軟件“看門狗”技術(shù)

　　若失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測(cè)程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時(shí)間超過最大循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進(jìn)行出錯(cuò)處理。

　　“看門狗”技術(shù)可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時(shí)會(huì)破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷。則系統(tǒng)無法定時(shí)“喂狗”，硬件看門狗電路失效。而軟件看門狗可有效地解決這類問題。

　　筆者在實(shí)際應(yīng)用中，采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)。用定時(shí)器T0監(jiān)視定時(shí)器T1，用定時(shí)器T1監(jiān)視主程序，主程序監(jiān)視定時(shí)器T0。采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能，大大提高了系統(tǒng)可靠性。對(duì)于需經(jīng)常使用T1定時(shí)器進(jìn)行串口通訊的測(cè)控系統(tǒng)，則定時(shí)器T1不能進(jìn)行中斷，可改由串口中斷進(jìn)行監(jiān)控（如果用的是MCS-52系列單片機(jī)，也可用T2代替T1進(jìn)行監(jiān)視）。這種軟件“看門狗”監(jiān)視原理是：在主程序、T0中斷服務(wù)程序、T1中斷服務(wù)程序中各設(shè)一運(yùn)行觀測(cè)變量，假設(shè)為MWatch、T0Watch 、T1Watch，主程序每循環(huán)一次，MWatch加1，同樣T0、T1中斷服務(wù)程序執(zhí)行一次，T0Watch、 T1Watch加1。在T0中斷服務(wù)程序中通過檢測(cè)T1Watch的變化情況判定T1運(yùn)行是否正常，在T1中斷服務(wù)程序中檢測(cè)MWatch的變化情況判定主程序是否正常運(yùn)行，在主程序中通過檢測(cè)T0Watch的變化情況判別T0是否正常工作。若檢測(cè)到某觀測(cè)變量變化不正常，比如應(yīng)當(dāng)加1而未加1，則轉(zhuǎn)到出錯(cuò)處理程序作排除故障處理。當(dāng)然，對(duì)主程序最大循環(huán)周期、定時(shí)器T0和T1定時(shí)周期應(yīng)予以全盤合理考慮。限于篇幅不贅述。

　　硬件抗干擾技術(shù)

　　單片機(jī)系統(tǒng)因干擾復(fù)位或掉電后復(fù)位均屬非正常復(fù)位，應(yīng)進(jìn)行故障診斷并能自動(dòng)恢復(fù)非正常復(fù)位前的狀態(tài)。

　　非正常復(fù)位的識(shí)別

　　程序的執(zhí)行總是從0000H開始，導(dǎo)致程序從 0000H開始執(zhí)行有四種可能：一、系統(tǒng)開機(jī)上電復(fù)位;二、軟件故障復(fù)位;三、看門狗超時(shí)未喂狗硬件復(fù)位; 四、任務(wù)正在執(zhí)行中掉電后來電復(fù)位。四種情況中除第一種情況外均屬非正常復(fù)位，需加以識(shí)別。

　?。? ）硬件復(fù)位與軟件復(fù)位的識(shí)別

　　此處硬件復(fù)位指開機(jī)復(fù)位與看門狗復(fù)位，硬件復(fù)位對(duì)寄存器有影響，如復(fù)位后PC=0000H， SP=07H，PSW=00H等。而軟件復(fù)位則對(duì)SP、SPW無影響。故對(duì)于微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，將SP設(shè)置地址大于07H，或者將PSW的第5位用戶標(biāo)志位在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)設(shè)為1。那么系統(tǒng)復(fù)位時(shí)只需檢測(cè)PSW.5標(biāo)志位或SP值便可判此是否硬件復(fù)位。

　　由于硬件復(fù)位時(shí)片內(nèi)RAM狀態(tài)是隨機(jī)的，而軟件復(fù)位片內(nèi)RAM則可保持復(fù)位前狀態(tài)，因此可選取片內(nèi)某一個(gè)或兩個(gè)單元作為上電標(biāo)志。設(shè)40H用來做上電標(biāo)志，上電標(biāo)志字為78H，若系統(tǒng)復(fù)位后40H單元內(nèi)容不等于78H，則認(rèn)為是硬件復(fù)位，否則認(rèn)為是軟件復(fù)位，轉(zhuǎn)向出錯(cuò)處理。若用兩個(gè)單元作上電標(biāo)志，則這種判別方法的可靠性更高。

　　（2 ）開機(jī)復(fù)位與看門狗故障復(fù)位的識(shí)別

　　開機(jī)復(fù)位與看門狗故障復(fù)位因同屬硬件復(fù)位， 所以要想予以正確識(shí)別，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)置一可掉電保護(hù)的觀測(cè)單元。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在定時(shí)喂狗的中斷服務(wù)程序中使該觀測(cè)單元保持正常值（設(shè)為 AAH），而在主程中將該單元清零，因觀測(cè)單元掉電可保護(hù)，則開機(jī)時(shí)通過檢測(cè)該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復(fù)位。

　?。? ）正常開機(jī)復(fù)位與非正常開機(jī)復(fù)位的識(shí)別

　　識(shí)別測(cè)控系統(tǒng)中因意外情況如系統(tǒng)掉電等情況引起的開機(jī)復(fù)位與正常開機(jī)復(fù)位，對(duì)于過程控制系統(tǒng)尤為重要。如某以時(shí)間為控制標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)控系統(tǒng)，完成一次測(cè)控任務(wù)需1小時(shí)。在已執(zhí)行測(cè)控50分鐘的情況下，系統(tǒng)電壓異常引起復(fù)位，此時(shí)若系統(tǒng)復(fù)位后又從頭開始進(jìn)行測(cè)控則會(huì)造成不必要的時(shí)間消耗。因此可通過一監(jiān)測(cè)單元對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)時(shí)間予以監(jiān)控，將控制過程分解為若干步或若干時(shí)間段，每執(zhí)行完一步或每運(yùn)行一個(gè)時(shí)間段則對(duì)監(jiān)測(cè)單元置為關(guān)機(jī)允許值，不同的任務(wù)或任務(wù)的不同階段有不同的值，若系統(tǒng)正在進(jìn)行測(cè)控任務(wù)或正在執(zhí)某時(shí)間段，則將監(jiān)測(cè)單元置為非正常關(guān)機(jī)值。那么系統(tǒng)復(fù)位后可據(jù)此單元判系統(tǒng)原來的運(yùn)行狀態(tài)，并跳到出錯(cuò)處理程序中恢復(fù)系統(tǒng)原運(yùn)行狀態(tài)。

　　非正常復(fù)位后系統(tǒng)自恢復(fù)運(yùn)行的程序設(shè)計(jì)

　　對(duì)順序要求嚴(yán)格的一些過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)非正常復(fù)位否，一般都要求從失控的那一個(gè)模塊或任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行。所以測(cè)控系統(tǒng)要作好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份，如系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)的進(jìn)程值、當(dāng)前輸入、輸出的值，當(dāng)前時(shí)鐘值、觀測(cè)單元值等，這些數(shù)據(jù)既要定時(shí)備份，同時(shí)若有修改也應(yīng)立即予以備份。

　　當(dāng)在已判別出系統(tǒng)非正常復(fù)位的情況下，先要恢復(fù)一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如顯示模塊的初始化、片外擴(kuò)展芯片的初始化等。其次再對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等予以恢復(fù)，包括顯示界面等的恢復(fù)。之后再把復(fù)位前的任務(wù)、參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等恢復(fù)， 再進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

　　應(yīng)當(dāng)說明的是，真實(shí)地恢復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)需 要極為細(xì)致地對(duì)系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)予以備份，并加以數(shù)據(jù)可靠性檢查，以保證恢復(fù)的數(shù)據(jù)的可靠性。

　　其次，對(duì)多任務(wù)、多進(jìn)程測(cè)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的恢復(fù)需考慮恢復(fù)的次序問題。

　　系統(tǒng)基本初始化是指對(duì)芯片、顯示、輸入輸出方式等進(jìn)行初始化，要注意輸入輸出的初始化不應(yīng)造成誤動(dòng)作。而復(fù)位前任務(wù)的初始化是指任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間等。

　　對(duì)于軟件抗干擾的一些其它常用方法如數(shù)字濾波、RAM數(shù)據(jù)保護(hù)與糾錯(cuò)等，限于篇幅，本文未作討論。在工程實(shí)踐中通常都是幾種抗干擾方法并用，互相補(bǔ)充 完善，才能取得較好的抗干擾效果。從根本上來說，硬件抗干擾是主動(dòng)的，而軟件是抗干擾是被動(dòng)的。細(xì)致周到地分析干擾源，硬件與軟件抗干擾相結(jié)合，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序，設(shè)計(jì)一穩(wěn)定可靠的單片機(jī)系統(tǒng)是完全可行的。

　　基礎(chǔ)知識(shí)

　　本段僅針對(duì)硬件設(shè)計(jì)人員和軟件設(shè)計(jì)人員，為了便于對(duì)硬件的理解要有一定的匯編語言基礎(chǔ)。

　　總線

　　我們知道，一個(gè)電路總是由元器件通過電線連接而成的，在模擬電路中，連線并不成為一個(gè)問題，因?yàn)楦髌骷g一般是串行關(guān)系，各器件之間的連線并不很多，但計(jì)算機(jī)電路卻不一樣，它是以微處理器為核心，各器件都要與微處理器相連，各器件之間的工作必須相互協(xié)調(diào)，所以需要的連線就很多了，如果仍如同模擬電路一樣，在各微處理器和各器件間單獨(dú)連線，則線的數(shù)量將多得驚人，所以在微處理機(jī)中引入了總線的概念，各個(gè)器件共同享用連線，所有器件的8根數(shù)據(jù)線全部接到8根公用的線上，即相當(dāng)于各個(gè)器件并聯(lián)起來，但僅這樣還不行，如果有兩個(gè)器件同時(shí)送出數(shù)據(jù)，一個(gè)為0，一個(gè)為1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？這種情況是不允許的，所以要通過控制線進(jìn)行控制，使器件分時(shí)工作，任何時(shí)候只能有一個(gè)器件發(fā)送數(shù)據(jù)（可以有多個(gè)器件同時(shí)接收）。器件的數(shù)據(jù)線也就被稱為數(shù)據(jù)總線，器件所有的控制線被稱為控制總線。在單片機(jī)內(nèi)部或者外部存儲(chǔ)器及其它器件中有存儲(chǔ)單元，這些存儲(chǔ)單元要被分配地址，才能使用，分配地址當(dāng)然也是以電信號(hào)的形式給出的，由于存儲(chǔ)單元比較多，所以，用于地址分配的線也較多，這些線被稱為地址總線。

　　數(shù)據(jù)地址指令

　　這三者的本質(zhì)都是一樣的——數(shù)字，或者說都是一串‘0’和‘1’組成的序列。換言之，地址、指令也都是數(shù)據(jù)。指令：由單片機(jī)芯片的設(shè)計(jì)者規(guī)定的一種數(shù)字，它與我們常用的指令助記符有著嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，不可以由單片機(jī)的開發(fā)者更改。地址：是尋找單片機(jī)內(nèi)部、外部的存儲(chǔ)單元、輸入輸出口的依據(jù)，內(nèi)部單元的地址值已由芯片設(shè)計(jì)者規(guī)定好，不可更改，外部的單元可以由單片機(jī)開發(fā)者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的（詳見程序的執(zhí)行過程）。數(shù)據(jù)：這是由微處理機(jī)處理的對(duì)象，在各種不同的應(yīng)用電路中各不相同，一般而言，被處理的數(shù)據(jù)可能有這么幾種情況：

　　1.地址（如MOV DPTR，1000H），即地址1000H送入DPTR。

　　2.方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。

　　3.常數(shù)（如MOV TH0，#10H）10H即定時(shí)常數(shù)。

　　4.實(shí)際輸出值（如P1口接彩燈，要燈全亮，則執(zhí)行指令：MOV P1，#0FFH，要燈全暗，則執(zhí)行指令：MOV P1，#00H）這里0FFH和00H都是實(shí)際輸出值。又如用于LED的字形碼，也是實(shí)際輸出的值。

　　理解了地址、指令的本質(zhì)，就不難理解程序運(yùn)行過程中為什么會(huì)跑飛，會(huì)把數(shù)據(jù)當(dāng)成指令來執(zhí)行了。

　　P0/P2/P3功能

　　初學(xué)時(shí)往往對(duì)P0口、P2口和P3口的第二功能用法迷惑不解，認(rèn)為第二功能和原功能之間要有一個(gè)切換的過程，或者說要有一條指令，事實(shí)上，各端口的第二功能完全是自動(dòng)的，不需要用指令來轉(zhuǎn)換。如P3.6、P3.7分別是WR、RD信號(hào)，當(dāng)微處理機(jī)外接RAM或有外部I/O口時(shí)，它們被用作第二功能，不能作為通用I/O口使用，只要一微處理機(jī)一執(zhí)行到MOVX指令，就會(huì)有相應(yīng)的信號(hào)從P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令說明。事實(shí)上‘不能作為通用I/O口使用’也并不是‘不能’而是（使用者）‘不會(huì)’將其作為通用I/O口使用。你完全可以在指令中按排一條SETB P3.7的指令，并且當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行到這條指令時(shí)，也會(huì)使P3.7變?yōu)楦唠娖?，但使用者不?huì)這么去做，因?yàn)檫@通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。

　　程序執(zhí)行過程

　　單片機(jī)在通電復(fù)位后8051內(nèi)的程序計(jì)數(shù)器（PC）中的值為‘0000’，所以程序總是從‘0000’單元開始執(zhí)行，也就是說：在系統(tǒng)的ROM中一定要存在‘0000’這個(gè)單元，并且在‘0000’單元中存放的一定是一條指令。

　　堆棧

　　堆棧是一個(gè)區(qū)域，是用來存放數(shù)據(jù)的，這個(gè)區(qū)域本身沒有任何特殊之處，就是內(nèi)部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用數(shù)據(jù)的方式，即所謂的‘先進(jìn)后出，后進(jìn)先出’，并且堆棧有特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令，即‘PUSH’和‘POP’，有一個(gè)特殊的專為其服務(wù)的單元，即堆棧指針SP，每當(dāng)執(zhí)一次PUSH指令時(shí)，SP就（在原來值的基礎(chǔ)上）自動(dòng)減2，每當(dāng)執(zhí)行一次POP指令，SP就（在原來值的基礎(chǔ)上）自動(dòng)加2。由于SP中的值可以用指令加以改變，所以只要在程序開始階段更改了SP的值，就可以把堆棧設(shè)置在規(guī)定的內(nèi)存單元中，如在程序開始時(shí)，用一條MOV SP，#5FH指令，就是把堆棧設(shè)置在從內(nèi)存單元60H開始的單元中。一般程序的開頭總有這么一條設(shè)置堆棧指針的指令，因?yàn)殚_機(jī)時(shí)，SP的初始值為07H，這樣就使堆棧從08H單元開始往后，而08H到1FH這個(gè)區(qū)域正是8031的第二、三、四工作寄存器區(qū)，經(jīng)常要被使用，這會(huì)造成數(shù)據(jù)的混亂。不同作者編寫程序時(shí)，初始化堆棧指令也不完全相同，這是作者的習(xí)慣問題。當(dāng)設(shè)置好堆棧區(qū)后，并不意味著該區(qū)域成為一種專用內(nèi)存，它還是可以象普通內(nèi)存區(qū)域一樣使用，只是一般情況下編程者不會(huì)把它當(dāng)成普通內(nèi)存用了。

　　開發(fā)過程

　　這里所說的開發(fā)過程并不是一般書中所說的從任務(wù)分析開始，我們假設(shè)已設(shè)計(jì)并制作好硬件，下面就是編寫軟件的工作。在編寫軟件之前，首先要確定一些常數(shù)、地址，事實(shí)上這些常數(shù)、地址在設(shè)計(jì)階段已被直接或間接地確定下來了。如當(dāng)某器件的連線設(shè)計(jì)好后，其地址也就被確定了，當(dāng)器件的功能被確定下來后，其控制字也就被確定了。然后用文本編輯器（如EDIT、CCED等）編寫軟件，編寫好后，用編譯器對(duì)源程序文件編譯，查錯(cuò)，直到?jīng)]有語法錯(cuò)誤，除了極簡(jiǎn)單的程序外，一般應(yīng)用仿真機(jī)對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試，直到程序運(yùn)行正確為止。運(yùn)行正確后，就可以寫片（將程序固化在EPROM中）。在源程序被編譯后，生成了擴(kuò)展名為HEX的目標(biāo)文件，一般編程器能夠識(shí)別這種格式的文件，只要將此文件調(diào)入即可寫片。在此，為使大家對(duì)整個(gè)過程有個(gè)認(rèn)識(shí)，舉一例說明：

　　單片機(jī)試驗(yàn)板　　ORG 0000H

　　LJMP START

　　ORG 040H

　　START：

　　MOV SP，#5FH ;設(shè)堆棧

　　LOOP：

　　NOP

　　LJMP LOOP ;循環(huán)

　　END ;結(jié)束