基于MCS-96單片機控制系統的程序失控防范

1 引言

　　單片機構成控制系統時(shí)，在滿(mǎn)足了各項控制功能后，為了使系統投入實(shí)用，必須提高其可靠性。但是，由于工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境惡劣，常會(huì )受到電磁設備啟動(dòng)、停止、電源波形畸變等因素的影響，各種干擾不可避免，若只靠避錯設計很難滿(mǎn)足要求，而且也很難確保這些硬件萬(wàn)無(wú)一失，必須為系統配備容錯功能。所以，抗干擾設計、容錯設計（包括故障檢測與診斷技術(shù)）和功能設計成為單片機系統設計缺一不可的重要內容。

　　在工業(yè)現場(chǎng)，大多數情況下干擾不會(huì )造成單片機系統硬件的損壞，主要是對軟件運行造成不良影響。其主要特征是：指令碼或數字碼受干擾，使程序的執行出現錯誤。最典型的錯誤有：1）CPU中的程序計數器PC的值發(fā)生跳變，使程序跑飛，轉去執行一個(gè)毫無(wú)意義或錯誤的程序段，使系統出現混亂或失控，嚴重時(shí)可能會(huì )造成設備損壞，甚至危及人身安全；2）輸出口被失控程序非法操作，使控制量發(fā)生波動(dòng)或使系統出現“死機”；3）RAM區域受干擾，造成數據被沖毀，使系統出現運行不正常，輸出出錯。下面以MCS－96系列單片機所組成的實(shí)時(shí)控制系統為例，提出一些有效、實(shí)用的程序失控防范措施。

2 捕捉跑飛程序的方法

2．1　指令冗余

　　單片機最易受干擾的是內部程序計數器——PC的值。在受到強干擾時(shí)，PC的值被改變，改變后的值是隨機的不確定值。這可使CPU將程序從正確的位置跑飛到ROM中的任何一個(gè)地址，當PC值飛到用戶(hù)工作程序ROM區內時(shí)，可采用指令冗余的方法使程序走上正軌。具體方法是：1）在一些對程序流向起決定性作用的指令，如SJMP、LJMP、LCALL、CALL等之前插入幾條NOP指令；2）在某些對系統工作至關(guān)重要的指令，如中斷、堆棧等之前插入幾條NOP 指令；3）在程序中每隔若干條指令，插入一條NOP指令；4）在多字節指令前插入一條或兩條NOP指令。

　　由于單片機指令大多數為單字節指令，在一個(gè)程序中，其中斷和堆棧指令使用的次數也很有限，因此，采用這種方法增加存儲單元的數量不會(huì )太多。區，如EPROM中未被使用的空間或程序中的數據表格區時(shí)，常采用軟件陷阱的方法來(lái)使程序納入正軌。

　　所謂軟件陷阱，就是一條引導指令，利用這條指令強行將程序引向一個(gè)指定的地址，在指定的地址上有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的出錯處理程序。假設該程序的入口標號為EPROM，則軟件陷阱由以下3條指令構成：

　　NOP
　　NOP
　　LJMP　　ERROR

　　該軟件陷阱除了安裝在未使用的用戶(hù)EPROM區外，還常常安置在未使用的中斷向量區、表格區的最后和程序的斷裂點(diǎn)后（斷裂點(diǎn)是指象LJMP、SJMP、RET等類(lèi)指令）。

2．3 看門(mén)狗（WATCHDOGTIMER）

　　當跑飛的程序既沒(méi)有落入軟件陷阱，又沒(méi)有遇到冗余指令，而是在用戶(hù)程序之間或用戶(hù)根本未使用的地址空間內跳來(lái)跳去，自動(dòng)形成一個(gè)死循環(huán)，解決這一問(wèn)題的辦法是利用軟件啟動(dòng)單片機的監視定時(shí)器，俗稱(chēng)“看門(mén)狗”。當出現上述情況時(shí)，利用它來(lái)使系統復位。這種方法簡(jiǎn)單、直觀(guān)，只需不超過(guò)64K狀態(tài)周期（16ms）的時(shí)間（用12M晶振時(shí)），計算機就可恢復正常。但此時(shí)，一定要通過(guò)軟件每隔一定時(shí)間（如15ms）使WATCHDOG TIMER復位一次。