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單片機(jī)系統(tǒng)在測(cè)控領(lǐng)域的穩(wěn)定性探討

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作者: 時(shí)間:2007-08-31 來(lái)源:21IC中國(guó)電子網(wǎng) 收藏
近年來(lái)系統(tǒng)在工業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,而對(duì)于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),這種新型的微控制器的可靠性,安全性就成為了一個(gè)大的問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行正常的程序到了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)卻不能運(yùn)行,或者出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定經(jīng)常死機(jī)等。在這里我們主要討論一下如何通過(guò)軟件技術(shù)來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

  當(dāng)系統(tǒng)的CPU部位受到干擾信號(hào)的作用時(shí),將使系統(tǒng)失控。最典型的故障是破壞程序計(jì)數(shù)器PC的狀態(tài)值。導(dǎo)致程序在地址空間內(nèi)“亂飛”,或者陷入死循環(huán)。而我們對(duì)這種情況的處理主要有這么幾種方法:

  1、指令;

  2、軟件陷阱技術(shù);

  3、看門狗技術(shù)。

  我們以MCS-51來(lái)做以說(shuō)明。

  一、指令

  我們知道,指令由操作碼和操作數(shù)組成,操作碼指明CPU要完成什么樣的操作,而操作數(shù)是操作碼的對(duì)象。單字節(jié)指令只有操作碼,隱含操作數(shù);雙字節(jié)指令,第一個(gè)字節(jié)是操作碼,第二個(gè)字節(jié)是操作數(shù);三字節(jié)指令第一個(gè)字節(jié)是操作碼,后二個(gè)字節(jié)是操作數(shù)。CPU在取指令的時(shí)候是先取操作碼再取操作數(shù),如何判斷是操作碼還是操作數(shù)就是通過(guò)取指令的順序。而取指令的順序完全由指令計(jì)數(shù)器PC來(lái)控制,因此,一旦PC受干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤程序便會(huì)脫離正常軌道,出現(xiàn)“亂飛”,這樣就會(huì)使得把操作數(shù)當(dāng)作操作碼,或者把操作碼當(dāng)作操作數(shù)的情況。但只要PC指針落在單字節(jié)指令上程序就可納入正軌,所以為了快速的將程序納入正軌,我們應(yīng)該多用單字節(jié)指令,并在關(guān)鍵的地方人為的插入一些單字節(jié)指令NOP,或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重寫,這就稱之為指令冗余。

  常用的方法就是在一些雙字節(jié),三字節(jié)指令后面插入兩個(gè)單字節(jié)指令NOP,或在一些對(duì)程序的流向起決定作用的指令前面插入兩條NOP指令。還可對(duì)一些重要的指令進(jìn)行重復(fù)放置。

  但采用指令將程序納入正軌的條件是:亂飛的PC必須指向程序運(yùn)行區(qū)。

  二、軟件陷阱技術(shù)

  當(dāng)亂飛的程序進(jìn)入非程序區(qū)的時(shí)候, 我們就可設(shè)定軟件陷阱對(duì)亂飛的程序進(jìn)行攔截從而將程序引向一個(gè)固定的位置。這樣我們就可將捕獲的程序重新納入正軌。

  軟件陷阱主要就是把程序從新引入它的復(fù)位入口處,也就是說(shuō)我們?cè)谶m當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置這樣的指令:

  NOP

  NOP 

  LJMP  0000H

  對(duì)于軟件陷阱的安排,我們主要安排在這樣一些區(qū)域,未使用的中斷區(qū),未使用的EPROM空間及非EPROM空間。程序運(yùn)行區(qū),及中斷服務(wù)程序區(qū)。在這里我們主要來(lái)看前三種:

  1、未使用的中斷區(qū)

  如果對(duì)于未使用的中斷因干擾而開(kāi)放的話,我們可以把中斷服務(wù)程序這樣來(lái)寫:

  NOP 

  NOP

  POP   D1    ;將原來(lái)的錯(cuò)誤斷點(diǎn)彈出

  POP   D2    ;將原來(lái)的錯(cuò)誤斷點(diǎn)彈出

  PUSH  00H

  PUSH  00H    ;將斷點(diǎn)地址重寫為0000H

  RETI

  2、 未使用的EPROM區(qū)

  假設(shè)我們用了一片2764,但并沒(méi)有用完整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。這時(shí)候就可在未用的區(qū)域里填充上020000數(shù)據(jù),這樣當(dāng)程序飛入其中時(shí)就會(huì)很快的走入正軌。這條指令其實(shí)是“LJMP  0000H”的機(jī)器碼。

  3、 非EPROM空間

  系統(tǒng)的程序空間是64K,正常情況下我們所使用的EPROM不會(huì)占用所有的空間,假設(shè)我們現(xiàn)在的EPROM占用16K的空間那么剩下的48K空間就被閑置不用了。當(dāng)亂飛的PC落入這些空間時(shí),讀入的數(shù)據(jù)將為FFH,這是 :MOV   R7,A  指令的機(jī)器碼,將修改R7的內(nèi)容。因此,當(dāng)程序亂飛入非EPROM芯片區(qū)后,不僅無(wú)法導(dǎo)入正規(guī),面且破壞了R7的內(nèi)容。

  我們知道,當(dāng)CPU讀程序存儲(chǔ)器的時(shí)候,伴隨著會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PSEN信號(hào),我們就可利用這個(gè)信號(hào),再加上一個(gè)非EPROM區(qū)的地址譯碼信號(hào),構(gòu)成一個(gè)選通信號(hào)來(lái)起動(dòng)一個(gè)空閑的中斷,再用軟件陷井的方法從中斷程序中把程序?qū)胝?guī)。我們可看下面的一個(gè)圖:

  INT0

  PSEN

  非EPROM地址選通信號(hào)

  我們也可通過(guò)硬件的方法用一個(gè)緩沖器直接給數(shù)據(jù)線寫一個(gè)值,其原理與上述方法相同。

    三、 軟件看門狗技術(shù)

  我們知道看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán),或者說(shuō)程序跑飛。硬件看門狗是利用了一個(gè)定時(shí)器,來(lái)監(jiān)控主程序的運(yùn)行,也就是說(shuō)在主程序的運(yùn)行過(guò)程中,我們要在定時(shí)時(shí)間到之前對(duì)定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位如果出現(xiàn)死循環(huán),或者說(shuō)PC指針不能回來(lái)。那么定時(shí)時(shí)間到后就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。

  軟件看門狗技術(shù)的原理和這差不多,只不過(guò)是用軟件的方法實(shí)現(xiàn),我們還是以51系列來(lái)講,我們知道在51單片機(jī)中有兩個(gè)定時(shí)器,我們就可以用這兩個(gè)定時(shí)器來(lái)對(duì)主程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。我們可以對(duì)T0設(shè)定一定的定時(shí)時(shí)間,當(dāng)產(chǎn)生定時(shí)中斷的時(shí)候?qū)σ粋€(gè)變量進(jìn)行賦值,而這個(gè)變量在主程序運(yùn)行的開(kāi)始已經(jīng)有了一個(gè)初值,在這里我們要設(shè)定的定時(shí)值要小于主程序的運(yùn)行時(shí)間,這樣在主程序的尾部對(duì)變量的值進(jìn)行判斷,如果值發(fā)生了預(yù)期的變化,就說(shuō)明T0中斷正常,如果沒(méi)有發(fā)生變化則使程序復(fù)位。

  對(duì)于T1我們用來(lái)監(jiān)控主程序的運(yùn)行,我們給T1設(shè)定一定的定時(shí)時(shí)間,在主程序中對(duì)其進(jìn)行復(fù)位,如果不能在一定的時(shí)間里對(duì)其進(jìn)行復(fù)位,T1 的定時(shí)中斷就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。在這里T1的定時(shí)時(shí)間要設(shè)的大于主程序的運(yùn)行時(shí)間,給主程序留有一定的的裕量。而T1的中斷正常與否我們?cè)儆蒚0定時(shí)中斷子程序來(lái)監(jiān)視。這樣就夠成了一個(gè)循環(huán),T0監(jiān)視T1,T1監(jiān)視主程序,主程序又來(lái)監(jiān)視T0,從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
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