基于MCS-96單片機(jī)控制系統(tǒng)的程序失控防范

1 引言

　　單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，在滿足了各項(xiàng)控制功能后，為了使系統(tǒng)投入實(shí)用，必須提高其可靠性。但是，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，常會(huì)受到電磁設(shè)備啟動(dòng)、停止、電源波形畸變等因素的影響，各種干擾不可避免，若只靠避錯(cuò)設(shè)計(jì)很難滿足要求，而且也很難確保這些硬件萬(wàn)無(wú)一失，必須為系統(tǒng)配備容錯(cuò)功能。所以，抗干擾設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)（包括故障檢測(cè)與診斷技術(shù)）和功能設(shè)計(jì)成為單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺一不可的重要內(nèi)容。

　　在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，大多數(shù)情況下干擾不會(huì)造成單片機(jī)系統(tǒng)硬件的損壞，主要是對(duì)軟件運(yùn)行造成不良影響。其主要特征是：指令碼或數(shù)字碼受干擾，使程序的執(zhí)行出現(xiàn)錯(cuò)誤。最典型的錯(cuò)誤有：1）CPU中的程序計(jì)數(shù)器PC的值發(fā)生跳變，使程序跑飛，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一個(gè)毫無(wú)意義或錯(cuò)誤的程序段，使系統(tǒng)出現(xiàn)混亂或失控，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成設(shè)備損壞，甚至危及人身安全；2）輸出口被失控程序非法操作，使控制量發(fā)生波動(dòng)或使系統(tǒng)出現(xiàn)“死機(jī)”；3）RAM區(qū)域受干擾，造成數(shù)據(jù)被沖毀，使系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行不正常，輸出出錯(cuò)。下面以MCS－96系列單片機(jī)所組成的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)為例，提出一些有效、實(shí)用的程序失控防范措施。

2 捕捉跑飛程序的方法

2．1　指令冗余

　　單片機(jī)最易受干擾的是內(nèi)部程序計(jì)數(shù)器——PC的值。在受到強(qiáng)干擾時(shí)，PC的值被改變，改變后的值是隨機(jī)的不確定值。這可使CPU將程序從正確的位置跑飛到ROM中的任何一個(gè)地址，當(dāng)PC值飛到用戶工作程序ROM區(qū)內(nèi)時(shí)，可采用指令冗余的方法使程序走上正軌。具體方法是：1）在一些對(duì)程序流向起決定性作用的指令，如SJMP、LJMP、LCALL、CALL等之前插入幾條NOP指令；2）在某些對(duì)系統(tǒng)工作至關(guān)重要的指令，如中斷、堆棧等之前插入幾條NOP 指令；3）在程序中每隔若干條指令，插入一條NOP指令；4）在多字節(jié)指令前插入一條或兩條NOP指令。

　　由于單片機(jī)指令大多數(shù)為單字節(jié)指令，在一個(gè)程序中，其中斷和堆棧指令使用的次數(shù)也很有限，因此，采用這種方法增加存儲(chǔ)單元的數(shù)量不會(huì)太多。區(qū)，如EPROM中未被使用的空間或程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū)時(shí)，常采用軟件陷阱的方法來(lái)使程序納入正軌。

　　所謂軟件陷阱，就是一條引導(dǎo)指令，利用這條指令強(qiáng)行將程序引向一個(gè)指定的地址，在指定的地址上有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的出錯(cuò)處理程序。假設(shè)該程序的入口標(biāo)號(hào)為EPROM，則軟件陷阱由以下3條指令構(gòu)成：

　　NOP
　　NOP
　　LJMP　　ERROR

　　該軟件陷阱除了安裝在未使用的用戶EPROM區(qū)外，還常常安置在未使用的中斷向量區(qū)、表格區(qū)的最后和程序的斷裂點(diǎn)后（斷裂點(diǎn)是指象LJMP、SJMP、RET等類(lèi)指令）。

2．3 看門(mén)狗（WATCHDOGTIMER）

　　當(dāng)跑飛的程序既沒(méi)有落入軟件陷阱，又沒(méi)有遇到冗余指令，而是在用戶程序之間或用戶根本未使用的地址空間內(nèi)跳來(lái)跳去，自動(dòng)形成一個(gè)死循環(huán)，解決這一問(wèn)題的辦法是利用軟件啟動(dòng)單片機(jī)的監(jiān)視定時(shí)器，俗稱“看門(mén)狗”。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，利用它來(lái)使系統(tǒng)復(fù)位。這種方法簡(jiǎn)單、直觀，只需不超過(guò)64K狀態(tài)周期（16ms）的時(shí)間（用12M晶振時(shí)），計(jì)算機(jī)就可恢復(fù)正常。但此時(shí)，一定要通過(guò)軟件每隔一定時(shí)間（如15ms）使WATCHDOG TIMER復(fù)位一次。