兩種“軟件陷阱技術(shù)”的比較

       引 言

       單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾具體可分為軟件和硬件兩方面，其中，軟件抗干擾以其設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省硬件資源、降低成本等優(yōu)勢越來越得到廣泛采用。軟件抗干擾技術(shù)主要有“指令冗余技術(shù)”、“軟件陷阱技術(shù)”、“軟件看門狗技術(shù)”、“數(shù)字濾波技術(shù)”等。本文就軟件陷阱技術(shù)對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾的原理與具體實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行探討和研究，給出實(shí)現(xiàn)軟件陷阱技術(shù)的兩種形式，并將該技術(shù)成功地使用在多個(gè)實(shí)際的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 

       1 程序跑飛和軟件陷阱技術(shù)概述

        程序正常運(yùn)行時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC始終指向正在執(zhí)行的這條指令的下一條指令的第一個(gè)字節(jié)的程序存儲器單元地址，這樣就保證了單片機(jī)能夠正確地讀取每一條指令的各個(gè)字節(jié)，即CPU先讀取操作碼，再讀取操作數(shù)(如果有操作數(shù)字節(jié)的話)。在MCS-51系列單片機(jī)中，程序計(jì)數(shù)器PC的尋址范圍是0000H~FFFFH，共64 KB。用戶應(yīng)用程序中，根據(jù)系統(tǒng)要求，規(guī)定了程序運(yùn)行的惟一路徑。這體現(xiàn)在系統(tǒng)上電后，程序計(jì)數(shù)器PC有唯一的變化歷程，保證了程序正常、有序地運(yùn)行。程序跑飛是指系統(tǒng)受到某種干擾后，程序計(jì)數(shù)器PC的值偏離了給定的唯一變化歷程，導(dǎo)致程序運(yùn)行偏離正常的運(yùn)行路徑。程序跑飛因素及后果往往是不可預(yù)計(jì)的。

       在很多情況下，程序跑飛后系統(tǒng)會進(jìn)入死循環(huán)而導(dǎo)致死機(jī)。這時(shí)，應(yīng)采取有效措施引導(dǎo)跑飛的程序盡快退出死循環(huán)并迅速復(fù)位。實(shí)踐證明，軟件陷阱技術(shù)能有效引導(dǎo)跑飛的程序盡快退出死循環(huán)并迅速復(fù)位。

       2 兩種軟件陷阱技術(shù)的比較分析

        當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的CPU受到干擾時(shí)，不良影響的主要形式有：①非正常修改程序計(jì)數(shù)器PC指針；②改寫可編程輸出端口的狀態(tài)；③非正常修改重要數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)。以上三個(gè)方面的不良影響會使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序失控，控制狀態(tài)失靈，其后果是非常嚴(yán)重的，它甚至?xí)瓜到y(tǒng)崩潰，造成嚴(yán)重的工業(yè)事故。以上幾個(gè)方面的不良影響可以使用軟件陷阱技術(shù)加以解決?，F(xiàn)將這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法歸納總結(jié)為兩種。

        2.1 軟件陷阱技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式之一

        單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的用戶應(yīng)用程序一般由循環(huán)結(jié)構(gòu)的主程序和中斷服務(wù)子程序組成，主程序的結(jié)構(gòu)如圖1所示。將下面的軟件陷阱程序段插入到用戶應(yīng)用程序中(如何插入的問題將在下面的第3點(diǎn)中詳細(xì)討論)，即在用戶應(yīng)用程序存儲器不用區(qū)域?qū)懭氪a“OO00020000H”。 

 

    NOP
    NOP
    LJMP O000H {{分頁}}

        當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作正常時(shí)，單片機(jī)的CPU不會執(zhí)行軟件陷阱程序段；但是，當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)受到干擾而程序跑飛后，由于程序計(jì)數(shù)器PC值錯(cuò)誤，破壞了正常的指令格式，導(dǎo)致執(zhí)行非正常指令，從而執(zhí)行軟件陷阱程序段，落入軟件陷阱，將跑飛的程序引導(dǎo)到復(fù)位入口地址0000H。軟件陷阱程序段中的連續(xù)2條NOP指令是為了增強(qiáng)“LJMP 0000H”被捕獲的能力，即“IJMP0000H”不會被沖散，當(dāng)程序跑飛后會得到完整地執(zhí)行，從而使跑飛的程序納入正常軌道。

        2.2 軟件陷阱技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式之二

        雖然上述的軟件陷阱技術(shù)能實(shí)現(xiàn)可靠回復(fù)功能，但是有兩個(gè)方面的嚴(yán)重隱患。第一，隱患主要是在對中斷的處理上：首先，程序跑飛很可能是發(fā)生在中斷服務(wù)子程序中，其次，一些未使用的中斷很可能因?yàn)槌绦蚺茱w而被錯(cuò)誤地激活，而這時(shí)只是簡單地讓跑飛的程序從頭開始運(yùn)行，就不能關(guān)閉已激活的中斷，這樣，單片機(jī)的中斷系統(tǒng)會認(rèn)為程序仍在處理中斷，就不會再響應(yīng)同級中斷。第二，大部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在上電復(fù)位初始化后，不希望在程序跑飛而用軟件陷阱回復(fù)后又重新初始化。

        為了解決第一個(gè)隱患，當(dāng)程序跑飛時(shí)，一定要想辦法關(guān)閉可能發(fā)生的中斷，然后再執(zhí)行用戶應(yīng)用程序。大家知道，當(dāng)CPU進(jìn)入中斷后，就只能用RETI指令關(guān)閉中斷．解決第一個(gè)隱患的具體方法是，改變軟件陷阱程序段：當(dāng)程序跑飛后，將跑飛的程序引到0202H處，然后在0202H處完成關(guān)閉中斷的工作，即在用戶應(yīng)用程序存儲器不用區(qū)域?qū)懭氪a“0000020202H”。需要注意的是，程序存儲器不用區(qū)域的最后兩個(gè)存儲單元，一定要分別寫入代碼“00H”。

    NOP
    NOP
    LJMP 0202H ；前面的連續(xù)2條NOP指令是為了  
               ；增強(qiáng)“LJMP 0202H”被捕獲的能力
    而在0202H開始的程序存儲器單元進(jìn)行如下的編程：
    ORG 0202H
    MOVDPTR，#ERRl
    PUSH DPL
    PUSH DPH
    RETI ；關(guān)閉第1級中斷，并跳轉(zhuǎn)到ERRl處
    ERRl： CLR A
    PUSH ACC
    PUSH ACC
    RETI ；關(guān)閉第2級中斷，軟件回復(fù)到0000H處

        這樣，就保證了無論在什么情況下，都可以關(guān)閉2級中斷。當(dāng)然，如果沒有中斷被激活時(shí)運(yùn)行了這段程序，也不會有什么不良影響。

       為了解決第二個(gè)隱患，可以在系統(tǒng)主程序入口處加一個(gè)軟件開關(guān)來判別是上電復(fù)位直接進(jìn)入0000H的，還是經(jīng)過軟件陷阱回復(fù)而進(jìn)入0000H的，根據(jù)不同的判別結(jié)果執(zhí)行不同的程序。 

       單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)上電時(shí)，上電復(fù)位電路會使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)。這一般稱為冷啟動。

       但是，軟件陷阱技術(shù)使跑飛的程序回復(fù)到主程序入口地址0000H時(shí)，不影響特殊功能寄存器SFR的有效位。解決第二個(gè)隱患的具體方法是，設(shè)置上電復(fù)位標(biāo)志。例如，以PSW．5作為上電標(biāo)志位，當(dāng)PSW.5=0時(shí)，表示是上電復(fù)位；當(dāng)PSW.5=l時(shí)，表示是軟件陷阱回復(fù)。圖2是上電復(fù)位與程序跑飛后軟件陷阱回復(fù)初始化處理框圖。0000H是MCU的復(fù)位入口，程序啟動后，首先判斷是上電復(fù)位，還是程序跑飛后軟件陷阱回復(fù)。上電復(fù)位是開機(jī)操作，要建立上電標(biāo)志，并進(jìn)行系統(tǒng)的完全初始化。程序跑飛后軟件陷阱回復(fù)應(yīng)該進(jìn)行相關(guān)資源的檢查與修復(fù)，以防止系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)。另外，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，需要保留一些過程數(shù)據(jù)，不得進(jìn)行完全初始化。 

   {{分頁}}

       為了解決上述兩個(gè)隱患，有如下具體編程。其中，START0為系統(tǒng)上電復(fù)位完全初始化于程序入口，ER-ROR為程序跑飛后軟件陷阱回復(fù)應(yīng)進(jìn)行的系統(tǒng)部分初始化和相關(guān)資源的檢查與修復(fù)程序入口，LOOP是用戶應(yīng)用程序功能模塊入口。

    ORG0000H
    LJMP START
    ORG 0100H
    START： MOV C，PSW．5
    JC ERROR
    SETB C
    MOV PSW.5，C
    LCALL STARTO
    LJMP LOOP
    ERROR： ……
    L00P： …… ；應(yīng)用程序功能模塊
    LJMP LOOP
    ORG 0200H
    NOP
    NOP
    MOV DPTR，#ERRl
    PUSH DPL
    PUSH DPH
    RETl ；關(guān)閉第1級中斷，并跳轉(zhuǎn)到ERRl處
    CRRl： CLR A
    PUSH ACC
    PUSH ACC
    RETI ；關(guān)閉第2級中斷，軟件回復(fù)到0000H處

      3 軟件陷阱在用戶應(yīng)用程序中的安排位置

       軟件陷阱程序段可以插入到主程序中或者中斷服務(wù)子程序中。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，對軟件陷阱程序段的位置安排可以有5種方式。

       (1)在主程序的應(yīng)用功能模塊之間

       在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，將軟件陷阱程序段分散地放在各應(yīng)用功能模塊之間空余的程序存儲器單元里。當(dāng)用戶應(yīng)用程序正常運(yùn)行時(shí)，這些軟件陷阱程序段并不會執(zhí)行，但是，當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的CPU受干擾而使程序失控時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC指針一旦落入這些陷阱區(qū)，就可以馬上將跑飛的程序拉回到正確的軌道。這種方法的確很有效。軟件陷阱的多少一般依據(jù)用戶應(yīng)用程序大小而定，一般1KB的用戶應(yīng)用程序有2~3個(gè)軟件陷阱就可以了，具體方法如下：

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