軟件“看門狗”技術

　　若失控的程序進入“死循環”，通常采用“看門狗”技術使程序脫離“死循環”。通過不斷檢測程序循環運行時間，若發現程序循環時間超過最大循環運行時間，則認為系統陷入“死循環”，需進行出錯處理。

　　“看門狗”技術可由硬件實現，也可由軟件實現。在工業應用中，嚴重的干擾有時會破壞中斷方式控制字，關閉中斷。則系統無法定時“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。

　　筆者在實際應用中，采用環形中斷監視系統。用定時器T0監視定時器T1，用定時器T1監視主程序，主程序監視定時器T0。采用這種環形結構的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能，大大提高了系統可靠性。對于需經常使用T1定時器進行串口通訊的測控系統，則定時器T1不能進行中斷，可改由串口中斷進行監控（如果用的是MCS-52系列單片機，也可用T2代替T1進行監視）。這種軟件“看門狗”監視原理是：在主程序、T0中斷服務程序、T1中斷服務程序中各設一運行觀測變量，假設為MWatch、T0Watch 、T1Watch，主程序每循環一次，MWatch加1，同樣T0、T1中斷服務程序執行一次，T0Watch、 T1Watch加1。在T0中斷服務程序中通過檢測T1Watch的變化情況判定T1運行是否正常，在T1中斷服務程序中檢測MWatch的變化情況判定主程序是否正常運行，在主程序中通過檢測T0Watch的變化情況判別T0是否正常工作。若檢測到某觀測變量變化不正常，比如應當加1而未加1，則轉到出錯處理程序作排除故障處理。當然，對主程序最大循環周期、定時器T0和T1定時周期應予以全盤合理考慮。限于篇幅不贅述。

　　硬件抗干擾技術

　　單片機系統因干擾復位或掉電后復位均屬非正常復位，應進行故障診斷并能自動恢復非正常復位前的狀態。

　　非正常復位的識別

　　程序的執行總是從0000H開始，導致程序從 0000H開始執行有四種可能：一、系統開機上電復位;二、軟件故障復位;三、看門狗超時未喂狗硬件復位; 四、任務正在執行中掉電后來電復位。四種情況中除第一種情況外均屬非正常復位，需加以識別。

　　（1 ）硬件復位與軟件復位的識別

　　此處硬件復位指開機復位與看門狗復位，硬件復位對寄存器有影響，如復位后PC=0000H， SP=07H，PSW=00H等。而軟件復位則對SP、SPW無影響。故對于微機測控系統，當程序正常運行時，將SP設置地址大于07H，或者將PSW的第5位用戶標志位在系統正常運行時設為1。那么系統復位時只需檢測PSW.5標志位或SP值便可判此是否硬件復位。

　　由于硬件復位時片內RAM狀態是隨機的，而軟件復位片內RAM則可保持復位前狀態，因此可選取片內某一個或兩個單元作為上電標志。設40H用來做上電標志，上電標志字為78H，若系統復位后40H單元內容不等于78H，則認為是硬件復位，否則認為是軟件復位，轉向出錯處理。若用兩個單元作上電標志，則這種判別方法的可靠性更高。

　?。? ）開機復位與看門狗故障復位的識別

　　開機復位與看門狗故障復位因同屬硬件復位， 所以要想予以正確識別，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。當系統正常運行時，設置一可掉電保護的觀測單元。當系統正常運行時，在定時喂狗的中斷服務程序中使該觀測單元保持正常值（設為 AAH），而在主程中將該單元清零，因觀測單元掉電可保護，則開機時通過檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復位。

　?。? ）正常開機復位與非正常開機復位的識別

　　識別測控系統中因意外情況如系統掉電等情況引起的開機復位與正常開機復位，對于過程控制系統尤為重要。如某以時間為控制標準的測控系統，完成一次測控任務需1小時。在已執行測控50分鐘的情況下，系統電壓異常引起復位，此時若系統復位后又從頭開始進行測控則會造成不必要的時間消耗。因此可通過一監測單元對當前系統的運行狀態、系統時間予以監控，將控制過程分解為若干步或若干時間段，每執行完一步或每運行一個時間段則對監測單元置為關機允許值，不同的任務或任務的不同階段有不同的值，若系統正在進行測控任務或正在執某時間段，則將監測單元置為非正常關機值。那么系統復位后可據此單元判系統原來的運行狀態，并跳到出錯處理程序中恢復系統原運行狀態。

　　非正常復位后系統自恢復運行的程序設計

　　對順序要求嚴格的一些過程控制系統，系統非正常復位否，一般都要求從失控的那一個模塊或任務恢復運行。所以測控系統要作好重要數據單元、參數的備份，如系統運行狀態、系統的進程值、當前輸入、輸出的值，當前時鐘值、觀測單元值等，這些數據既要定時備份，同時若有修改也應立即予以備份。

　　當在已判別出系統非正常復位的情況下，先要恢復一些必要的系統數據，如顯示模塊的初始化、片外擴展芯片的初始化等。其次再對測控系統的系統狀態、運行參數等予以恢復，包括顯示界面等的恢復。之后再把復位前的任務、參數、運行時間等恢復， 再進入系統運行狀態。

　　應當說明的是，真實地恢復系統的運行狀態需 要極為細致地對系統的重要數據予以備份，并加以數據可靠性檢查，以保證恢復的數據的可靠性。

　　其次，對多任務、多進程測控系統，數據的恢復需考慮恢復的次序問題。

　　系統基本初始化是指對芯片、顯示、輸入輸出方式等進行初始化，要注意輸入輸出的初始化不應造成誤動作。而復位前任務的初始化是指任務的執行狀態、運行時間等。

　　對于軟件抗干擾的一些其它常用方法如數字濾波、RAM數據保護與糾錯等，限于篇幅，本文未作討論。在工程實踐中通常都是幾種抗干擾方法并用，互相補充 完善，才能取得較好的抗干擾效果。從根本上來說，硬件抗干擾是主動的，而軟件是抗干擾是被動的。細致周到地分析干擾源，硬件與軟件抗干擾相結合，完善系統監控程序，設計一穩定可靠的單片機系統是完全可行的。

　　基礎知識

　　本段僅針對硬件設計人員和軟件設計人員，為了便于對硬件的理解要有一定的匯編語言基礎。

　　總線

　　我們知道，一個電路總是由元器件通過電線連接而成的，在模擬電路中，連線并不成為一個問題，因為各器件間一般是串行關系，各器件之間的連線并不很多，但計算機電路卻不一樣，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調，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連線，則線的數量將多得驚人，所以在微處理機中引入了總線的概念，各個器件共同享用連線，所有器件的8根數據線全部接到8根公用的線上，即相當于各個器件并聯起來，但僅這樣還不行，如果有兩個器件同時送出數據，一個為0，一個為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行控制，使器件分時工作，任何時候只能有一個器件發送數據（可以有多個器件同時接收）。器件的數據線也就被稱為數據總線，器件所有的控制線被稱為控制總線。在單片機內部或者外部存儲器及其它器件中有存儲單元，這些存儲單元要被分配地址，才能使用，分配地址當然也是以電信號的形式給出的，由于存儲單元比較多，所以，用于地址分配的線也較多，這些線被稱為地址總線。

　　數據地址指令

　　這三者的本質都是一樣的——數字，或者說都是一串‘0’和‘1’組成的序列。換言之，地址、指令也都是數據。指令：由單片機芯片的設計者規定的一種數字，它與我們常用的指令助記符有著嚴格的一一對應關系，不可以由單片機的開發者更改。地址：是尋找單片機內部、外部的存儲單元、輸入輸出口的依據，內部單元的地址值已由芯片設計者規定好，不可更改，外部的單元可以由單片機開發者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的（詳見程序的執行過程）。數據：這是由微處理機處理的對象，在各種不同的應用電路中各不相同，一般而言，被處理的數據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（如MOV TH0，#10H）10H即定時常數。

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

　　理解了地址、指令的本質，就不難理解程序運行過程中為什么會跑飛，會把數據當成指令來執行了。

　　P0/P2/P3功能

　　初學時往往對P0口、P2口和P3口的第二功能用法迷惑不解，認為第二功能和原功能之間要有一個切換的過程，或者說要有一條指令，事實上，各端口的第二功能完全是自動的，不需要用指令來轉換。如P3.6、P3.7分別是WR、RD信號，當微處理機外接RAM或有外部I/O口時，它們被用作第二功能，不能作為通用I/O口使用，只要一微處理機一執行到MOVX指令，就會有相應的信號從P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令說明。事實上‘不能作為通用I/O口使用’也并不是‘不能’而是（使用者）‘不會’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，并且當單片機執行到這條指令時，也會使P3.7變為高電平，但使用者不會這么去做，因為這通常會導致系統的崩潰。

　　程序執行過程

　　單片機在通電復位后8051內的程序計數器（PC）中的值為‘0000’，所以程序總是從‘0000’單元開始執行，也就是說：在系統的ROM中一定要存在‘0000’這個單元，并且在‘0000’單元中存放的一定是一條指令。

　　堆棧

　　堆棧是一個區域，是用來存放數據的，這個區域本身沒有任何特殊之處，就是內部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用數據的方式，即所謂的‘先進后出，后進先出’，并且堆棧有特殊的數據傳輸指令，即‘PUSH’和‘POP’，有一個特殊的專為其服務的單元，即堆棧指針SP，每當執一次PUSH指令時，SP就（在原來值的基礎上）自動減2，每當執行一次POP指令，SP就（在原來值的基礎上）自動加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，就可以把堆棧設置在規定的內存單元中，如在程序開始時，用一條MOV SP，#5FH指令，就是把堆棧設置在從內存單元60H開始的單元中。一般程序的開頭總有這么一條設置堆棧指針的指令，因為開機時，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這個區域正是8031的第二、三、四工作寄存器區，經常要被使用，這會造成數據的混亂。不同作者編寫程序時，初始化堆棧指令也不完全相同，這是作者的習慣問題。當設置好堆棧區后，并不意味著該區域成為一種專用內存，它還是可以象普通內存區域一樣使用，只是一般情況下編程者不會把它當成普通內存用了。

　　開發過程

　　這里所說的開發過程并不是一般書中所說的從任務分析開始，我們假設已設計并制作好硬件，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、地址，事實上這些常數、地址在設計階段已被直接或間接地確定下來了。如當某器件的連線設計好后，其地址也就被確定了，當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，用編譯器對源程序文件編譯，查錯，直到沒有語法錯誤，除了極簡單的程序外，一般應用仿真機對軟件進行調試，直到程序運行正確為止。運行正確后，就可以寫片（將程序固化在EPROM中）。在源程序被編譯后，生成了擴展名為HEX的目標文件，一般編程器能夠識別這種格式的文件，只要將此文件調入即可寫片。在此，為使大家對整個過程有個認識，舉一例說明：

　　單片機試驗板　　ORG 0000H

　　LJMP START

　　ORG 040H

　　START：

　　MOV SP，#5FH ;設堆棧

　　LOOP：

　　NOP

　　LJMP LOOP ;循環

　　END ;結束