《新編單片機(jī)原理與應(yīng)用》課件第7章

第7章單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)7.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程概述7.2總體設(shè)計7.3硬件設(shè)計7.4軟件設(shè)計7.5軟件可靠性設(shè)計7.6系統(tǒng)調(diào)試與單片機(jī)開發(fā)工具由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)種類繁多，技術(shù)要求及指標(biāo)各不相同，因此設(shè)計方案、設(shè)計步驟、開發(fā)過程不完全相同，但也存在著一些共性問題。本章針對大多數(shù)應(yīng)用場合，介紹單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般開發(fā)過程和硬件/軟件設(shè)計基本方法。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件電路以MCU芯片為核心，包括了擴(kuò)展存儲器、輸入/輸出接口電路及設(shè)備；軟件部分包括了監(jiān)控程序和各種應(yīng)用程序(可統(tǒng)稱為控制程序)。硬件電路和控制程序只有密切配合、協(xié)調(diào)一致，才能組成一個高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。7.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程概述在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，軟硬件的功能總是在不斷地調(diào)整，以相互適應(yīng)。硬件設(shè)計和軟件設(shè)計不能截然分開，硬件設(shè)計時應(yīng)考慮系統(tǒng)資源及軟件實現(xiàn)方法，而軟件設(shè)計時又必須了解硬件的工作原理。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程包括總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、仿真調(diào)試、可靠性實驗和產(chǎn)品化等幾個階段，但各階段不是絕對分開的，有時是交叉進(jìn)行的。圖7-1描述了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的一般過程。

設(shè)計人員在接到某項單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制任務(wù)后，一般先進(jìn)行總體設(shè)計。總體設(shè)計包括以下內(nèi)容。

1.理解系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)

接到研制任務(wù)后，先對用戶提出的任務(wù)進(jìn)行深入細(xì)致的分析和研究，參考國內(nèi)外同類或相關(guān)產(chǎn)品的有關(guān)資料、標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)系統(tǒng)的用途、功能和技術(shù)指標(biāo)以及工作環(huán)境，擬定出性能/價格比最高的一套方案，這是系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)和出發(fā)點，也是決定系統(tǒng)設(shè)計是否成功的關(guān)鍵。7.2總體設(shè)計

2.選擇單片機(jī)類型

自20世紀(jì)70年代單片機(jī)誕生以來，發(fā)展十分迅速。目前世界上生產(chǎn)單片機(jī)芯片的廠商有幾十家，型號有上千種，其中應(yīng)用比較多的產(chǎn)品有：Intel公司的MCS-51極其兼容芯片(如Philips公司的51系列、ATMEL公司的89S5X系列)、MCS-51派生型芯片(如P89C51RD2系列、SST公司的89E5XRD2系列、華邦Winbond的W78/W77/W79系列、Philips公司的LPC76X與LPC900系列)、ATMEL公司的AVR系列、ST公司的STM8內(nèi)核系列、Microchip公司的PIC系列及其兼容芯片、Motorola公司的M68HC系列、Zilog公司的Z8系列等8位MCU芯片，以及以ARM為內(nèi)核的32位嵌入式MCU芯片。

一般來說，在選擇單片機(jī)類型時，主要綜合考慮以下幾個問題。

1)貨源充足、穩(wěn)定

所選單片機(jī)芯片在國內(nèi)元器件市場上貨源要穩(wěn)定、充足，有成熟的開發(fā)設(shè)備(主要指仿真器和編程器)。

對于MCS-51及其兼容芯片來說，在研制階段可選擇帶FlashROM存儲器的CPU芯片，如89C5×系列中的89C51/52/54/58、89C5××2系列中的89C51×2/52×2/54×2/58×2、89C51RX系列中的89C51RD2芯片、SST89E5XRD2系列芯片等，借助通用編程器即可反復(fù)修改監(jiān)控程序，便于調(diào)式；在小批量試產(chǎn)時，可換上相應(yīng)型號、價格更低的OTPROM存儲器芯片，如87C××系列中的87C51/52/54/58或87C5××2系列芯片即可，無須修改硬件(如PCB)和軟件。

2)性價比高

在保證性能指標(biāo)情況下，所用芯片價格要盡可能低，使系統(tǒng)有較高的性價比。

3)芯片加密功能完善

這點非常重要，因為系統(tǒng)硬件電路無密可守。如果所選芯片加密功能不完善，容易被破解，這對委托方與開發(fā)者的利益都可能造成潛在的損害。

4)研發(fā)周期短

在研制任務(wù)重、時間緊的情況下，應(yīng)考慮采用自己比較熟悉的系列，這樣可以較快地進(jìn)行系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計。原則上選擇用戶廣泛、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定而自己又熟悉的系列與型號。

3.關(guān)鍵器件的選擇

在選定單片機(jī)類型后，通常還要對系統(tǒng)中一些嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能指標(biāo)的器件(如傳感器、微弱信號放大器件等)進(jìn)行選擇。例如，一個設(shè)計合理的測控系統(tǒng)往往因傳感器件的精度或使用條件等因素的限制而達(dá)不到應(yīng)有的效果。

4.軟硬件功能劃分

同一般的計算機(jī)系統(tǒng)一樣，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件和硬件在邏輯功能上是等效的。具有相同功能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，其軟硬件功能可以在很寬的范圍內(nèi)變化。一些硬件電路的功能可以由軟件來實現(xiàn)，反之亦然。例如，系統(tǒng)日歷時鐘可以用實時/日歷時鐘芯片(如MC146818、PCF8563)實現(xiàn)，也可以用定時中斷方式實現(xiàn)；又如無線或紅外解碼電路，既可由相應(yīng)解碼芯片承擔(dān)，也可以通過軟件方式(如利用具有上升、下降沿觸發(fā)捕獲功能的定時器)實現(xiàn)。在應(yīng)用中，系統(tǒng)的軟、硬件功能劃分要根據(jù)系統(tǒng)要求而定，用硬件實現(xiàn)可提高系統(tǒng)反應(yīng)速度、減少存儲容量、縮短軟件開發(fā)周期，但會增加系統(tǒng)硬件成本、降低硬件的利用率，使系統(tǒng)的靈活性與適應(yīng)性變差。相反，若用軟件來實現(xiàn)某些硬件功能，可以節(jié)省硬件開支，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，但系統(tǒng)反應(yīng)速度會下降，軟件設(shè)計費(fèi)用和所需存儲器容量將相應(yīng)增加。對產(chǎn)量大、價格敏感的民用產(chǎn)品，原則上能用軟件實現(xiàn)的功能，不靠硬件電路完成。在總體設(shè)計時，必須權(quán)衡利弊，仔細(xì)劃分好硬件和軟件的功能。

硬件設(shè)計的任務(wù)就是依據(jù)總體設(shè)計要求，在選定單片機(jī)類型基礎(chǔ)上，規(guī)劃出系統(tǒng)的硬件電路框圖、所用元器件及電氣連接關(guān)系，生成系統(tǒng)的電原理圖；根據(jù)經(jīng)驗或經(jīng)過計算確定系統(tǒng)中每一元器件的參數(shù)(如電阻阻值及公差、耗散功率、耐壓)、型號及封裝形式。7.3硬件設(shè)計必要時通過仿真或?qū)嶒灧绞綄ο到y(tǒng)內(nèi)局部電路進(jìn)行驗證，確保電原理圖的正確性和可靠性。在系統(tǒng)原理圖及元器件參數(shù)、型號、封裝形式完全確定情況下，就可進(jìn)入印刷電路板設(shè)計(也涉及工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容)階段。7.3.1硬件電路設(shè)計及元器件選擇

1.系統(tǒng)構(gòu)成方式選擇

目前用戶在構(gòu)建單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時，有以下三種方式可供選擇。

1)專用系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件電路配置與系統(tǒng)控制程序完全按照具體應(yīng)用系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)量身定制。在這類系統(tǒng)中，硬件配置最佳，軟硬件資源利用率高，性價比最高。但這類系統(tǒng)不具有二次開發(fā)功能。采用這種方式要求設(shè)計者具有扎實的電路基礎(chǔ)知識、常用元器件知識、靈活應(yīng)用技能以及一定的電子線路設(shè)計經(jīng)驗。由于多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)對價格敏感，總希望有最高的性價比。因此，多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路、監(jiān)控程序均需要專門設(shè)計。

2)模塊化系統(tǒng)

由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置具有典型性，因此有些廠家將這些典型配置做成用戶板系列(比如主機(jī)板、A/D板、D/A板、I/O板、打印機(jī)接口板、通信接口板等)，供用戶選擇。用戶可根據(jù)具體需要選擇有關(guān)用戶板，組成具有特定功能的應(yīng)用系統(tǒng)。模塊化結(jié)構(gòu)是大、中型應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展方向，它可大大減少用戶在硬件開發(fā)上投入的時間和精力，縮短開發(fā)周期。但在這類系統(tǒng)中，部件功能沒有得到充分利用，性價比不高。由于系統(tǒng)硬件不是針對目標(biāo)系統(tǒng)功能專門設(shè)計，部件之間匹配性差、元件冗余量大，使系統(tǒng)可靠性變低，功耗大。因此，適用范圍受到了很大的限制。

3)單片單板機(jī)系統(tǒng)

受通用CPU單板機(jī)(如早期的TP801等)的影響，有些廠家用單片機(jī)來構(gòu)成單板機(jī)，其硬件按典型應(yīng)用系統(tǒng)配置，并配有監(jiān)控程序，具有一定的二次開發(fā)能力。但是，單板機(jī)的固定結(jié)構(gòu)形式常使應(yīng)用系統(tǒng)不能獲得最佳配置，產(chǎn)品批量大時，軟硬件資源浪費(fèi)較大，但可大大減少系統(tǒng)研制時的硬件工作量，并且具有二次開發(fā)能力，可提高系統(tǒng)的研制進(jìn)度。

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計一般原則

在設(shè)計系統(tǒng)硬件電路時，一般應(yīng)遵循以下原則：

(1)盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，且符合單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的常規(guī)用法。

(2)系統(tǒng)配置及擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)必須充分滿足系統(tǒng)的功能要求，并留有余地，以利于系統(tǒng)的二次開發(fā)。

(3)硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合控制程序設(shè)計一并考慮。軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來完成，以簡化系統(tǒng)的硬件電路，降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性。但“軟化”的結(jié)果將占用CPU時間，降低系統(tǒng)實時處理能力，因此，對實時性要求高的場合，應(yīng)優(yōu)先考慮用硬件實現(xiàn)。

(4)系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配。例如選用CMOS芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗的系統(tǒng)時，系統(tǒng)中全部芯片都應(yīng)選擇低功耗器件。

(5)單片機(jī)外接電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。若驅(qū)動能力不足，則系統(tǒng)工作不可靠。這時應(yīng)增設(shè)總線驅(qū)動器或者減少芯片功耗，以降低總線負(fù)載。

(6)可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的一部分。可靠性、抗干擾能力與硬件系統(tǒng)自身素質(zhì)有關(guān)，諸如構(gòu)成系統(tǒng)的各種芯片、元器件的正確選擇、電路設(shè)計合理性、印刷電路板布線、去耦濾波、通道隔離等，都必須認(rèn)真對待。為了提高單片機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，單片機(jī)控制系統(tǒng)中的IC芯片旁必須放置相應(yīng)的濾波電容。這點最容易被線路設(shè)計者忽略。

74系列及CMOS小規(guī)模數(shù)字集成電路，每1～2塊芯片的電源引腳和地之間應(yīng)加接一個容量為0.01～0.1μF的高頻濾波電容，濾波電容安裝位置盡量接近芯片電源引腳。工作頻率越高，濾波電容容量就可以越小。例如，系統(tǒng)工作頻率大于10MHz時，濾波電容的容量可取0.01～0.047μF。

74系列中規(guī)模集成電路，如鎖存器、譯碼器、總線驅(qū)動器等，以及MCU、存儲器芯片等，每塊芯片的電源引腳和地引腳之間均需要加接濾波電容。此外，在印刷電路板電源入口處應(yīng)加接容量在20～47μF鋁電解或鉭電解的低頻濾波

電容。

(7)

TTL電路未用引腳的處理。在TTL單元電路中，一些單元含有多個引腳，當(dāng)只使用其中部分引腳時，如將“2輸入與非門”作為反相器使用時，就會遇到多余引腳問題。

對于未用的與門(包括與非門)引腳，可采?。?/p>

●當(dāng)電路工作頻率不高時，可懸空(視為高電平，但不允許帶長開路線)?！癞?dāng)電源電壓不超過5.5V時，可直接與電源VCC相連。優(yōu)點是無須增加額外的元器件，缺點是當(dāng)電源部分出現(xiàn)故障，如電壓大于5.5V時，可能損壞與電源相連的與非門電路芯片。

●將所有未用的輸入端連在一起，并通過2.0kΩ電阻接電源VCC，缺點是需要增加一個電阻。

●在前級驅(qū)動能力足夠時，將多余輸入端并接到已使用的輸入端上。缺點是除了要求前級電路具有足夠的驅(qū)動能力外，增加了前級電路的功耗。

對于未用的或門(包括或非門)引腳，一律接地。

(8)

CMOS、HCMOS電路未用引腳的處理。

對于未用的與門(包括與非門)引腳，可采?。?/p>

●直接與電源VDD相連。優(yōu)點是無須增加額外的元器件，缺點是當(dāng)電源部分出現(xiàn)故障時，可能損壞與電源相連的與非門電路芯片。

●將所有未用的輸入端連在一起，并通過100kΩ電阻接電源VDD，缺點是需要增加一個電阻。

●在前級驅(qū)動能力足夠時，將多余輸入端并接到已使用的輸入端上。缺點是除了要求前級電路具有足夠的驅(qū)動能力外，增加了前級電路的功耗。

對于未用的或門(包括或非門)引腳，一律接地。對于CMOS、HCMOS電路芯片來說，如果是數(shù)字IC，則未用單元的所有輸入端一律接地；而對于模擬比較器、放大器來說，反相端接地；同相端接輸出端。

(9)工藝設(shè)計，包括機(jī)架機(jī)箱、面板、配線、接插件等，必須兼顧電磁兼容要求和安裝、調(diào)試、維護(hù)等操作是否方便。

3.硬件可靠性設(shè)計

由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)主要面向工業(yè)控制、智能化、自動化儀器儀表，任何差錯都可能造成非常嚴(yán)重的后果。此外，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，個別系統(tǒng)甚至要求在無人值守情況下工作?？梢?，對系統(tǒng)的可靠性要求高，而影響單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可靠性的因素很多，如電磁干擾、電網(wǎng)電壓波動、溫度及濕度變化、元器件質(zhì)量及參數(shù)等，需要針對不同應(yīng)用條件、可靠性指標(biāo)在硬件、軟件上采取相應(yīng)的措施。

(1)抑制輸入/輸出通道的干擾。采用隔離和濾波技術(shù)抑制輸入/輸出通道可能出現(xiàn)的干擾。常用的隔離器件有：隔離變壓器、光電耦合器、繼電器和隔離放大器等，應(yīng)根據(jù)傳輸信號種類(模擬信號還是開關(guān)信號、頻率、幅度)選擇相應(yīng)的隔離器件。例如，對低速開關(guān)、電平信號，可采用光電耦合器作隔離器件；對高頻開關(guān)信號可采用脈沖變壓器作隔離器件。

(2)供電系統(tǒng)干擾的抑制。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的供電線路是干擾的主要入侵途徑，常采用如下措施抑制：

單片機(jī)系統(tǒng)的供電線路和產(chǎn)生干擾的用電設(shè)備分開供電。通常干擾源為各類大功率設(shè)備，如電機(jī)。對于小功率的單片機(jī)系統(tǒng)，可采用CMOS器件，設(shè)計成低功耗系統(tǒng)，并用電池供電，干擾即可大大減少。通過低通濾波器和隔離變壓器接入電網(wǎng)。低通濾波器可以吸收大部分電網(wǎng)中的“毛刺”，隔離變壓器是在初級繞組和次級繞組之間多加一層屏蔽層，并將它和鐵芯一起接地，防止干擾通過初次級之間的電容效應(yīng)進(jìn)入單片機(jī)供電系統(tǒng)。該屏蔽層也可用加繞的一層線圈來充當(dāng)(一頭接地，另一層空置)。

整流元件上并接濾波電容，可以在很大程度上削弱高頻干擾，濾波電容可選用容量在1000pF～0.1μF無感瓷片電容或CBB電容。數(shù)字信號采用負(fù)邏輯傳輸。如果定義低電平為有效電平，高電平為無效電平，就可以減少干擾引起的誤動作，提高數(shù)字信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(3)電磁場干擾的抑制措施。電磁場的干擾可采用屏蔽和接地措施。用金屬外殼或金屬屏蔽罩將整機(jī)或部分元器件包起來，再將金屬外殼接地，即能起到屏蔽作用。單片機(jī)系統(tǒng)中有數(shù)字地、模擬地、交流地、信號地、屏蔽地(機(jī)殼地)，應(yīng)分開接不同性質(zhì)的地。印刷電路板中的地線應(yīng)接成網(wǎng)狀，而且其他布線不要形成回路，特別是環(huán)繞外周的環(huán)路，接地線根據(jù)電路通路最好逐漸加寬，而高頻電路板多采用大面積接地連接方式；強(qiáng)信號地線和弱信號地線要分開。

(4)減小CPU芯片工作時產(chǎn)生的電磁輻射。如果CPU工作產(chǎn)生的電磁輻射干擾了系統(tǒng)內(nèi)無線接收電路時，除了對CPU芯片采取屏蔽措施外，還必須：在滿足速度要求前提下，盡可能降低系統(tǒng)時鐘頻率，因為時鐘頻率越低，晶振電路產(chǎn)生的電磁輻射量越??；盡量避免擴(kuò)展外部存儲器，即盡可能使用內(nèi)含F(xiàn)lashROM、OTPROM存儲器的芯片，且禁止ALE輸出。

為提高CPU工作頻率，大部分MCS-51及兼容芯片I/O引腳輸出信號的上升沿、下降沿很陡，如8×C5×、8×C5××2、8×C51RX等系列芯片，其I/O引腳輸出信號邊沿過渡時間在5ns左右，因此輸出信號的上升、下降沿可能出現(xiàn)過沖，如圖7-2所示。

圖7-2輸出信號的上升、下降沿過沖而過沖幅度與電源電壓有關(guān)，為減小過沖幅度，可使用OTPROM存儲器芯片，如87C51/52/54/58、87C51×2/52×2/54×2/58×2等，以便將電源電壓降為2.7～3.6V。

或選用工作頻率低，上升、下降沿過渡時間較長的芯片，如P89LPC900、P87LPC76×系列芯片，這三個系列芯片出廠時邊沿過渡預(yù)設(shè)為10ns，遠(yuǎn)小于最高工作頻率在33MHz的8×C5×、8×C5××2系列。

4.元器件選擇原則

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中可用的各種元器件的種類繁多、功能各異、價格不等，這就為用戶在元器件功能、特性等方面進(jìn)行選擇提供了較大的自由度。用戶必須對自己的系統(tǒng)要求及芯片的特性有充分了解后才能做出正確、合理的選擇。

選擇元器件的基本原則是選擇哪些滿足性能指標(biāo)、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好的元器件。選擇元器件時應(yīng)考慮以下因素：

(1)性能參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性。在選擇元器件時必須按照器件手冊所提供的各種參數(shù)如工作條件、電源要求、邏輯特性等指標(biāo)綜合考慮，但不能單純追求超出系統(tǒng)指標(biāo)要求的高速、高精度、高性能。例如，一般10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器價格遠(yuǎn)高于同類8位精度的A/D轉(zhuǎn)換器；陶瓷封裝(一般適用于

-25℃～+85℃或

-55℃～+125℃)的芯片價格略高于塑料封裝

(0℃～+70℃)的同類型芯片。

(2)通用性。在應(yīng)用系統(tǒng)中，盡量采用通用的大規(guī)模集成電路芯片，這樣能簡化系統(tǒng)設(shè)計、安裝和調(diào)試，也有助于提高系統(tǒng)的可靠性。一般原則是能用一塊中大規(guī)模芯片完成的功能，不用多個中小規(guī)模電路芯片實現(xiàn)；能用MCU實現(xiàn)的功能，盡量避免用多塊中小規(guī)模數(shù)字IC芯片實現(xiàn)。

(3)型號和公差。在確定元器件參數(shù)之后，還要確定元器件的型號，這主要取決于電路所允許元器件的公差范圍。如電解電容器可滿足一般的應(yīng)用，但對于電容公差要求高的電路，則電解電容就不宜采用。

(4)與系統(tǒng)速度匹配。單片機(jī)時鐘頻率一般可在一定范圍內(nèi)選擇(如增強(qiáng)型MCS-51單片機(jī)芯片可在0～33MHz之間任意選擇)，在不影響系統(tǒng)性能的前提下，時鐘頻率選低些好，這樣可降低系統(tǒng)內(nèi)其他元器件的速度要求，從而降低成本和提高系統(tǒng)的可靠性。另一方面，也將降低了晶振電路潛在的電磁干擾。

(5)外圍電路芯片類型。由于TTL數(shù)字IC芯片功耗大，已廣泛被速度與之相近、邏輯及引腳與之兼容、功耗小得多的74HC系列所取代，因此無論系統(tǒng)功耗有無要求都盡可能不用TTL數(shù)字電路芯片。對于低功耗、慢速系統(tǒng)，應(yīng)采用微功耗的CMOS系列數(shù)字電路，如CD4000系列或CD4500系列。

(6)元件封裝方式的選擇。為減小體積，減小元件引腳寄生電感、電阻，提高系統(tǒng)工作速度，小功率元件盡量采用表面封裝元件和芯片，如SMC封裝電阻、電容(但電源高頻濾波電容應(yīng)采用穿通封裝CBB電容)，無引線封裝二極管，各類貼片三極管、IC芯片等。采用貼片元件，不僅減小了系統(tǒng)體積、提高了系統(tǒng)工作頻率，也方便了印制板加工，還提高了裝配、焊接工藝的質(zhì)量。

在貼片元件中，對于無源器件，當(dāng)體積沒有特殊要求情況下，應(yīng)盡量選擇0805封裝尺寸電阻、電容。對于中小規(guī)模IC芯片，盡量選擇引腳間距較大的SOP封裝形式。個別耗散功率較大的電阻，可選擇1206封裝規(guī)格，或用兩個0805封裝電阻并聯(lián)方式擴(kuò)大耗散功率代替一個1206封裝電阻(依次類推，可用兩個1206封裝電阻并聯(lián)以獲得更大的耗散功率)。例如某電路需要一個1/4

W的1kΩ電阻，可以選擇1206封裝的1kΩ電阻，但也可以用兩個510Ω的0805電阻并聯(lián)取代。實踐證明：元器件尺寸越小，印制板線條寬度與焊盤尺寸就越小，焊接工藝的可靠性就越低。7.3.2印制電路板設(shè)計

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上離不開用于固定單片機(jī)芯片及其他元器件的印制板。通常這類印制板布線密度高、焊點分布密度大，常需要雙面(個別情況下可采用多層板)才能滿足電路電磁兼容性要求。此外，無論采用何種電路CAD軟件完成PCB設(shè)計，都不宜采用自動布局、布線方式，必須通過手工方式進(jìn)行。在編輯印制板時，需要遵循下列原則：

(1)晶振必須盡可能靠近CPU晶振引腳，且晶振電路周圍的元件面及焊錫面內(nèi)不能走其他的信號線。最好在元件內(nèi)晶振電路位置放置一個與地線相連的屏蔽層，必要時將晶振外殼和與地線相連的屏蔽層焊接在一起。

(2)電源、地線要求。在雙面印制板上，電源線和地線應(yīng)盡可能安排在不同的面上，且平行走線，這樣寄生電容將起濾波作用。對于功耗較大的數(shù)字電路芯片，如CPU、驅(qū)動器等盡可能采用單點接地方式，即這類芯片電源、地線應(yīng)單獨走線，并連到印制板電源、地線入口處。電源線和地線寬度盡可能大一些，或采用微帶走線方式或大面積接地方式。

(3)模擬信號和數(shù)字信號不能共地，即采用單點接地方式。

(4)在中低頻應(yīng)用系統(tǒng)(晶振頻率小于20MHz)中，走線轉(zhuǎn)角可取45°；在高頻系統(tǒng)中，必要時可選擇圓角模式。盡量避免采用90°轉(zhuǎn)角模式。

(5)在連線時，一般應(yīng)按原理圖中元件連接關(guān)系連線，但當(dāng)電路中存在若干地位等同的單元電路時，可根據(jù)連線是否方便重新調(diào)整原理圖中單元電路的位置。例如，對于四單元模擬比較器LM339來說，假設(shè)原理圖中局部電路A使用1單元；局部電路B使用2單元；局部電路C使用3單元。如果連線時，發(fā)現(xiàn)局部電路A使用3單元；局部電路B使用1單元；局部電路C使用2單元連接交叉最少，則不僅而且應(yīng)該重新調(diào)整原理圖中的連接關(guān)系，因為四單元模擬比較器LM339內(nèi)各單元地位完全相同。

(6)對于輸入信號線，走線要盡可能短，必要時在信號線兩側(cè)放置地線屏蔽，防止可能出現(xiàn)的干擾；不同信號線避免平行走線，上下兩面的信號線最好交叉走線，相互干擾可減到最小。

7.4.1資源分配

一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所擁有的硬件資源分片內(nèi)和片外兩部分。片內(nèi)資源是指單片機(jī)芯片本身所包含的中央處理器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時/計數(shù)器、看門狗計數(shù)器、中斷源、I/O接口以及串行通信接口等。這部分硬件資源的種類和數(shù)量，不同公司不同系列單片機(jī)之間差別較大，當(dāng)設(shè)計人員選定某一特定型號的單片機(jī)芯片進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)充分利用片內(nèi)的各種硬件資源。7.4軟件設(shè)計但若在應(yīng)用中，片內(nèi)硬件資源不足時，要么選擇硬件資源更豐富的芯片，要么在片外擴(kuò)展不足的硬件資源。通過系統(tǒng)擴(kuò)展，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具有了更多的硬件資源，因而有了更強(qiáng)的功能。

由于定時器/計數(shù)器、中斷源、串行通信口等資源的分配比較容易，下面主要介紹ROM資源和RAM資源的分配。

1.?I/O引腳資源分配

單片機(jī)芯片各I/O引腳功能不完全相同，如部分引腳具有第二輸入/輸出功能；各I/O引腳輸出級電路結(jié)構(gòu)不盡相同，如8×C5×的P0口采用漏極開路輸出方式，而P1～P3口采用準(zhǔn)雙向結(jié)構(gòu)。此外，在P89LPC900系列中，P1.5引腳只能作為輸入引腳使用。因此，在分配I/O引腳時，必須根據(jù)外部接口電路特性做出合理的選擇。

例如，在8×C5×系統(tǒng)中，當(dāng)外中斷不夠用時，可使用定時器T2溢出率作為串行口發(fā)送、接收波特率，此時P1.1引腳就可以作為下降沿觸發(fā)的外中斷源使用。又如，在P87LPC762/4中，當(dāng)需要4根引腳作為直接編碼輸入鍵盤時，可考慮使用P0.3、P0.4、P0.5、P0.6引腳作為鍵盤輸入引腳，這樣基本保留了模擬比較器2的資源。

而在輸入通道中，OC(集電極開路)或OD(漏極開路)輸出器件(如比較器339、393等)接MCS-51的P1～P3口可省去上拉電阻；而OD輸出方式的P0口適合驅(qū)動小功率PNP三極管、發(fā)光二極管。

2.程序存儲器資源分配

片內(nèi)ROM存儲器用于存放程序和數(shù)據(jù)表格。按照MCS-51單片機(jī)的復(fù)位及中斷入口的規(guī)定，003FH以前的地址單元都作為中斷、復(fù)位入口地址區(qū)。在這些單元中一般都設(shè)置了轉(zhuǎn)移指令，轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序或復(fù)位啟動程序。當(dāng)程序存儲器中存放的功能程序及子程序數(shù)量較多時，應(yīng)盡可能為它們設(shè)置入口地址表。一般的常數(shù)、表格等統(tǒng)一放在表格區(qū)內(nèi)；二次開發(fā)擴(kuò)展區(qū)應(yīng)盡可能放在高位地址區(qū)。

3.?RAM資源分配

RAM分為片內(nèi)RAM和片外RAM。片外RAM的容量比較大，通常用來存放批量大的數(shù)據(jù)，如采樣結(jié)果數(shù)據(jù)；片內(nèi)RAM容量較少，盡可能重疊使用，如數(shù)據(jù)暫存區(qū)與顯示、打印緩沖區(qū)重疊。

對于MCS-51單片機(jī)來說，片內(nèi)RAM是指00H～FFH單元，這256個單元的功能并不完全相同，分配時應(yīng)注意發(fā)揮各自的特點，做到物盡其用。

00～1FH這32個字節(jié)可以作為工作寄存器組，在工作寄存器的8個單元中，R0和R1具有指針功能，是編程的重要角色，應(yīng)充分發(fā)揮其作用。系統(tǒng)上電復(fù)位時，PSW為00H，SP=07H，則RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)位均為0，CPU自動選擇工作寄存器組0作當(dāng)前工作寄存器，而工作寄存器組1為堆棧，并向工作寄存器組2、3延伸。例如，此時當(dāng)CPU執(zhí)行諸如MOVR1，#2FH指令時，R1即指向01H單元。若在中斷服務(wù)程序中，若也要使用R1寄存器且不允許將原來的數(shù)據(jù)沖掉，則可在主程序中先將堆?？臻g設(shè)置在其他位置，然后在進(jìn)入中斷服務(wù)程序后選擇工作寄存器組1、2或3，這時若再執(zhí)行諸如MOVR1，#00H指令時，就不會沖掉R1(01H單元)中原來的內(nèi)容，因為這時R1的地址已改變?yōu)?9H、11H或19H。在中斷服務(wù)程序結(jié)束時，可重新選擇工作寄存器組0。因此，一般情況下，主程序及其調(diào)用的子程序使用工作寄存器組0，而定時器溢出中斷、外部中斷、串行口中斷可根據(jù)需要(即中斷服務(wù)程序中是否使用了寄存器R7～R0。在安排中斷服務(wù)程序工作區(qū)時，為節(jié)約資源開銷，同優(yōu)先級中斷服務(wù)程序應(yīng)使用同一工作寄存器組)切換到工作寄存器組1、2或3。

20H～2FH這16個字節(jié)具有位尋址功能，可用來存放各種軟件標(biāo)志、邏輯變量、位輸入信息、位輸出信息副本、狀態(tài)變量、邏輯運(yùn)算的中間結(jié)果等。當(dāng)這些項目全部安排好后，保留一兩個字節(jié)備用，剩下的單元可改作其他用途。

30H～7FH為一般通用寄存器，只能以字節(jié)方式讀寫。通常用來存放各種參數(shù)、指針、中間結(jié)果，或用作數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于高128字節(jié)片內(nèi)RAM僅支持間接尋址方式，靈活性遠(yuǎn)低于前128字節(jié)片內(nèi)RAM，因此應(yīng)盡可能將堆棧安排在片內(nèi)RAM的高端，如D0H～FFH，除非所用芯片僅有低128字節(jié)。設(shè)置堆棧區(qū)時應(yīng)事先估算出子程序和中斷嵌套的級數(shù)以及程序中棧操作指令使用情況，其大小應(yīng)留有余量。當(dāng)系統(tǒng)中擴(kuò)展了RAM，應(yīng)把使用頻率最高的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)安排在片內(nèi)RAM中，以提高處理速度。

盡管片內(nèi)擴(kuò)展RAM(簡稱ERAM)只能通過MOVX指令讀寫，似乎各單元地位差別不大。但是其中的前256字節(jié)既可以用DPTR作為間址訪問，也可以用R0、R1作為間址讀寫，靈活性也比后256字節(jié)存儲單元大。即在含有ERAM的芯片中，不要輕易分配前256字節(jié)的ERAM(當(dāng)內(nèi)部RAM容量不夠開銷時，用ERAM前256字節(jié)存放一些訪問頻度較低的變量是一個不錯的選擇)。

RAM資源分配規(guī)則是：

(1)堆棧盡可能在后128字節(jié)內(nèi)部RAM的頂端，大小與子程序(包括中斷服務(wù)程序)嵌套層數(shù)有關(guān)；

(2)位變量、具有尋址功能的字節(jié)變量從內(nèi)部RAM的20H單元開始(如果30H～7FH單元不夠分配，可適當(dāng)考慮借用剩余的可位尋址單元)；

(3)最常用的字節(jié)變量從內(nèi)部RAM的30H單元開始；

(4)不常用的變量或數(shù)組從內(nèi)部RAM的80H單元開始(如果不夠用可考慮將部分安排在ERAM的前256字節(jié)空間內(nèi)，通過MOVXA,@Ri、MOVX@Ri，A指令讀寫)；

(5)一般不宜將變量安排在08H～1FH工作寄存器區(qū)內(nèi)。但可以根據(jù)中斷優(yōu)先級別大小，在內(nèi)部RAM資源緊張情況下，使用其中3區(qū)或2、3區(qū)作為變量存儲區(qū)。例如，某一應(yīng)用系統(tǒng)優(yōu)先級只有兩個，則可以將工作寄存器區(qū)(18H～1FH)做變量存放區(qū)。

如果將系統(tǒng)的各種開銷安排后，所剩單元很少，這往往不是好兆頭。應(yīng)該留有一定余地，以便將來系統(tǒng)升級、擴(kuò)充。ROM、RAM資源規(guī)劃好后，應(yīng)列出一張詳細(xì)的資源分配清單，作為編程依據(jù)。7.4.2程序語言及程序結(jié)構(gòu)選擇

設(shè)計控制程序時可選擇C語言，如Keil-C，也可以選擇匯編語言。

選擇C語言時，程序編寫、調(diào)試相對容易，但編譯后代碼長，存儲程序代碼所需空間大，執(zhí)行速度慢。而采用匯編語言時，情況正好相反。一個設(shè)計優(yōu)良的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)盡可能采用匯編語言編寫監(jiān)控程序。一方面，單片機(jī)芯片程序存儲空間較小，在某些應(yīng)用系統(tǒng)中所用MCU片內(nèi)程序存儲器容量只有數(shù)千字節(jié)，無法存放由C語言編寫獲得的代碼；即使程序存儲器容量不是問題，但C語言源程序編譯效率低，相同操作對應(yīng)了多條指令，運(yùn)行速度變慢，這意味著在速度相同情況下，需用更高頻率的晶振——這在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中不可取。

必須根據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)控功能，正確、合理選擇程序結(jié)構(gòu)——串行多任務(wù)結(jié)構(gòu)程序還是并行多任務(wù)結(jié)構(gòu)程序。當(dāng)系統(tǒng)中，存在多個需要實時處理的任務(wù)時，最好選擇并行多任務(wù)結(jié)構(gòu)程序，否則系統(tǒng)的實時性將無法保證。

單片機(jī)主要面向工業(yè)控制、智能化儀器儀表以及家用電器，因此對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。

在數(shù)字系統(tǒng)中總會存在這樣或那樣的干擾，因此導(dǎo)致計算機(jī)系統(tǒng)不可靠的原因很多。7.5軟件可靠性設(shè)計我們知道無論是TTL，還是CMOS數(shù)字電路芯片在邏輯轉(zhuǎn)換瞬間電源電流ICC存在尖峰現(xiàn)象；繼電器吸合，尤其是斷開瞬間會在電源線上出現(xiàn)尖峰干擾脈沖；外界雷電干擾脈沖、接在同一相線上大功率電機(jī)啟動與關(guān)閉瞬間形成的干擾脈沖也會通過電源線串入控制系統(tǒng)中。此外，環(huán)境溫度波動、濕度變化等因素也可能影響數(shù)字系統(tǒng)信號的輸入/輸出，甚至產(chǎn)生使程序計數(shù)器PC“跑飛”、內(nèi)部RAM、FlashROM存儲單元數(shù)據(jù)丟失等不可預(yù)測的后果。消除這些干擾信號除了借助硬件低通濾波器、施密特觸發(fā)器，以及良好的PCB布局與布線措施外，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中則更多地借助軟件方式消除，以降低系統(tǒng)硬件成本。此外，僅依靠硬件方式并不能完全解決系統(tǒng)的可靠問題。因此,軟件可靠性設(shè)計技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。7.5.1PC“跑飛”及其后果

CPU的工作過程總是不斷地重復(fù)“取操作碼→譯碼→取操作數(shù)→執(zhí)行”過程。在正常情況下，程序計數(shù)器PC按程序員意圖遞增或轉(zhuǎn)移。但當(dāng)系統(tǒng)受干擾時，程序計數(shù)器PC出錯，致使CPU不按程序員意圖執(zhí)行程序中的指令系列，脫離正常軌道而“跑飛”，這可能會導(dǎo)致：

(1)跳過部分指令或程序段的執(zhí)行。一般說來跳過程序中任何一條有效指令，都會影響程序的執(zhí)行結(jié)果，進(jìn)而影響系統(tǒng)的可靠性，只是嚴(yán)重程度不同而已。如跳過的指令系列正好是數(shù)據(jù)輸入指令，則隨后的數(shù)據(jù)處理結(jié)果將不正確；又如跳過子程序返回指令RET或中斷服務(wù)程序返回指令RETI時，將引起堆棧錯誤，無法返回。

(2)拆分指令。在復(fù)雜指令集(CISC)計算機(jī)系統(tǒng)(如MCS-51)中，CPU受干擾后，可能將指令操作數(shù)當(dāng)操作碼執(zhí)行，引起混亂。當(dāng)程序計數(shù)器PC彈飛到某一單字節(jié)指令時，會自動納入正軌(最多跳過某些指令)。但在取指階段，PC“跑飛”，落到雙字節(jié)或三字節(jié)指令操作數(shù)上，多字節(jié)指令將被拆分，即指令“操作數(shù)”被當(dāng)作“操作碼”取出，如果操作數(shù)對應(yīng)的“指令碼”屬于多字節(jié)指令，又將繼續(xù)拆分緊隨其后的多字節(jié)指令，繼續(xù)出錯，如圖7-3(a)～(c)所示，除非被拆分指令后為兩條單字節(jié)指令，如圖7-3(d)所示。

圖7-3指令拆分示意圖在圖7-3(a)中，只要第n條指令最后一個操作數(shù)對應(yīng)的“指令碼”為多字節(jié)指令，其后的第n

+

1條指令必定被拆分；在圖7-3(b)中，當(dāng)?shù)趎條指令最后一個操作數(shù)對應(yīng)的“指令碼”為雙字節(jié)指令時，其后的第n

+

1條指令也會被拆分；而在圖7-3(c)中，當(dāng)?shù)趎條指令最后一個操作數(shù)對應(yīng)的“指令碼”為三字節(jié)指令時，其后的第n

+

2條指令也將被拆分，同時還跳過了第n

+

1條指令(被當(dāng)作操作數(shù)處理了)。對于圖7-3(d)來說，雖然PC已納入正軌，不再拆分隨后的指令系列，但當(dāng)?shù)趎條指令最后一個操作數(shù)對應(yīng)的“指令碼”為多字節(jié)指令時，會跳過第n

+

1或第n

+

1與第n

+

2指令的執(zhí)行。可見在CISC指令集中，多字節(jié)指令不因其上的多字節(jié)指令拆分而被拆分的條件是該指令前為兩條單字節(jié)指令；多字節(jié)指令被拆分不再拆分其后指令的條件是其后為兩條單字節(jié)指令。

(3)跳到數(shù)據(jù)區(qū)，把數(shù)據(jù)當(dāng)指令執(zhí)行。

PC“跑飛”的后果不能預(yù)測，因為我們無法預(yù)料PC將從何處“飛入”何處，也就無法預(yù)測會跳過哪些指令；我們也不能預(yù)測將會拆分哪一指令，也就無法預(yù)測拆分重組后獲得的“指令”的功能：也許會改寫內(nèi)部RAM、特殊功能寄存器內(nèi)容，造成數(shù)據(jù)丟失，或關(guān)閉中斷、改變外設(shè)，如定時/計數(shù)器的工作方式，或進(jìn)入死循環(huán)；PC“飛入”數(shù)據(jù)區(qū)，把數(shù)據(jù)當(dāng)指令執(zhí)行的后果也同樣不能預(yù)料，畢竟我們不能限定數(shù)表中各數(shù)據(jù)項的內(nèi)容。7.5.2降低PC“跑飛”對系統(tǒng)的影響

在計算機(jī)系統(tǒng)中，理論上PC“跑飛”不可避免，“跑飛”的后果無法預(yù)測。只能在軟件設(shè)計時，采取適當(dāng)措施盡可能減小PC“跑飛”對系統(tǒng)造成的影響，提高系統(tǒng)的可靠性。

1.指令冗余

為避免拆分多字節(jié)指令時跳過的指令不影響程序的執(zhí)行結(jié)果，可在多字節(jié)指令的前、后分別插入兩條單字節(jié)的空操作指令NOP。此外，為防止PC“跑飛”時，跳過某些對系統(tǒng)有重要影響的指令，在可靠性要求較高的系統(tǒng)中，在速度與存儲器空間許可情況下重寫特定操作指令，如輸出信號控制指令、外設(shè)工作方式設(shè)置指令、中斷控制指令、中斷優(yōu)先級設(shè)置指令等。這就是所謂的“指令冗余”方式。

當(dāng)然采用“指令冗余”方式會增加程序代碼的存儲量、降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在實踐中不可能在所有雙字節(jié)、三字節(jié)指令的前后分別插入兩條空操作指令，只在對程序流向起決定作用的指令，如LJMP、SJMP、LCALL、JC、JNC、JB、JNB、CJNE、DJNZ等多字節(jié)指令前插入兩條NOP指令；在RET、RETI等單字節(jié)指令前增加1～2條冗余指令(如果其上一條指令為單字節(jié)指令，可增加一條)，使系統(tǒng)在可靠性與速度、存儲量之間取得較好的平衡。多字節(jié)指令冗余方式：

NOP

NOP ；防止其上指令被拆分受株連，正常時會影響效率

CJNEA,#nnH,NEXT

單字節(jié)指令冗余方式舉例：

RET

RET ；增加1～2條冗余指令，防止其上指令被拆分而跳過

RET ；正常時不影響系統(tǒng)速度，僅多占2個單元的存儲空間為防止“PC”跑飛，拆分重組指令，關(guān)閉中斷、禁止定時/計數(shù)器計數(shù)，尤其是軟件類看門狗定時器，如SST89E(V)5XRD2系列內(nèi)的看門狗。為此，需在主程序的適當(dāng)?shù)胤?，如并行多任?wù)程序結(jié)構(gòu)中的任務(wù)調(diào)度處或作業(yè)調(diào)度處插入重開中斷、重復(fù)啟動定時/計數(shù)器、軟件看門狗計數(shù)器等冗余指令。

盡管在RISC指令集計算機(jī)系統(tǒng)中，每條指令長度都相同，不存在指令被拆分問題，但PC“跑飛”同樣存在跳過某些指令或程序段的風(fēng)險，在程序中重復(fù)書寫關(guān)鍵操作指令方式依然必要。

2.增加數(shù)據(jù)可靠性方法

為防止PC“跑飛”時跳過數(shù)據(jù)輸入指令系列，造成隨后的數(shù)據(jù)處理不正確?？稍跀?shù)據(jù)輸入處理指令前設(shè)置接收標(biāo)志(如55H、5AH、A5H或AAH)，在數(shù)據(jù)處理前先檢查接收標(biāo)志是否正確，待數(shù)據(jù)處理結(jié)束后再清除正確接收標(biāo)志。一旦發(fā)現(xiàn)標(biāo)志異常，幾乎可以肯定PC已“跑飛”，視情況采取相應(yīng)對策。

由于無法預(yù)測PC“跑飛”拆分重組指令的功能，因此對存放在RAM中的重要數(shù)據(jù)應(yīng)增加校驗信息字節(jié)，可根據(jù)需要選擇和校驗、某特征值倍數(shù)校驗，甚至CRC校驗方式。當(dāng)存儲空間允許時，除了采用某一校驗方式外，還可采用備份方式來進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的可靠性。

一旦發(fā)現(xiàn)校驗錯，也可以肯定PC已“跑飛”，視情況采取相應(yīng)對策。7.5.3PC“跑飛”攔截技術(shù)

在CISC指令系統(tǒng)中，采用指令冗余技術(shù)只保證了PC“跑飛”后迅速將其納入正軌，避免錯誤擴(kuò)大化而已，但依然跳過了被拆分指令、視為重組指令操作數(shù)的指令碼的執(zhí)行，更為嚴(yán)重的是無法預(yù)測拆分重組指令執(zhí)行后對系統(tǒng)造成的危害。此外無論是CISC，還是RISC指令系統(tǒng)，PC“跑飛”均可能跳過若干指令系列。因此理論上，在做好重要數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)備份或保護(hù)情況下，采用有效的軟件攔截技術(shù)，在感知PC“跑飛”后，利用軟件復(fù)位功能或進(jìn)入循環(huán)等待看門狗計數(shù)器溢出方式強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位，避免系統(tǒng)帶病運(yùn)行，才能徹底解決PC“跑飛”帶來的可靠性問題。所謂攔截技術(shù)是指將“跑飛”的PC指針引向指定位置，進(jìn)行出錯處理后，再強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位的方法。常用的攔截手段包括傳統(tǒng)的軟件陷阱攔截和遠(yuǎn)程攔截兩種方式。

1.軟件陷阱

用指令冗余方式使“跑飛”的程序安定下來是有條件的，首先跑飛的程序必須落到程序區(qū)內(nèi)，其次必須執(zhí)行到冗余指令。所謂軟件陷阱，就是一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進(jìn)行處理的指令。如果我們把這段程序的入口地址記為ERR的話，軟件陷阱就是一條無條件轉(zhuǎn)移指令，為了增強(qiáng)捕獲效果，一般還需在它前面加幾條NOP指令，所需NOP指令條數(shù)比指令集中最大指令長度少1個字節(jié)。由于MCS-51系統(tǒng)指令長度為1～3字節(jié)，因此需要兩條NOP指令，即在MCS-51系統(tǒng)中真正的軟件陷阱由以下3條指令構(gòu)成：

NOP

NOP

LJMPERR

軟件陷阱可安排在未使用的中斷向量區(qū)、未使用的大片ROM空間以及數(shù)據(jù)表格前后等正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序的執(zhí)行效率。采用硬件看門狗后，在程序存儲器空間容量富余情況下，可在每條跳轉(zhuǎn)指令(當(dāng)存儲器容量有限時，為減少程序長度可在關(guān)鍵跳轉(zhuǎn)指令)后，插入軟件陷阱指令序列，如：

NOP

NOP ；冗余指令，防止跳轉(zhuǎn)指令被拆分

SJMPNEONE ；在短跳轉(zhuǎn)指令后，加軟件陷阱

NOP

NOP

CLREA ；關(guān)閉中斷，進(jìn)入死循環(huán)

；LJMPERR ；可選的錯誤處理

SJMP$

……

NOP

NOP ；冗余指令，防止跳轉(zhuǎn)指令被拆分

LJMPSTART ；在長跳轉(zhuǎn)指令后，加軟件陷阱

NOP

NOP

CLREA ；關(guān)閉中斷后，進(jìn)入死循環(huán)

；LJMPERR ；可選的錯誤處理

SJMP$

在子程序返回指令RET、中斷返回指令RETI后插入的軟件陷阱

RET

RET ；重復(fù)的冗余指令，避免其上多字節(jié)指令被拆分而跳過

RET ；在子程序返回指令后，加軟件陷阱

CLREA ；關(guān)閉中斷后，進(jìn)入死循環(huán)

；LJMPERR ；可選的錯誤處理

SJMP$

在數(shù)據(jù)表格前、后插入軟件陷阱：

ORG××××

NOP ；位于數(shù)據(jù)表格前的軟件陷阱

NOP

CLREA ；關(guān)閉中斷，進(jìn)入死循環(huán)

；LJMPERR ；可選的錯誤處理

SJMP$

DATATAB:

DB23H,…… ；數(shù)據(jù)表格

NOP ；位于數(shù)據(jù)表格后的軟件陷阱

NOP

CLREA ；關(guān)閉中斷，進(jìn)入死循環(huán)

；LJMPERR ；可選的錯誤處理

SJMP$一旦PC跑飛，掉入陷阱內(nèi)，可根據(jù)情況執(zhí)行相應(yīng)的錯誤處理，如保護(hù)數(shù)據(jù)、設(shè)置復(fù)位標(biāo)志后，進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)。由于不能執(zhí)行看門狗計數(shù)器清0操作，導(dǎo)致看門狗計數(shù)器溢出，強(qiáng)迫系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

對于具有軟件復(fù)位功能的MCU芯片，如LPC76×、LPC900系列、SST89E5XRD2系列等，掉入軟件陷阱，執(zhí)行錯誤處理后，無須等待，即刻觸發(fā)軟件復(fù)位操作，如下所示：

NOP

NOP

CLREA ；關(guān)閉中斷，進(jìn)入死循環(huán)

；LJMPERR ；可選的錯誤處理

MOVAUXR1,#08H ；使AUXR1.3，即SRST置1，強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位(對LPC900系列)

；而對于SST89E5XRD2系列可通過“ORLSFCF,#02H”指令

；觸發(fā)軟件復(fù)位操作

這種傳統(tǒng)的軟件陷阱對PC在模塊內(nèi)“跑飛”、模塊間“跑飛”均有效，但它攔截的成功率并不高，原因是程序中無條件跳轉(zhuǎn)指令、子程序或中斷返回指令的數(shù)目畢竟有限；此外由于MCU存儲空間的限制，未必能在每一無條件跳轉(zhuǎn)指令后插入軟件陷阱指令系列，換句話說陷阱的個數(shù)有限。三是上述軟件陷阱的尺寸太小，僅由幾個字節(jié)組成，結(jié)果“跑飛”的PC剛好落入數(shù)量有限的小陷阱中的概率不大。為此，還需使用下面介紹的模塊間攔截方式來判別PC是否已“跑飛”。

2.遠(yuǎn)程攔截技術(shù)

對于采用模塊化程序結(jié)構(gòu)的MCU控制系統(tǒng)程序，可采用具有遠(yuǎn)程攔截功能的模塊結(jié)構(gòu)檢測PC是否從其他模塊“飛”入。

1)攔截原理

進(jìn)入每一模塊前，先保存模塊入口地址，然后再執(zhí)行模塊實體內(nèi)的指令系列。離開時算出模塊出口地址與入口地址的差，并與模塊長度比較。如果相同，則說明進(jìn)入本模塊時PC未“跑飛”，可復(fù)位看門狗定時器(簡稱喂狗)，并按正常步驟退出；反之，說明PC指針異常飛入，可根據(jù)需要執(zhí)行錯誤處理，如數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)保護(hù)等操作后，再執(zhí)行軟件復(fù)位或關(guān)閉中斷后執(zhí)行循環(huán)指令，等待看門狗計數(shù)器溢出，強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位，如圖7-4所示。

圖7-4遠(yuǎn)程攔截判別流程圖

2)模塊結(jié)構(gòu)舉例

下面分別給出具有遠(yuǎn)程攔截功能的幾種典型模塊結(jié)構(gòu)。

(1)通過堆棧保護(hù)入口地址的模塊結(jié)構(gòu)。當(dāng)堆棧深度較大時，可將模塊入口地址壓入堆棧保存，即可獲得適用于主程序、子程序以及中斷服務(wù)程序等通用的模塊結(jié)構(gòu)，如下所示：

PROCMod_name ；模塊名

Mod_name:

IN_ADR: ；模塊入口地址標(biāo)號

；PUSHACC ；ACC壓入堆棧(主程序模塊、主程序內(nèi)子程序模塊一般無需該 ；指令)

；*主程序模塊、主程序內(nèi)子程序模塊不一定需要如下兩條現(xiàn)場保護(hù)指令

；PUSHB

；PUSHPSW ；對中斷服務(wù)程序，要保護(hù)PSW，因為在求地址差時，改寫標(biāo)

；志位Cy

MOVA,#HIGH(IN_ADR) ；取模塊入口地址高8位

PUSHACC ；壓入堆棧保存

MOVA,#LOW(IN_ADR) ；取模塊入口地址低8位

PUSHACC ；壓入堆棧保存

；模塊實體

OUT_ADR: ；模塊出口地址標(biāo)號

CLRC ；增加2條冗余指令，防止其上多字節(jié)指令被拆分后跳過

CLRC

CLRC

MOVA,#LOW(OUT_ADR) ；取模塊出口地址低8位

POPB ；取出存放在堆棧中模塊入口地址低8位

SUBBA,B ；減模塊入口地址低8位

CJNEA,#(LOW(OUT_ADR)-LOW(IN_ADR)),Pr_ERROR ；與模塊長度低8位比較，

；不等錯

MOVA,#HIGH(OUT_ADR) ；取模塊出口地址高8位

POPB ；取出存放在堆棧中模塊入口地址高8位

SUBBA,B ；減模塊入口地址高8位

CJNEA,#(HIGH(OUT_ADR)-HIGH(IN_ADR)),Pr_ERROR ；與模塊長度高8位比較，

；不等錯

；正確，清看門狗定時器；*主程序模塊、主程序內(nèi)的子程序模塊不一定需要如下三條現(xiàn)場恢復(fù)指令

；POPPSW

；POPB

；POPACC

RETI ；根據(jù)模塊類型，選擇相應(yīng)的退出方式

RETI ；對于中斷選擇RETI、對于子程序選擇RET、對于主程序選擇

；LJMP

RETI ；冗余指令

Pr_ERROR:

；進(jìn)入軟件陷阱

NOP

NOP

；LJMPPRC_ERROR ；錯誤處理與數(shù)據(jù)恢復(fù)(可選)

ORLSFCF,#02H ；

使SFCF.1，即SWR位置1，觸發(fā)軟件復(fù)位(對于SST89E5XRD2

；系列)

END在上述程序結(jié)構(gòu)中，如果模塊長度用補(bǔ)碼形式(入口地址減出口地址)表示，則資源占用率會降低一些，同時還能省去3條指令，提高了系統(tǒng)的效率。補(bǔ)碼形式表示的模塊結(jié)構(gòu)如下所示：

PROCMod_name ；模塊名

Mod_name:

IN_ADR: ；模塊入口地址標(biāo)號

；*主程序模塊、主程序內(nèi)子程序模塊不一定需要如下現(xiàn)場保護(hù)指令

；PUSHPSW ；對中斷服務(wù)程序，要保護(hù)PSW，因為在求地址差時，改寫標(biāo) ；志位Cy

；PUSHACC ；Acc壓入堆棧(主程序模塊、主程序內(nèi)子程序模塊一般無需該

；指令)

MOVA,#HIGH(IN_ADR)；取模塊入口地址高8位

PUSHACC ；壓入堆棧保存

MOVA,#LOW(IN_ADR) ；取模塊入口地址低8位

PUSHACC ；壓入堆棧保存

；模塊實體

OUT_ADR: ；模塊出口地址標(biāo)號

CLRC ；增加2條冗余指令，防止其上多字節(jié)指令被拆分后跳過

CLRC

CLRC

POPACC ；取存放在堆棧中模塊入口地址低8位

SUBBA,#LOW(OUT_ADR) ；減模塊出口地址低8位

CJNEA,#(LOW(IN_ADR)-LOW(OUT_ADR)),Pr_ERROR ；與模塊長度低8位補(bǔ)碼比較，

；不等錯

POPACC ；取存放在堆棧中模塊入口地址高8位

SUBBA,#HIGH(OUT_ADR) ；減模塊出口地址高8位

CJNEA,#(HIGH(IN_ADR)-HIGH(OUT_ADR)),Pr_ERROR ；與模塊長度高8位補(bǔ)碼 ；比較，不等錯

；正確，清看門狗定時器

；*主程序模塊、主程序內(nèi)的子程序模塊不一定需要如下兩條現(xiàn)場恢復(fù)指令

；POPACC

；POPPSW

RETI ；根據(jù)模塊類型，選擇相應(yīng)的退出方式

RETI ；對于中斷選擇RETI、對于子程序選擇RET、對于主程

；序選擇LJMP

RETI ；冗余指令

Pr_ERROR:

；進(jìn)入軟件陷阱

NOP

NOP

；LJMPPRC_ERROR ；錯誤處理與數(shù)據(jù)恢復(fù)(可選)

ORLSFCF,#02H ；使SFCF.1，即SWR位置1，觸發(fā)軟件復(fù)位(對于

；SST89E5XRD2系列)

END該結(jié)構(gòu)模塊不僅適用于子程序、中斷服務(wù)程序，也適用于多任務(wù)程序結(jié)構(gòu)中的任務(wù)模塊、任務(wù)內(nèi)的作業(yè)模塊；采用過程定義偽指令“Proc…End”后，每一模塊入口地址、出口地址標(biāo)號可重復(fù)使用，指令完全相同；它不僅適用于CISC指令系統(tǒng)，也適用于RISC指令系統(tǒng)，通用性強(qiáng)。

唯一缺點是捕獲指令多了點，對系統(tǒng)運(yùn)行效率有一定的影響，不過當(dāng)模塊代碼規(guī)模較大時，效率降低并不明顯(因此不推薦在代碼長度短或?qū)崟r性要求高的模塊中采用)；所需堆棧深度較大，尤其是嵌套層次較多時要特別注意堆棧溢出問題。為此，避免在層次較低的子程序模塊、高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序中使用。

(2)直接保護(hù)入口地址的模塊結(jié)構(gòu)。當(dāng)堆棧深度有限時，可直接將模塊入口地址保存在內(nèi)部RAM單元中，模塊結(jié)構(gòu)如下所示：

Pr_INADRHDATAnnH ；程序頭定義的模塊入口地址高8位

Pr_INADRLDATAmmH ；程序頭定義的模塊入口地址低8位

PROCMod_name ；模塊定義偽指令

Mod_name: ；模塊名(全局標(biāo)號)

IN_ADR: ；模塊入口地址標(biāo)號

MOVPr_INADRH,#HIGH(IN_ADR) ；保存模塊入口地址高8位

MOVPr_INADRL,#LOW(IN_ADR) ；保存模塊入口地址低8位

……

；模塊實體

……

OUT_ADR: ；模塊出口地址標(biāo)號

CLRC ；2條冗余“CLRC”指令

CLRC

CLRC

MOVA,#LOW(OUT_ADR) ；取模塊出口地址低8位

SUBBA,Pr_INADRL ；減模塊入口地址低8位

CJNEA,#(LOW(OUT_ADR)-LOW(IN_ADR)),ERROR；與模塊長度低8位比較，不等錯

MOVA,#HIGH(OUT_ADR) ；取模塊出口地址高8位

SUBBA,Pr_INADRH ；減模塊入口地址高8位

CJNEA,#(HIGH(OUT_ADR)-HIGH(IN_ADR)),ERROR ；與模塊長度高8位比較，不等錯

；正確，清看門狗定時器

NOP

NOP

SETBWDT ；SST89E5XRD2系列喂狗指令

；返回或跳轉(zhuǎn)

；RET

；RET ；增加1～2條冗余指令

；RET ；如果是子程序，執(zhí)行RET指令返回

；RETI ；如果是中斷服務(wù)程序，執(zhí)行RETI指令返回 ；LJMPnnnn ；如果跳轉(zhuǎn)，則執(zhí)行LJMP指令，轉(zhuǎn)入指定標(biāo)號

ERROR:

；進(jìn)入軟件陷阱

NOP

NOP

；LJMPPRC_ERROR ；錯誤處理與數(shù)據(jù)恢復(fù)(可選)

ORLSFCF,#02H ；使SFCF.1，即SWR位置1，觸發(fā)軟件復(fù)位(對于 ；SST89E5XRD2系列)

END需要注意的是：直接保護(hù)模塊入口地址攔截方式不支持嵌套操作，即在主程序模塊中使用后，就不能在子程序模塊、中斷服務(wù)程序模塊中使用；在低優(yōu)先級中斷服務(wù)程序中使用后，就不能在高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序中使用，除非每一優(yōu)先級使用不同的內(nèi)部RAM單元存放各自的入口地址(由于同優(yōu)先級中斷不能嵌套，因此同優(yōu)先級中斷服務(wù)程序可以使用同一單元記錄入口地址)。

(3)僅記錄模塊入口地址低8位的模塊結(jié)構(gòu)。當(dāng)內(nèi)部RAM資源有限(沒有更多單元存放模塊入口地址高位)、堆棧深度也有限時，也可以僅保存模塊入口的低8位，離開時僅計算模塊出口地址與入口地址低8位的差，并與模塊長度低8位比較?？梢?，這一方式是上述兩種結(jié)構(gòu)模塊的簡化，盡管理論上攔截的準(zhǔn)確性有所下降，但實踐表明效果也不錯，因為應(yīng)用程序中兩模塊低位地址差相同的概率不大。

3)攔截效果

遠(yuǎn)程攔截結(jié)構(gòu)模塊能有效攔截模塊間(遠(yuǎn)距離)“跑飛”現(xiàn)象。顯然，模塊規(guī)模越小，攔截的成功率就越高(為使攔截成功與效率之間取得一定的平衡，實踐表明模塊長度控制在0.5～1KB為宜)。它不僅能準(zhǔn)確感知PC是否正常進(jìn)入本模塊，還可以從模塊入口地址單元中判斷出從哪一模塊飛入，為失控后的系統(tǒng)恢復(fù)提供了有價值的線索(如可根據(jù)模塊功能，將模塊入口地址裝入PC，重新執(zhí)行跳飛的模塊)。我們曾將這一檢測方式應(yīng)用于廣州某安防設(shè)備生產(chǎn)商委托研發(fā)的某型號報警主機(jī)中，取得了良好的效果。這種具有遠(yuǎn)程攔截功能的模塊程序經(jīng)編譯后，模塊入口、出口地址固定，還能有效地阻止了非授權(quán)用戶通過反匯編方式在模塊內(nèi)添加(或刪除)指令，一定程度上增加了代碼的安全性。7.5.4提高信號輸入/輸出的可靠性

1.提高電平(變化緩慢)信號輸入/輸出的可靠性

(1)提高輸入信號的可靠性。讀取變化緩慢的電平信號，如判別某一按鍵是否被按下、交流電源是否存在時，可采用“定時讀取、多數(shù)判決”方式來消除寄生的低頻與高頻干擾。

為消除低頻干擾可采用定時讀取方法。每隔特定時間讀取輸入信號狀態(tài)，并用3個寄存器位記錄最近3次獲取的狀態(tài)信息，然后根據(jù)狀態(tài)編碼確定輸入信號的當(dāng)前狀態(tài)。至于定時間隔大小取多少合適與輸入信號的性質(zhì)有關(guān)，例如對于經(jīng)全波整流、電容濾波后的交流信號，根據(jù)全波整流、電容濾波輸出信號特征(周期為10ms)，可每隔5ms讀一次輸入信號狀態(tài)，于是最近3個狀態(tài)編碼含義為

111——交流存在；

110——交流可能不存在，但尚不能準(zhǔn)確判定；

100——交流不存在；

000——無交流；

001——可能屬于交流恢復(fù)狀態(tài)；

011——交流恢復(fù)；

010——正脈沖干擾，應(yīng)判定為000態(tài)；

101——負(fù)脈沖干擾，也判定為111態(tài)。

為消除高頻干擾，定時時間到可用“3中取2”或“5中取3”方式代替“一讀”方式。假設(shè)交流輸入信號接P0.0引腳，則“3中取2”判別方式程序為

MOVC,P0.0

MOVACC.0,C ；一讀

MOVC,P0.0

MOVACC.1,C ；二讀

MOVC,P0.0

MOVACC.2,C ；三讀

ANLA,#07H ；僅保留b2～b0位狀態(tài)

CJNEA,#03H,NEXT1

；等于3，即011，應(yīng)判定為高電平，此時進(jìn)位標(biāo)志Cy=0

SJMPNEXT2

NEXT1:

CJNEA,#05H,NEXT2

NEXT2: ；僅用于根據(jù)比較結(jié)果設(shè)置進(jìn)位標(biāo)志Cy

；結(jié)果在進(jìn)位標(biāo)志Cy中，在3次連續(xù)讀操作中，如果讀到高電平次數(shù)大于低電平狀態(tài)時，Cy

；標(biāo)志為0，反之為1

(2)提高輸出信號的可靠性?？刹捎蒙厦娼榻B的冗余指令方式，多次輸出同一數(shù)據(jù)的方法來避免因PC“跑飛”可能改變輸出信號的狀態(tài)。

2.模擬輸入通道抗干擾軟件方式

作用于模擬輸入通道上的干擾可采用數(shù)字濾波的方法來消除。如算術(shù)平均、滑動平均值、一階RC數(shù)字低通濾波法等(或去掉最大、最小值后求平均)。

7.6.1仿真器

1.仿真器種類

單片機(jī)仿真器也稱為單片機(jī)仿真開發(fā)器，是單片機(jī)開發(fā)的重要工具，種類很多。根據(jù)使用的仿真技術(shù)，可將仿真器分為HOOKS仿真器和Bondout仿真器兩大類。

7.6系統(tǒng)調(diào)試與單片機(jī)開發(fā)工具基于Bondout仿真技術(shù)的仿真器使用專門設(shè)計的仿真芯片，能真實地仿真某一特定廠家、系列的單片機(jī)芯片，不占用硬件資源、仿真頻率高。

這類仿真器的缺點是通用性差，某一專用的仿真芯片只能仿真某一系列的單片機(jī)CPU，價格高，開發(fā)設(shè)備更新?lián)Q代速度慢，新單片機(jī)MCU芯片出現(xiàn)后，開發(fā)商才會根據(jù)市場需要設(shè)計配套的仿真芯片。以前國內(nèi)開發(fā)的普及型MCS-51仿真器大多采用價格低廉、僅支持標(biāo)準(zhǔn)MCS-51系列的仿真芯片；而支持增強(qiáng)型MCS-51或更高檔次CPU的專用仿真芯片價格昂貴，這類仿真器一般用戶很難接受。

HOOKS仿真技術(shù)由Philips公司開發(fā)，該技術(shù)的核心是通過分時復(fù)用I/O引腳方式來重構(gòu)MCS-51系列CPU的P0、P2口，使支持HOOKS技術(shù)的MCS-51芯片進(jìn)入HOOKS仿真狀態(tài)后，通過硬件將復(fù)用的P0、P2口擴(kuò)展為獨立的仿真總線及用戶P0、P2口。該方法的優(yōu)點是無須專用的仿真芯片，如用普通的51系列即可進(jìn)行相同芯片(或硬件資源兼容芯片)仿真，因此成本低，只要實時加入新型MCU數(shù)據(jù)資料，換上相應(yīng)MCU即可仿真新的MCU芯片，仿真開發(fā)設(shè)備更新速度快，投入少。但HOOKS仿真器通過硬件、軟件模擬MCS-51系列芯片的P0、P2口，與實際CPU的P0、P2口尚有區(qū)別(如I/O負(fù)載能力)，仿真頻率也不能太高。

目前國內(nèi)仿真器開發(fā)商通過授權(quán)、技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式從Philips公司引進(jìn)了HOOKS仿真技術(shù)，開發(fā)了基于HOOKS仿真技術(shù)的仿真器，如廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司的TKS-HOOKS系列等。這些仿真器適應(yīng)性廣，通過更改仿真頭內(nèi)的MCU芯片即可仿真不同系列的MCU。例如TKS-HOOKS系列內(nèi)的TKS-668仿真器，更換仿真頭內(nèi)的MCU后，可仿真Philips公司的8×C5×、8×C5××2、P89C51RX等系列芯片。

此外，根據(jù)仿真器適應(yīng)性，可把仿真器分為專用仿真器和通用仿真器。專用仿真器只能仿真某一系列的CPU，如南京偉福公司的K51系列和E51系列仿真器只能仿真MCS-51及兼容芯片，專用仿真器最大特點是價格低廉。通用仿真器適應(yīng)性強(qiáng)，更換不同的仿真頭，即可仿真不同種類的CPU，如南京偉福公司的V8系列、E6000系列等，更換不同種類仿真頭后即可仿真IntelMCS-51及兼容CPU、Philips公司增強(qiáng)型80C51內(nèi)核CPU(包括8×C5×系列、P89C51RX系列、552系列、592系列、76X系列、LPC900系列)以及Microchip公司的PIC系列CPU，其中V8系列還可以仿真32位ARM芯片，通用性很強(qiáng)。通用仿真器的價格高，一次性投入較大，但與仿真器配套的各系列仿真頭價格較低，更重要的是可在同一仿真開發(fā)環(huán)境下開發(fā)不同系列、型號的MCU應(yīng)用系統(tǒng)，源程序的編輯、編譯、調(diào)試操作相似或相同，效率高，也是物有所值。

2.仿真器的選擇

一般某一型號的仿真器只適用于開發(fā)特定系列、型號的單片機(jī)。因此選擇仿真器時，首先要了解該仿真器能仿真何種類型的單片機(jī)CPU。

仿真器功能越強(qiáng)，程序設(shè)計、調(diào)試的效率就越高，理想的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)必須具有如下功能：

(1)不占用硬件資源。一些低檔的MCS-51仿真器(仿真頭)只能將P0、P2口作為總線使用，不能作為I/O口使用。

(2)可隨機(jī)瀏覽、修改內(nèi)部RAM、特殊功能寄存器內(nèi)容。

(3)可瀏覽、編輯程序存儲器各存儲單元內(nèi)容。

(4)可隨