探索80C51的三种非常规的复位技术

来源：网络 时间：2022-03-19

标准80C51片内现有的复位逻辑比较简单,只有通过一条复位引脚RST进行外部扩展。技术手册中给出了上电复位(POR,power on reset)和人工复位(MRST,manual reset)电路的接线方法,借助于一只专用外围芯片,如MAX813L或DSl323等,来扩充欠压复位(LVR,low voltage reset)和看门狗复位(WDR,watch dog timerreset)也有文章介绍。
本文将介绍三种非常规扩展复位方式软件复位(SWR,software reset)、软硬件复位(SHR,software andhardware reset)和非法地址复位(IAR,illegal address reset)。

软件陷阱技术及其改良方法

软件陷阱(software trap)是一种捕捉程序“跑飞”的编程方法。通常可以在程序中设置软件陷阱,引导程序失控的单片机跳转到一个指定的地址去执行,最终回复到正常轨道上来。软件陷阱可以设置在用户程序的空隙处或者转移指令之后,还可以利用一系列的陷阱指令来填充程序存储器的空白区。实现软件陷阱功能的指令是一个“5字节指令串”,通常包含2条单字节NOP指令和1条3字节跳转指令。
NOP ;利用空操作指令
NOP ;来增加捕捉有效性
LJMP SWRST;无条件跳转到指定地址去
其中“SWRST”可以是一段“软件复位程序”的入口地址标号,也可以是复位矢量“0000H”,即主程序入口地址。
如果S W R S T等于复位矢量0000H,则会把捕捉到的跑飞程序引导到初始化程序入口地址去执行,从而达到回复到正常轨道的目的。这种处理方法只适合中断功能没有被启用的场合。可以设想,假如是在(低级或高级)中断服务程序中跑飞的,这时即使把程序拉回到起点,而中断激活触发器不能够被清除,会影响以后的中断请求无法被CPU响应。
如果SWRST等于“软件复位程序”的入口地址,则会引发一次“软件复位”。关于软件复位程序的设计方法,随后介绍。
总之,这种方法的指导思想是指,把未使用的ROM空间用跳转引导指令填满,作为软件“陷阱”,以捕获“飞掉”的程序,并强行将捕获到的跑飞程序引向一个特定的地址,在那里由一段专门处理错误的程序进行处理,以恢复系统的正常运行。为提高跑飞程序的捕获率,通常还要在引导指令之前放置上几条空操作指令NOP。理由是,8051的指令编码采用的是不等长方式,长度分别为1～3字节,而程序跑飞又是通过非法随机改变PC值形成的。假若跑飞后的PC值落到3字节指令LJMP的中间,就会把操作数当作操作码来执行,将会产生不可预知的结果。为了提高捕捉的有效性,就在LJMP指令之前至少填充2条单字节的NOP指令。
如果把“5字节指令串”改换成如下作者新设计的“4字节指令串”,陷阱指令将会更加有效。理由是,该指令对应的目标码为“00 20 00 20H”,这段码无论重复多少次都是等同的。另外,应该在程序存储器0020H开始的3字节中再放置一条跳转到“软件复位程序”真正入口的中转指令LJMP SWRST。经过核查,-0020H～0022H字节恰好位于定时器T1中断矢量区尾部和串口中断矢量之前。
SWRST0 EQU 0020H:定义“软件复位程序”的间接入口地址为“0020H”
NOP ;填充一条单字节的空操作指令,机器码是“00H”
LJMP SWRST0 ;无条件跳转到指定地址去。对应的机器码是“20 00 20H”

软件复位技术

软件复位是一种新技术,目前有越来越多的新型单片机配备了该功能。例如Philips公司的P 87LPC 700和P89LPC900系列、TI—BB公司的MSCl 200系列和SunPlus公司的SPMC65系列等,内部都设计了专门用于实现软件复位的控制寄存器或者控制位。
软件复位是在利用软件陷阱技术或软件看门狗技术时,必需配套实施的一项后续处理工作。所谓“软件复位”是一种由用户软件控制的复位活动,就是利用一系列指令来模拟硬件复位所实现的各种操作内容,并且重新从头开始执行用户程序。
其中的操作内容应该包含:(1)对于标准80C51的21个特殊功能寄存器SFR的复位操作,利用MOV指令很容易实现。全部复位可能不是必需的,只管那些在用户程序中用到的SFR即可,可以由用户自己定制。(2)对于无统一编址的程序计时器PC的复位,利用一条跳转指令即可。(3)中断激活触发器的复位既容易被人们忽略,也不容易实现。理由是它们对于用户程序是不可见的,无法直接读写其内容。有的编程人员采用LJMP 0000H(机器码为20 0000H)作为软件陷阱,认为直接跳转到复位矢量就完成了软件复位,就是这类失误案例的典型代表。
清除中断激活触发器有何必要呢?程序的跑飞是随机发生的,其起飞点完全可能发生在低级或高级中断服务子程序中,这时的中断激活触发器已经被置位。如果在程序回复之后没有及时清除它们,将阻止以后出现的所有的同级或低级中断请求。
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中断激活触发器包含高权组和低权组两个触发器,电路组成如图1所示,该图是根据作者的理解和经验绘制的。电路中包括1个逻辑或门G1、两个S-R触发器FFl和FF2。当CPU响应低级中断请求之后,FFl被置位,其Q=0,封锁“低权组”不再受理新的低级中断请求;当CPU响应高级中断请求之后,因为G1的作用而使FFl和FF2同时被置位,FFI的Q=0封锁“低权组”,FF2的Q;0封锁“高权组”,不再受理新的高级和低级中断请求。
如何设计“软件复位程序”呢?其编写方法如下。
SWRST: ;定义软件复位程序的实际入口地址
CLR EA ;首先关闭中断源总使能位
SETB FO ;设置一个软件复位标志位
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MOV PO,#0FFH;设定通用端口PO为高阻输入状态
MOV P1,#0FFH;设定通用端口P1为高阻输入状态
MOV P2,#0FFH;设定通用端口P2为高阻输入状态
MOV P3,#0FFH, 设定通用端口P3为高阻输入状态
MOV PSW,#00H;设定程序状态字寄存器为原始值
……

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