guò)人為設(shè)置的“哨卡”來(lái)記錄程序當(dāng)前的運(yùn)行路線。在多數(shù)情況下，這些“哨卡”對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行并沒(méi)有太大的影響。 實(shí)際上，這些“哨卡”就是可以任意插入流程中的簡(jiǎn)短程序段，每一個(gè)“哨卡”有一個(gè)特定的“標(biāo)志碼”以使我們能夠知道程序到底運(yùn)行到何處。將這些標(biāo)記按出現(xiàn)的順序記錄在存儲(chǔ)器中，就能依此知道cpu“行駛”的具體路線。當(dāng)然，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)了解得越細(xì)致，程序的運(yùn)行時(shí)間會(huì)越長(zhǎng)。應(yīng)將它們?cè)O(shè)置在重要的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)或接口操作處，各分支路口和相對(duì)獨(dú)立的程序塊入口處，盡量減小對(duì)系統(tǒng)的影響。

下面以gms97c51單片機(jī)構(gòu)成的mcu系統(tǒng)為例說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)自身運(yùn)行路線的跟蹤記錄方法。

如圖1所示，設(shè)系統(tǒng)cpu為97c51，外接一片sram 6116來(lái)作運(yùn)行記錄，為防止掉電和死機(jī)的影響，將ram用后備電池保護(hù)起來(lái)（系統(tǒng)上電初始化程序應(yīng)包括將6116清零，清零程序在此略去）。

在系統(tǒng)原來(lái)程序段中需要設(shè)“哨卡”的地方插入語(yǔ)句：

mov
sign, #mark
；#mark為標(biāo)志號(hào),sign定義

lcall
guide
；為存放標(biāo)志號(hào)的寄存器地址

這樣,僅插入6個(gè)字節(jié)對(duì)原來(lái)程序的存儲(chǔ)空間并無(wú)多大影響,所有的“哨卡”共用一個(gè)子程序。

guide:
push psw
； 保護(hù)原來(lái)程序可能用到的寄存器,如有必要也可

push acc
；將dptr壓棧保護(hù)

inc addr
；addr為標(biāo)志號(hào)存放單元, 上電后需清零

mov a,addr
；假設(shè)只用ram中的256個(gè)單元來(lái)做記錄

jz out
；若存儲(chǔ)空間用完則停止存儲(chǔ)記錄

mov dpl,addr
；設(shè)6116存儲(chǔ)地址為7f