c51軟復(fù)位經(jīng)典分析

從單片機(jī)指針說(shuō)到黑客程序

在電子BBS討論區(qū)上溜達(dá)，看到一個(gè)有趣的帖子，整個(gè)帖子內(nèi)容如下：

純C51復(fù)位功能函數(shù)：一個(gè)大三學(xué)生，讓人又愛(ài)又怕

現(xiàn)單列復(fù)位部分如下：

main()

{

  &nbspunsigned&nbspchar&nbspcode&nbsprst[]={0xe4,0xc0,0xe0,0xc0,0xe0,0x32};  // 復(fù)位代碼

   (*((void (*)())(rst)))();  // 執(zhí)行上一行代碼，將rst數(shù)組當(dāng)函數(shù)調(diào)用

}

本來(lái)我告訴他嵌入如下代碼：

clr&nbspa

push&nbspacc

push&nbspacc

reti

結(jié)果他卻玩了前面哪一段，而數(shù)組rst[]中的內(nèi)容恰恰是上面的匯編機(jī)器碼，他的做法是將rst數(shù)組的數(shù)據(jù)當(dāng)作代碼保存，然后采用絕對(duì)地址方式指向該數(shù)組，將該數(shù)組中的代碼當(dāng)作函數(shù)來(lái)運(yùn)行。居然通過(guò)了！

我覺(jué)得有問(wèn)題，我說(shuō)即使如此，那絕對(duì)地址調(diào)用也應(yīng)該寫(xiě)成(*((void (*)())(&rst)))() 才對(duì)呀，結(jié)果他反駁說(shuō)，那樣的話，rst的地址就會(huì)當(dāng)成參數(shù)傳遞給這個(gè)絕對(duì)地址函數(shù)，而實(shí)際LJMP調(diào)用的地址并非rst的地址，而是一個(gè)不確定的地址。于是我按照自己的說(shuō)法嘗試了一下，看看匯編結(jié)果，還真的是將rst的地址傳遞給了R1&nbspR2，而絕對(duì)函數(shù)最終LJMP到了
一個(gè)莫名其妙的地址上去了，死翹！

看來(lái)C真是一匹不容易駕馭的野馬，這個(gè)大三學(xué)生理解力在我之上，我30多歲的人了，干了這么多年還沒(méi)他的境界呢，唉，人家才學(xué)了幾天啊，翻了幾天書(shū)就這么厲害了，服了！

l         首先分析帖子的C語(yǔ)言代碼

第一句定義一個(gè)數(shù)組rst[]，數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)就是完成復(fù)位功能的匯編機(jī)器碼，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系
為：clr&nbspa ==&nbsp0xe4、push&nbspacc ==&nbsp0xc0,0xe0、reti ==0x32

第二句是一個(gè)函數(shù)指針的用法，函數(shù)指針用法稍微有點(diǎn)復(fù)雜，可參看本人著的書(shū)，:)，以
下為快速入門(mén)講解。

定義一個(gè)返回值是空函數(shù)指針的定義形式如下：

void (*p) ( )

當(dāng)把函數(shù)指針賦值后，就能通過(guò)函數(shù)指針調(diào)用函數(shù)，調(diào)用形式如下，

      (*p) ( );

或等價(jià)的簡(jiǎn)化形式：

p ( );

假設(shè)rst就是函數(shù)指針，則如下調(diào)用形式就可以令單片機(jī)復(fù)位再起。

(*rst ) ( ); 

但可惜，rst不是函數(shù)指針，而是數(shù)組名，雖然兩者都是地址，但不可直接調(diào)用數(shù)組名。

如同把char型變量a賦值給int型變量b，(int) 表示強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換：

b = (int)&nbspa

函數(shù)指針的強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換公式如下（C語(yǔ)言的哲學(xué)是定義形式和使用一致）：

(  (void (*)()  )&nbsprst

這樣經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的rst就可以當(dāng)作函數(shù)指針使用了，簡(jiǎn)單的調(diào)用形式如下：

#define &nbspK     (  (void (*)( )  )&nbsprst

(*K) ( )

或：

(     * ( &nbspvoid (*)( )  )rst      ) ( );

這樣的語(yǔ)句就完成復(fù)位再啟功能了。類(lèi)型轉(zhuǎn)換符()的優(yōu)先級(jí)跟指針運(yùn)算符*的優(yōu)先級(jí)相同，
二者的結(jié)合方向是自右至左，所以上述語(yǔ)句就能完成復(fù)位功能了。保險(xiǎn)起見(jiàn)有些程序員常
常喜歡再加個(gè)括號(hào)：

#define &nbspK     (   (  (void (*)( )  )&nbsprst   )

(*K) ( )

或

(     *(   ( &nbspvoid (*)( )  )rst   )    ) ( );

由于沒(méi)有輸入?yún)?shù)，上述復(fù)位代碼更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?xiě)法是：

#define &nbspK     (   (  (void (*)(void )  )&nbsprst   )

(*K) ( )

或

(     *(   ( &nbspvoid (*)(void )  )rst   )    ) ( );

關(guān)于帖子作者的解釋

千萬(wàn)不要犯“&rst”形式的錯(cuò)誤，對(duì)于一維數(shù)組而言，數(shù)組名rst就代表地址。以下二者等
價(jià)，更常用的是等式左邊的形式：

rst == &rst[0]

整個(gè)函數(shù)指針無(wú)所謂參數(shù)傳遞，只是把rst當(dāng)作程序執(zhí)行地址調(diào)用而已，那個(gè)學(xué)生的解釋也
有問(wèn)題。

還有一點(diǎn)必須提及，不是說(shuō)能通過(guò)編譯，甚至生成正確代碼，就表示某語(yǔ)句一定是對(duì)的。
對(duì)很復(fù)雜的語(yǔ)句，要考慮到編譯器不嚴(yán)格甚至出錯(cuò)的可能性。

哈佛結(jié)構(gòu)和一個(gè)蠕蟲(chóng)病毒

請(qǐng)注意，定義數(shù)組rst[]時(shí)用了關(guān)鍵字code，這是C51特有的關(guān)鍵字，意味著把數(shù)組定義到程序空間。標(biāo)準(zhǔn)C是沒(méi)有關(guān)鍵字code的。

哈佛結(jié)構(gòu)和普林斯頓結(jié)構(gòu)：

哈佛結(jié)構(gòu)——程序空間和存儲(chǔ)空間分開(kāi)的。C51算是不太嚴(yán)格的哈佛結(jié)構(gòu)——雖地址線分開(kāi)，但數(shù)據(jù)線沒(méi)有分開(kāi)。DSP是增強(qiáng)的哈佛結(jié)構(gòu)。

PC電腦上奔騰CPU是普林斯頓結(jié)構(gòu)——數(shù)據(jù)空間和程序空間統(tǒng)一編址。

如果數(shù)組rst[]數(shù)據(jù)的匯編機(jī)器碼是刪除文件的機(jī)器碼，這算不算是病毒？

曾經(jīng)流行過(guò)一種蠕蟲(chóng)病毒，其發(fā)作機(jī)理采取的就是將惡意代碼保存成文本文件，然后通過(guò)指針調(diào)用執(zhí)行這個(gè)文本，很多殺毒程序也不會(huì)查詢文本文件。

程序也罷，數(shù)據(jù)也罷都是二進(jìn)制形式，如果數(shù)據(jù)空間和程序空間是統(tǒng)一編碼的， 數(shù)據(jù)當(dāng)然可以當(dāng)作程序運(yùn)行。

在這一點(diǎn)上，相對(duì)而言，哈佛結(jié)構(gòu)的CPU安全性會(huì)好一點(diǎn)點(diǎn)。但嵌入式應(yīng)用少有病毒，一般不用關(guān)心。

單片機(jī)復(fù)位的更好方法

帖子中匯編語(yǔ)言解釋如下：

clr&nbspa                      //清除ACC=0

push&nbspacc               //壓0到堆?！?位

push&nbspacc               //再壓0到堆?！?位

reti                        //返回到0地址，從而執(zhí)行。

帖子作者的這種復(fù)位方法比較麻煩，更加簡(jiǎn)單的復(fù)位寫(xiě)法是（摘自《C缺陷與陷阱》）：

(     * ( &nbspvoid (*)( )  )0      ) ( );

本句的分析方法同上，但更加精煉，沒(méi)有多余的匯編語(yǔ)句。

上述復(fù)位的方法可稱(chēng)為軟件復(fù)位。

軟件復(fù)位跟真正上電復(fù)位有很大差別：上電復(fù)位時(shí)大部分寄存器都有確定的復(fù)位值；軟件復(fù)位則只相當(dāng)于從0地址開(kāi)始執(zhí)行而已，寄存器不會(huì)變?yōu)榇_定的復(fù)位值。

如果用戶要編程實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位這種情況，在程序中不要踢看門(mén)狗即可。大部分單片機(jī)都有看門(mén)狗吧。

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匯編中的ORG&nbsp0X0000H 在C51中如何實(shí)現(xiàn).
一般是在連接定位模塊中來(lái)進(jìn)行地址分配
1、選擇"options&nbspfo&nbsptarget   "
2、選擇“BL51&nbspLocate”
3、在code 欄填入   ?PR?MAIN?SS(0x800)

其中MAIN是你要定位的函數(shù)名，SS是函數(shù)所在的文件名，要是有多個(gè)函數(shù)需要定位，則在中間加逗號(hào)。

功能強(qiáng)大的時(shí)鐘中斷
　　在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中，設(shè)置一個(gè)好的時(shí)鐘中斷，將能使一個(gè)CPU發(fā)揮兩個(gè)CPU的功效，大大方便和簡(jiǎn)化程序的編制，提高系統(tǒng)的效率與可操作性。我們可以把一些例行的及需要定時(shí)執(zhí)行的程序放在時(shí)鐘中斷中，還可以利用時(shí)鐘中斷協(xié)助主程序完成定時(shí)、延時(shí)等操作。

　　下面以6MHz時(shí)鐘的AT89C51系統(tǒng)為例，說(shuō)明時(shí)鐘中斷的應(yīng)用。
　　定時(shí)器初值與中斷周期　時(shí)鐘中斷無(wú)需過(guò)于頻繁，一般取20mS(50Hz)即可。如需要百分之一秒的時(shí)基信號(hào)，可取10mS(100Hz)。這里取20mS，用定時(shí)器T0工作于16位定時(shí)器方式(方式1)。

    T0的工作方式為：每過(guò)一個(gè)機(jī)器周期自動(dòng)加1，當(dāng)計(jì)滿0FFFFh，要溢出時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生中斷，并由硬件設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位供軟件查詢。即中斷時(shí)比啟動(dòng)時(shí)經(jīng)過(guò)了N+1個(gè)機(jī)器周期。所以，我們只要在T0中預(yù)先存入一個(gè)比滿值0FFFFh小N的數(shù)，然后啟動(dòng)定時(shí)器，便會(huì)在N個(gè)機(jī)器周期后產(chǎn)生中斷。

    這個(gè)值便是所謂的“初值”。下面計(jì)算我們需要的初值：時(shí)鐘為6MHz，12個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期，20mS中有10000個(gè)機(jī)器周期。(10000)10=(2710)16,0FFFFh-2710h+1=0D8F0h。由于響應(yīng)中斷、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)及重裝初值還需要7~8個(gè)機(jī)器周期，把這個(gè)值再加上7，即T0應(yīng)裝入的初值是0D8F7h。每次中斷進(jìn)入后，先把A及PSW的值壓入堆棧，然后即把0D8F7h裝入T0。

　　設(shè)置一個(gè)單元，每次中斷加1　我們可以取內(nèi)部RAM中一個(gè)單元，取名為INCPI(Increase Per&nbspInterrupt)，在中斷中，裝完T0初值后，用INC　INCPI指令將其加一。從這個(gè)單元中，無(wú)論中斷程序還是主程序，都可以從中獲得20mS的1~256之間任意整數(shù)倍的信號(hào)。例如：有一段向
數(shù)碼管送顯的程序，需要每0.5秒執(zhí)行一次以便刷新顯示器，便可以設(shè)一單元(稱(chēng)為等待單元)W_DISP，用/MOV&nbspA,INCPI/ADD&nbspA,#25/MOV&nbspW_DISP,A/語(yǔ)句讓其比當(dāng)前的INCPI值大25，然后在每次中斷中檢查是否于INCPI值相等。若相等，說(shuō)明已過(guò)了25個(gè)中斷周期，便執(zhí)行送顯程序，并且讓W(xué)_DISP再加上25，等待下個(gè)0.5秒。我們可以設(shè)置多個(gè)等待單元，以便取出多個(gè)不同的時(shí)基
信號(hào)。讓中斷程序在每次中斷時(shí)依次查詢各個(gè)等待單元是否與INCPI相等，若相等，則執(zhí)行相應(yīng)的處理，并重新設(shè)置該等待單元的值，否則跳過(guò)。例如：用0.5秒信號(hào)刷新或閃爍顯示器，用1秒信號(hào)產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)鐘，或輸出一定頻率的方波，以一定間隔查詢輸入設(shè)備等。

　　在中斷中讀鍵　通常，我們?cè)谥鞒绦蛑凶x鍵盤(pán)，步驟為：掃描鍵盤(pán)，若有鍵按下，則延時(shí)幾十毫秒去抖動(dòng)，再次確認(rèn)此鍵確實(shí)按下，然后處理該鍵對(duì)應(yīng)的工作，完成后再次重上述步驟。但這有兩點(diǎn)不足：1.處理相應(yīng)工作時(shí)無(wú)法鎖存按鍵的輸入，即可能漏鍵。2.延時(shí)去抖時(shí)CPU無(wú)法做其它事情，效率不高。如果把讀鍵放入時(shí)鐘中斷中，則可避免上述不足。方法為：如果兩次相鄰的中斷中都讀到同一個(gè)鍵按下，則這個(gè)鍵是有效的(達(dá)到了去抖目的)，并將其鎖存到先入先出(隊(duì)列)的鍵盤(pán)緩沖區(qū)，等主程序來(lái)處理。這樣，主程序處理按鍵的同時(shí)，仍可響應(yīng)鍵盤(pán)的輸入。

    緩沖區(qū)深度通常可設(shè)為8級(jí)，若鎖存的鍵數(shù)多于8個(gè)，則忽略新的按鍵，并報(bào)警提示用戶新的按鍵將無(wú)效。若鍵盤(pán)緩沖隊(duì)列停滯的時(shí)間大大長(zhǎng)于主程序處理按鍵所需要的最大時(shí)間，說(shuō)明主程序已
出錯(cuò)或跑飛，可以在中斷用指令將系統(tǒng)復(fù)位，起到了看門(mén)狗的目的。　　

    主程序中的延時(shí)　由于有常開(kāi)的時(shí)鐘中斷，所以當(dāng)主程序中有需要時(shí)間較短、精度較高的延時(shí)時(shí)，應(yīng)暫時(shí)把時(shí)鐘中斷關(guān)閉。而程序中需要時(shí)間較長(zhǎng)、精度不高的延時(shí)時(shí)，便可仿照下需的寫(xiě)法，避免多層嵌套的循環(huán)延時(shí)。

　　例：在P1.1輸出1秒的高電平脈沖
   &nbspMOV   &nbspA,INCPI
   &nbspINC   &nbspA
   &nbspCJNE   &nbspA,INCPI$    ；等待一次中斷處理完成
   &nbspSETB   &nbspP1.1        ；設(shè)P1.1為H，脈沖開(kāi)始
   &nbspADD   &nbspA,#50        ；50個(gè)20mS為1秒
   &nbspCJNE   &nbspA,INCPI,$    ；等中斷將INCPI加一50次
   &nbspCLR   &nbspP1.1        ；設(shè)P1.1為L(zhǎng)，脈沖結(jié)束

　　結(jié)束語(yǔ)：從上看出，要靈活地應(yīng)用時(shí)鐘中斷，將任務(wù)合理分配給中斷和主程序，并且二者要分工明確，接口簡(jiǎn)單。這其中的技巧還需要大家在實(shí)踐中多多摸索與體會(huì)。另外要注意：應(yīng)盡量
縮短中斷處理程序的執(zhí)行時(shí)間，更不要長(zhǎng)于20mS。