80c51的三種非常規(guī)的復(fù)位技術(shù)

1、標(biāo)準(zhǔn)80c51片內(nèi)現(xiàn)有的復(fù)位邏輯比較簡單，只冇通過一條復(fù)位引腳rst進(jìn)行外部擴(kuò)展。技術(shù)手冊屮給出了 上電復(fù)位(por, power on reset)和人工復(fù)位(mrst, manual reset)電路的接線方法；借助于一只專用外 圍芯片，女iimax813l或ds1323等，來擴(kuò)充欠壓復(fù)位(lvr, low voltage resei)和看門狗復(fù)位(wdr, watch dog timer reset)也有文章介紹。本文將介紹三種非常規(guī)擴(kuò)展復(fù)位方式：軟件復(fù)位(swr, software reset) 軟便件復(fù)位(shr, software and hardware reset)和非法地址復(fù)

2、位(iar, illegal address reset)。軟件陷阱技術(shù)及其改良方法軟件陷阱(software trap)是-種捕捉程序“跑飛”的編程方法。通?？梢栽诔绦蛑性O(shè)置軟件陷阱，引導(dǎo)程序 失控的單片機(jī)跳轉(zhuǎn)到一個(gè)指定的地址去執(zhí)行，最終i川復(fù)到正常軌道上來。軟件陷阱可以設(shè)置在用戶程序的 空隙處或者轉(zhuǎn)移指令之后，還可以利用一系列的陷阱指令來填充程序存儲(chǔ)器的空口區(qū)。實(shí)現(xiàn)軟件陷阱功能 的指令是一個(gè)“5字節(jié)指令串”，通常包含2條單字節(jié)nop指令和1條3字節(jié)跳轉(zhuǎn)指令。nop :利用空操作指令nop ；來增加捕捉有效性ljmp swrst；無條件跳轉(zhuǎn)到指定地址去其屮“swrst”可以是一段“軟件復(fù)位程

3、序”的入口地址標(biāo)號，也可以是復(fù)位矢量“0000h”，即主程序入口地 址。如果swrst等于復(fù)位矢® 0000h,則會(huì)把捕捉到的跑e程序引導(dǎo)到初始化程序入口地址去執(zhí)行，從而達(dá) 到冋復(fù)到正常軌道的h的。這種處理方法只適合中斷功能沒有被啟用的場合。可以設(shè)想，假如是在(低級 或高級)小斷服務(wù)程序屮跑飛的，這時(shí)即使把程序拉回到起點(diǎn)，而小斷激活觸發(fā)器不能夠被清除，會(huì)影響 以后的屮斷請求無法被cpu響應(yīng)。如果swrst等于“軟件復(fù)位程序”的入口地址，則會(huì)引發(fā)一次“軟件復(fù)位"。關(guān)于軟件復(fù)位程序的設(shè)計(jì)方法, 隨后介紹。總乙這種方法的指導(dǎo)思想是指，把未使川的rom空間用跳轉(zhuǎn)引導(dǎo)指令填滿，作為軟

4、件“陷阱”，以捕獲“飛 抻”的程序，并強(qiáng)行將捕獲到的跑飛程序引向一個(gè)特定的地址，在那里由一段專門處理錯(cuò)謀的程序進(jìn)行處理, 以恢復(fù)系統(tǒng)的止常運(yùn)行。為提高跑0程序的捕獲率，通簾述要在引導(dǎo)指令之前放趕上兒條空操作指令nop。 理山是，8()51的指令編碼采用的是不等長方式，長度分別為13字節(jié)，而程序跑e又是通過非法隨機(jī)改 變pc值形成的。假若跑飛后的pc值落到3字節(jié)指令ljmp的中間，就會(huì)把操作數(shù)當(dāng)作操作碼來執(zhí)行，將 會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。為了提高捕捉的有效性，就在ljmp指令之前至少填充2條單字節(jié)的nop指令。如果把“5字節(jié)抬令串”改換成如下作者新設(shè)計(jì)的“4字節(jié)指令串”，陷阱指令將會(huì)更加有效。理由

5、是，該指令 對應(yīng)的h標(biāo)碼為“00 2()0()2()h",這段碼無論匝復(fù)多少次都是等同的。另外，應(yīng)該在程序存儲(chǔ)器0020h開始 的3字節(jié)中再放置一條跳轉(zhuǎn)到“軟件復(fù)位程序”真正入口的小轉(zhuǎn)指令ljmp swrst。經(jīng)過核查，0020h 0022h字節(jié)恰好位于定時(shí)器t1中斷矢量區(qū)尾部和串口中斷矢量之前。swrsto equ 0020h；定義“軟件復(fù)位程序”的間接入口地址為“0020h”nop ；填充一條單字節(jié)的空操作指令，機(jī)器碼是“00h”ljmp swrsto ；無條件跳轉(zhuǎn)到指定地址去。對應(yīng)的機(jī)器碼是“20 00 20h”軟件復(fù)位技術(shù)軟件復(fù)位是一種新技術(shù)，h前有越來越多的新型單片機(jī)配備了

6、該功能。例如philips公司的p87lpc700利 p89lpc9oo系列、ti- bb公司的msc12oo系列和sunplus公司的spmc65系列等,內(nèi)部都設(shè)計(jì)了專門用 于實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位的控制寄存器或者控制位。軟件復(fù)位是在利用軟件陷阱技術(shù)或軟件看門狗技術(shù)時(shí)，必霸配套實(shí)施的一項(xiàng)后續(xù)處理工作。所謂“軟件復(fù)位” 是一種由用戶軟件控制的復(fù)位活動(dòng)，就是利用一系列指令來模擬硬件復(fù)位所實(shí)現(xiàn)的各種操作內(nèi)容，并且重 新從頭開始執(zhí)行用戶程序。其中的操作內(nèi)容應(yīng)該包含：(1)對于標(biāo)準(zhǔn)8oc51的21個(gè)特殊功能寄存器sfr的復(fù)位操作，利用mov指 令很容易實(shí)現(xiàn)。全部復(fù)位可能不是必需的，只管那些在用戶程序中川到的sf

7、r即可，可以由用戶口己定制。2)對于無統(tǒng)一編址的程序計(jì)時(shí)器pc的復(fù)位，利用一條跳轉(zhuǎn)指令即可。(3)中斷激活觸發(fā)器的復(fù)位既容 易被人們忽略，也不容易實(shí)現(xiàn)。理由是它們對于用戶程序是不可見的，無法直接讀寫其內(nèi)容。冇的編程人 員采用ljmp o(x)()h (機(jī)器碼為20 ()0 00h)作為軟件陷阱，認(rèn)為直接跳轉(zhuǎn)到復(fù)位欠量就完成了軟件復(fù)位， 就是這類失謀案例的典型代衣。淸除中斷激活觸發(fā)器有何必耍呢？程序的跑飛是隨機(jī)發(fā)牛的，其起飛點(diǎn)完全可能發(fā)牛在低級或高級中斷服 務(wù)了程序中，這時(shí)的中斷激活觸發(fā)器已經(jīng)被宣位。如果在程序冋復(fù)z后沒冇及時(shí)清除它們，將阻止以后出 現(xiàn)的所冇的同級或低級屮斷請求。標(biāo)準(zhǔn)80c51片

8、內(nèi)現(xiàn)冇的復(fù)位邏輯比較簡單，只冇通過一條復(fù)位引腳rst進(jìn)行外部擴(kuò)展。技術(shù)手冊小給出了 上電復(fù)位(por, power on reset)和人匸復(fù)位(mrst, manual reset)電路的接線方法；借助于只專用夕卜 圍芯片,如max813l或ds1323等，來擴(kuò)充欠壓復(fù)位(lvr, low voltage reset)和看門狗復(fù)位(wdr, watch dog timer reset)也有文章介紹。木文將介紹三種非常規(guī)擴(kuò)展復(fù)位方式：軟件復(fù)位(swr, software reset) 軟便件復(fù)位(shr, software and hardware reset)和菲法地址復(fù)位(iar, ill

9、egal address reset)。軟件陷阱技術(shù)及其改艮方法軟件陷阱(software trap)是一種捕捉程序“跑飛”的編程方法。通?？梢栽诔绦蛑性O(shè)置軟件陷阱，引導(dǎo)程序 失控的單片機(jī)跳轉(zhuǎn)到一個(gè)指定的地址去執(zhí)行，最終回復(fù)到正常軌道上來。軟件陷俳可以設(shè)置在川戶程序的 空隙處或者轉(zhuǎn)移指令z后，還可以利用一系列的陷阱指令來填充程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)。實(shí)現(xiàn)軟件陷阱功能 的指令是一個(gè)“5字節(jié)指令串”，通常包含2條單字節(jié)nop指令和1條3字節(jié)跳轉(zhuǎn)指令。nop ；利用空操作指令nop :來增加捕捉有效性ljmp swrst；無條件跳轉(zhuǎn)到指定地址去其中“swrst”可以是一段“軟件復(fù)位程序”的入口地址標(biāo)號，也

10、可以是復(fù)位欠量“0000h”，即主程序入口地 址。如果swrst等丁復(fù)位矢雖:0000h,則會(huì)把捕捉到的跑飛程序引導(dǎo)到初始化程序入口地址去執(zhí)行，從而達(dá) 到回復(fù)到正常軌道的目的。這種處理方法只適合屮斷功能沒冇被啟用的場合?？梢栽O(shè)想，假如是在(低級 或高級)中斷服務(wù)程序中跑e的，這時(shí)即使把程序拉冋到起點(diǎn)，而中斷激活觸發(fā)器不能夠被清除，會(huì)影響 以后的屮斷請求無法被cpu響應(yīng)。如果swrst等丁“軟件復(fù)位程序”的入口地址，則會(huì)引發(fā)一次歌件復(fù)位”。關(guān)丁軟件復(fù)位程序的設(shè)計(jì)方法, 隨后介紹。 總z,這種方法的指導(dǎo)思想是指，把未使用的rom空間用跳轉(zhuǎn)引導(dǎo)指令填滿，作為軟件“陷阱”，以捕獲“飛 掉”的程序，并強(qiáng)

11、行將捕獲到的跑飛程序引向一個(gè)特定的地址，在那里由一段專門處理錯(cuò)謀的程序進(jìn)行處理, 以恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為提高跑飛程序的捕獲率，通常述要在引導(dǎo)指令z前放置上幾條空操作指令nop。 理止i是，8051的指令編碼采用的是不等長方式，長度分別為13字節(jié)，而程序跑e乂是通過非法隨機(jī)改 變pc值形成的。假若跑飛后的pc值落到3字節(jié)指令ljmp的中間，就會(huì)把操作數(shù)當(dāng)作操作碼來執(zhí)行，將 會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。為了提高捕提的有效性，就在ljmp指令z前至少填充2條單字節(jié)的nop指令。如果把“5字節(jié)指令串”改換成如下作者新設(shè)計(jì)的“4字節(jié)指令串”，陷阱指令將會(huì)更加有效。理山是，該指令 對應(yīng)的ii標(biāo)碼為“00 20

12、0020h”，這段碼無論巫復(fù)多少次都是等同的。另外，應(yīng)該在程序存儲(chǔ)器0020h開始 的3字節(jié)中再放置一條跳轉(zhuǎn)到“軟件復(fù)位程序”真正入口的屮轉(zhuǎn)指令ljmp swrsto經(jīng)過核査，0020h 0022h字節(jié)恰好位于定時(shí)器t1中斷矢量區(qū)尾部和串口中斷矢量z前。swrsto equ 0020h；定義漱件復(fù)位程序”的間接入口地址為“0020h”nop :填充一條單字節(jié)的空操作指令，機(jī)器碼是“00h”ljmp swrsto ；無條件跳轉(zhuǎn)到指定地址去。對應(yīng)的機(jī)器碼是“20 00 20h"軟件復(fù)位技術(shù)軟件復(fù)位是一種新技術(shù)，目前冇越來越多的新型單片機(jī)配備了該功能。例如philips公司的p87lpc7

13、00和 p89lpc900系列、ti- bb公司的msc1200系列和sunplus公司的spmc65系列等,內(nèi)部都設(shè)計(jì)了專門用 于實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位的控制寄存器或者控制位。軟件復(fù)位是在利用軟件陷阱技術(shù)或軟件看門狗技術(shù)時(shí)，必需配套實(shí)施的一項(xiàng)后續(xù)處理工作。所謂“軟件復(fù)位” 是一種由用戶軟件控制的復(fù)位活動(dòng)，就是利用一系列指令來模擬硬件復(fù)位所實(shí)現(xiàn)的各種操作內(nèi)容，并且重 新從頭開始執(zhí)行用戶程序。其中的操作內(nèi)容應(yīng)該包含：（1）對于標(biāo)準(zhǔn)80c51的21個(gè)特殊功能寄存器sfr的復(fù)位操作，利用mov指 令很容易實(shí)現(xiàn)。全部復(fù)位可能不是必需的，只管那些在用戶程序中用到的sfr即可，可以由用戶自己定制。2）對于無統(tǒng)-編址

14、的程序計(jì)時(shí)器pc的復(fù)位，利用一條跳轉(zhuǎn)指令即可。（3）中斷激活觸發(fā)器的復(fù)位既容 易被人們忽略，也不容易實(shí)現(xiàn)。理山是它們對于用戶程序是不可見的，無法直接讀寫其內(nèi)容。有的編程人 員采川ump0000h （機(jī)器碼為20 00 00h）作為軟件陷阱，認(rèn)為直接跳轉(zhuǎn)到復(fù)位矢量就完成了軟件復(fù)位，就是這類失誤案例的典烈代表。 淸除中斷激活觸發(fā)器冇何必要呢？程序的跑飛是隨機(jī)發(fā)生的，其起飛點(diǎn)完全可能發(fā)生在低級或鬲級中斷服 務(wù)子程序中，這時(shí)的中斷激活他發(fā)器已經(jīng)被置位。如果在程序回復(fù)之后沒有及時(shí)清除它們，將阻上以后出 現(xiàn)的所冇的同級或低級11 斷請求。圖1中斷激活觸發(fā)器示意圖中斷激活觸發(fā)器包含筒權(quán)組和低權(quán)組兩個(gè)觸發(fā)器，

15、電路組成如圖1所示，該圖是根抓作者的理解和經(jīng)驗(yàn)繪 制的。電路中包括1個(gè)邏輯或門g1、兩個(gè)s-r觸發(fā)器ff1和ff2。當(dāng)cpu響應(yīng)低級中斷請求之后,ff1 被置位，其q = 0,封鎖“低權(quán)組”不再受理新的低級中斷請求；當(dāng)cpu響應(yīng)高級中斷請求z后，因?yàn)間1 的作用而使ff1和ff2同時(shí)被置位,ff1的q = 0封鎖“低權(quán)組”,ff2的q = 0封鎖“高權(quán)組”,不再受理新 的高級和低級中斷請求。如何設(shè)計(jì)“軟件復(fù)位程序”呢？其編寫方法如下。swrst：；定義軟件復(fù)位程序的實(shí)際入口地址clr ea ；首先關(guān)閉中斷源總使能位setb f0 ；設(shè)置一個(gè)軟件復(fù)位標(biāo)志位mov po, #0ffh ；設(shè)定通用端

16、口 p0為高阻輸入狀態(tài)mov pl, #0ffh :設(shè)定通用端口 p1為髙阻輸入狀態(tài)mov p2, #0ffh ；設(shè)定通用端口 p2為高阻輸入狀態(tài)mov p3, #()ffh ；設(shè)定通用端口 p3為高阻輸入狀態(tài)mov psw, #00h ；設(shè)定程序狀態(tài)字寄存器為原始值；(據(jù)實(shí)際需要還可初始化其他sfr)mov dptr, #swr0 :為reti準(zhǔn)備彈出地址，而乂不想改變執(zhí)行順序push dpl ；壓棧低字節(jié)，在先push dph ；壓棧高字節(jié)，在后reti ；中斷返回指令,清除高級中斷激活觸發(fā)器swro： clr a ；準(zhǔn)備復(fù)位地址push acc ；壓棧低字節(jié)()()hpush acc ；

17、壓棧高字節(jié)oohreti ；淸除低級中斷激活觸發(fā)器，并跳到0000h以下幾點(diǎn)需要說明：（1）首先關(guān)閉總的中斷使能位，以確保軟件復(fù)位過程順利完成；（2）其中的核心指 令是中斷返i川指令reti, w為在整個(gè)指令集中只有該指令能夠淸除中斷激活觸發(fā)器；（3）末尾ret1指 令的作用還代替了一條3字節(jié)的“l(fā)jmp 0000h-指令；（4）山軟件陷阱捕獲的跑飛程序并不一定同時(shí)置位 了所冇兩個(gè)中斷激活觸發(fā)器，但是該程序仍然適用，并且也沒有任何負(fù)浙彩響；（5）軟件復(fù)位標(biāo)志這里利 用了 psw屮的一個(gè)通用位f0,也可以利用fl、gfo、gf1以及ram字節(jié)單元或位單元等；（6）軟件復(fù) 位是-種不外擴(kuò)任何硬件電

18、路、不導(dǎo)致單片機(jī)發(fā)生狀態(tài)遷移、純軟件的復(fù)位方法。軟硬件復(fù)位技術(shù)軟硬件復(fù)位是軟件復(fù)位功能的一種延伸，也是單片機(jī)的一種自主復(fù)位方式，既具有軟件復(fù)位的特點(diǎn)（可以 由編程人員按需要來啟用），乂具冇碩件復(fù)位的特點(diǎn)（能夠?qū)崿F(xiàn)碩件復(fù)位的全部操作內(nèi)容）。這種復(fù)位方 式是木文作者自行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和命名的。（a）分立件電路方式（b） 1c電路方式在上述軟件復(fù)位的基礎(chǔ)上很容易實(shí)現(xiàn)這里所說的軟硬件復(fù)位方式，不過需要外擴(kuò)一定的硬件電路的支持。 圖2是兩種配合軟硬件復(fù)位的外擴(kuò)電路。其中，圖2 （a）電路是在普通復(fù)位電路的基礎(chǔ)上，添加1只三 極管q1和3只阻容元件而成的，并且其導(dǎo)通與截止由一條并口引腳控制，如p1.0。平時(shí)p

19、1.0維持高電平, q1截止；當(dāng)內(nèi)部軟件需要實(shí)施該復(fù)位時(shí)，從p1.0腳輸出低電平，q1導(dǎo)通把rst腳拉高，強(qiáng)行復(fù)位單片機(jī)。這里r3、r4和c2起著延時(shí)和限流的雙重作用。圖2 （b）電路是在max812m對接80c51電路基礎(chǔ)上添 加一條連線而成的，其工作原理與上類似。該連線把max812m的人工復(fù)位輸入腳mr和一條通用i/o腳（如p1.0）連接起來即町。如何設(shè)計(jì)“軟硬件復(fù)位程序”呢？其編寫方法如下。shrst：；定義軟碩件復(fù)位程序的入口地址setf1 ；設(shè)置一個(gè)軟件復(fù)位標(biāo)志位clrp1.0 :從p1.0輸出低電平,開始實(shí)施軟硬件復(fù)位orl pcon, #02h；置位pd,令單片機(jī)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，

20、即pd模式；經(jīng)過延時(shí)后rst被拉高，迫使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài);在復(fù)位操作完成并且喚醒單片機(jī)z后，將重新從0000h開始執(zhí)行用戶程序以下兒點(diǎn)需要說明：（1）如果利用這里的“軟碩件復(fù)位程序'代替前面的“軟件復(fù)位程序”，可以簡化用戶程 序并且復(fù)位進(jìn)行得徹底，但是需要增加一些硬件，并且也把可以定制的復(fù)位操作給轉(zhuǎn)化成了固定的復(fù)位操 作。（2）在圖2所示的軟硬件復(fù)位的支撐電路，除了可以提供復(fù)位信號給單片機(jī)，還冇一個(gè)很大的好處， 就是可以為其他外圍電路捉供復(fù)位信號，這彌補(bǔ)了傳統(tǒng)80c51的一個(gè)欠缺。標(biāo)準(zhǔn)8oc51的復(fù)位引腳rst是只能輸入的單向結(jié)構(gòu),不能山單片機(jī)主動(dòng)地為外圍芯片提供同步的復(fù)位信號; 而

21、mc68hc05和mc68hc08系列、st公司的st7系列，以及許多新款51兼容單片機(jī)都把rst引腳設(shè)計(jì) 為可輸入/輸出的雙向結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部看門狗溢出復(fù)位的同時(shí)，也從rst輸出一個(gè)高電平脈沖，控制其他外用 芯片與單片機(jī)進(jìn)行同步復(fù)位操作。例如，atmel公司的at89s51/52、t89c51rd2、at89c51rc等型號 和philips公司的p89c51rc、p89c51ra2/rb2/rd2等型號，它們都帶冇內(nèi)部看門狗。非法地址復(fù)位技術(shù)一般來說,非法地址復(fù)位是指由于意外原因?qū)е鲁绦蛴?jì)時(shí)器pc內(nèi)容被破壞,而迫使cpu試圖到一個(gè)非法 地址去抓取指令代碼來執(zhí)行，就強(qiáng)迫單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作。由于5

22、1系列單片機(jī)的碩件結(jié)構(gòu)采用的是“哈佛架構(gòu)”，其程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)截然分開、獨(dú)立編址，不存在cpu 到ram區(qū)抓取指令的可能性，因此這極大地降低了非法尋址的概率。但是這并不能徹底杜絕菲法尋址的 可能性，尤其是對于哪些實(shí)際配備rom容屋遠(yuǎn)小于64kb的情況。這時(shí)就可以狹義地定義非法地址是pc 值超出rom實(shí)際容鼠的地址編碼。（a） ic電路直接復(fù)位方式(b)先中斷后復(fù)位方式圖3是兩種實(shí)現(xiàn)非法地址復(fù)位的支撐電路。其屮，圖3(a)電路是在圖2(b)的基礎(chǔ)上改變一條連線而成的。 該連線一端連接psen信號引腳，該引腳專門用來捉供選通外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器rom的片選信號；另一端連 接max812m的人丁復(fù)位輸入腳mro平時(shí)psen引腳一直維持在窩電平上；只有當(dāng)cpu試圖非法到外部 rom抓取指令時(shí)，psen引腳才會(huì)送出低電平脈沖，就是巧妙地利用該脈沖作為復(fù)位信號源，來強(qiáng)迫單片 機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作。圖3 (b)電路可以看作是在圖2 (b)基礎(chǔ)上改變添加一條連線而成的。該連線把psen 信號引腳和一條外部中斷源引腳into連接起來，并設(shè)定into為下降沿觸發(fā)和高級中斷源。當(dāng)出現(xiàn)菲法 地址時(shí),psen引腳上的低電平脈沖經(jīng)過into向cpu請求中斷;在cpu響應(yīng)該中斷之后可以設(shè)置標(biāo)志, 然后實(shí)施軟件復(fù)位或者軟硬件復(fù)位。