C8051Fxxx程序丟失問(wèn)題的分析

      1 C8051Fxxx單片機簡(jiǎn)單介紹和Flash結構 

　　C8051Fxxx系列器件是Silicon Labs推出的一個(gè)高速單片機系列。這款單片機是完全集成的混合信號片上系統型MCU 芯片。

       具有高速、流水線(xiàn)結構的8051 兼容的CIP51內核；70%的指令的執行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統時(shí)鐘周期；片上有豐富的片內外設，根據型號的不同，包括ADC、DAC、UART、捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時(shí)器陣列、SPI、SMBus等。

　　C8051Fxxx單片機有大容量的Flash存儲器，用于程序代碼和非易失性數據存儲，可在系統編程。Flash的結構是以扇區為單位組織的（128 KB系列以1 024字節為1個(gè)扇區，64 KB系列以512字節為1個(gè)扇區）。非易失性Flash可以用來(lái)存儲系統的參數，如軟件版本、生產(chǎn)日期等。Flash可以使用編程器擦寫(xiě)，也可以在程序中使用MOVX指令來(lái)修改，從而使Flash 存儲器具有在系統重新編程能力，允許現場(chǎng)更新8051 固件程序。Flash的寫(xiě)和擦除操作由硬件自動(dòng)定時(shí)，以保證操作正確通過(guò)。C8051Fxxx的Flash保存下載的程序，在系統上電后，單片機從Flash讀出代碼數據到RAM，之后程序開(kāi)始運行。 

       2 程序丟失問(wèn)題的出現和原因 

　　在一些實(shí)際應用中，系統重新上電后會(huì )出現程序不能正常運行的問(wèn)題，常表現為“程序丟失”。通常是由于程序代碼被損壞或被修改造成的。 

　　造成程序丟失問(wèn)題的原因很多，可以歸結到一個(gè)基本原因，即對Flash的訪(fǎng)問(wèn)失敗而造成Flash保存的代碼出現錯誤。對于所有包含有Flash寫(xiě)/擦除子程序的系統，當CPU工作在規定的VDD、溫度、系統時(shí)鐘頻率范圍之外時(shí)，對Flash進(jìn)行寫(xiě)/擦除操作，都有可能出現Flash數據錯誤的現象。 

       2.1 Flash數據錯誤的硬件原因 

　　C8051Fxxx單片機的Flash操作由硬件控制，所以硬件上的不穩定可能造成Flash操作錯誤。硬件原因主要是能影響CPU正常運行的因素，以及能影響Flash操作環(huán)境的因素。這些因素包括操作電壓、溫度以及外部干擾脈沖等，具體如下： 

　?、?nbsp;能影響CPU運行可靠性的參數有系統時(shí)鐘源。如果系統時(shí)鐘由外部晶振提供，外部的電磁干擾引起尖脈沖，并耦合到系統時(shí)鐘上，則會(huì )導致不可預知的操作。 

　?、?nbsp;系統在單片機的工作電壓沒(méi)有穩定（VDD上升時(shí)間低于規定的1 ms）時(shí)就已經(jīng)完成復位，由于系統復位時(shí)需要從Flash讀出代碼數據，Flash電壓不穩定會(huì )出現不可預測的錯誤。 

　?、?nbsp;在對Flash的操作過(guò)程中，如果溫度、電壓不穩定，也可能造成Flash數據錯誤。 

       2.2 Flash數據錯誤的軟件原因 

　　代碼設計的缺陷是程序丟失的主要原因，因為單片機的Flash是由硬件來(lái)控制的，不能由軟件來(lái)控制操作的細節，所以程序的不完善可能造成Flash的訪(fǎng)問(wèn)出錯，從而使Flash數據出現錯誤。 這些操作包括： 在PSWE位（PSCTL.0）置1時(shí)CPU執行中斷服務(wù)程序中的MOVX寫(xiě)操作，該中斷服務(wù)程序要使用xdata 或pdata 的易失性存儲區單元，這樣可能導致向xdata 或pdata存儲區寫(xiě)的數據寫(xiě)到Flash中了，從而出現問(wèn)題。另外，如果使用外部晶振作系統時(shí)鐘，在時(shí)鐘沒(méi)有穩定時(shí)就對Flash進(jìn)行寫(xiě)操作，也可能造成程序丟失。 

       3 程序丟失問(wèn)題的解決方法 

　　針對以上可能的原因，可以從軟硬件兩個(gè)方面來(lái)解決程序丟失問(wèn)題。在硬件方面，主要是給系統提供穩定的工作環(huán)境，并避免外部干擾對CPU運行環(huán)境的影響；在軟件方面，主要是規范對Flash的操作。 

       3.1 從硬件方面預防程序丟失 

　　注意，以下的方法不是對所有的器件都適用，要根據具體的硬件情況選擇相應的方法： 

　?、?nbsp;在RST引腳安裝VDD監測電路，并將VDD監視設置為一個(gè)復位源（置RSTSRC.1為1）。這樣如果系統電壓不穩定，系統將自動(dòng)復位，從而避免在電壓不穩時(shí)訪(fǎng)問(wèn)Flash。 

　?、?nbsp;對外部晶振時(shí)鐘2分頻，更好的方法是使用內部振蕩器，這樣能提高系統時(shí)鐘的抗干擾能力。 

　?、?nbsp;如果使用外部晶振提供系統時(shí)鐘，信號線(xiàn)應盡量靠近單片機的輸入端，同時(shí)晶振外殼接地。 

　?、?nbsp;對于使用外部晶振作時(shí)鐘源的系統，應盡量增強晶振的驅動(dòng)能力，這樣也能在一定程度上預防程序丟失。 

       3.2 從軟件方面預防程序丟失 

　　程序丟失的主要原因是程序設計的缺陷，所以合理的程序代碼設計能極大地預防該問(wèn)題的出現。在代碼中可以用多種方法來(lái)預防Flash數據丟失： 

　?、?nbsp;在PSWE=1下禁止中斷，使得程序中的MOVX寫(xiě)指令是對Flash而不是對XRAM。 

　?、?nbsp;在PSWE=1下盡可能少地訪(fǎng)問(wèn)變量。在PSWE=0下執行地址譯碼操作，并用間接尋址方式執行MOVX寫(xiě)操作。例如，向Flash寫(xiě)多個(gè)字節，間接尋址和寫(xiě)PSWE過(guò)程如下： 

　　unsigned char xdata * idata pwrite;//使用idata指針指向Flash 

　　unsigned char *source; 

　　unsigned char mydata; 

　　for (addr = 0; addr <100; addr++) { 

　　//PSWE =0時(shí)獲取要寫(xiě)入的數據 

　　mydata = *source++; 

　　//PSWE =0時(shí)修改寫(xiě)入數據的目標地址 

　　pwrite = (unsigned char xdata *) addr; 

　　PSCTL = 0x01;//PSWE=1 

　　//賦值方式寫(xiě)入數據，此時(shí)不執行目標地址的修改操作 

　　*pwrite = mydata; 

　　PSCTL = 0x00;//PSWE=0 

　　} 

　　以上代碼中，當PSWE = 1時(shí)只執行寫(xiě)Flash操作（*pwrite = mydata）；其他操作，如修改addr的值、獲取源數據和目的地址，都是在PSWE = 0時(shí)執行的。 

　?、?nbsp;將Flash寫(xiě)/擦除指針指向data或idata區。 

　?、?nbsp;減少將PSWE置1的指令操作。理想的情況是只有兩個(gè)操作將PSWE置1，即寫(xiě)1個(gè)Flash字節和擦除1個(gè)Flash字節。 

　?、?nbsp;在Flash寫(xiě)/擦除函數中，使能VDD監視并設置復位源。使能和設置操作必須在實(shí)際的寫(xiě)操作發(fā)生之前，置PSWE=1之后完成。 

　?、?nbsp;代碼中所有的對RSTSRC的寫(xiě)操作均用直接賦值方式完成（如RSTSRC = 0x02）,不能用讀/寫(xiě)指令（如ORL或ANL）來(lái)完成。例如，代碼“RSTSRC |= 0x02”是非法的。 

　?、?nbsp;對于能用PORSF位來(lái)設置VDD為復位源的器件，保證在寫(xiě)RSTSRC時(shí)置PORSF＝1，即先使能VDD為復位源，再使能其他復位源的操作，如時(shí)鐘丟失監測（missing clock detector）、比較單元和軟件復位。 

       4 一個(gè)實(shí)際應用方案 

　　在有的應用場(chǎng)合，由于需要較快的執行速度，不能使用單片機的內部時(shí)鐘作系統時(shí)鐘源，所以使用外部晶振來(lái)提供時(shí)鐘。在這種情況下，首先要在硬件上確保系統工作參數正常。 

　　在軟件上，由于最常見(jiàn)的Flash丟失原因是程序問(wèn)題，所以可以在代碼中用多種方法來(lái)預防Flash數據丟失。首先，在初始化單片機時(shí)，使能VDD檢測，并設置VDD和時(shí)鐘丟失為復位源。如果程序中有寫(xiě)/擦除Flash的代碼，則在寫(xiě)/擦除操作前切換系統時(shí)鐘，將系統時(shí)鐘切到內部時(shí)鐘或對外部時(shí)鐘2分頻；寫(xiě)/擦除操作完成之后，再恢復系統時(shí)鐘，通過(guò)增加Flash修改操作時(shí)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)來(lái)實(shí)現系統的穩定［2］。以下以C8051F126為例，給出了系統時(shí)鐘切換的程序清單： 

　　void SYSCLKAdjust(unsigned char select) { 

　　EA_Save=EA; 

　　SFRPAGE=0x0f; 

　　switch(select) { 

　　case 0x01: 

　　OSCICN_Save = OSCICN; 

　　CLKSEL_Save = CLKSEL; 

　　OSCICN = 0xc3;//內部時(shí)鐘，不分頻 

　　CLKSEL = 0x00; 

　　break; 

　　case 0x02: 

　　OSCXCN_Save = OSCXCN; 

　　OSCXCN |= 0x70;//外部時(shí)鐘2分頻 

　　break; 

　　default://選擇內部時(shí)鐘 

　　OSCICN_Save = OSCICN; 

　　CLKSEL_Save = CLKSEL; 

　　OSCICN = 0xc3; 

　　CLKSEL = 0x00; 

　　break; 

　　} 

　　} 

　　要恢復系統時(shí)鐘到Flash操作前的狀態(tài)，只需將CLKSEL_Save、OSCICN_Save、OSCXCN_Save重新寫(xiě)回到CLKSEL、OSCIN、OSCXCN。 

　　C8051F126的系統時(shí)鐘（SYSCLK）可以在內部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘之間自由切換，切換時(shí)的操作要求如下： 

　?、?nbsp;在切換過(guò)程中，先設置所選時(shí)鐘的屬性，再用CLKSEL將其設置為SYSCLK。 

　?、?nbsp;在還原過(guò)程中，先用CLKSEL選擇時(shí)鐘源，再設置其屬性。 

　?、?nbsp;如果切換過(guò)程中關(guān)閉外部晶振，要再恢復外部時(shí)鐘，啟動(dòng)后至少要等1 ms，再去讀XTLVLD（OSCXCN.7）來(lái)判斷晶振時(shí)鐘是否穩定。否則，可能讀到錯誤值。 

　?、?nbsp;在外部時(shí)鐘穩定運行后，再對其分頻，不必插入等待周期。 

　?、?nbsp;在切換過(guò)程中，可以保持外部時(shí)鐘繼續運行，這樣在還原過(guò)程中就不必等待外部時(shí)鐘穩定，從而節省時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，代價(jià)是系統功耗有所增加。 

       5 總結 

　　程序丟失會(huì )帶來(lái)各種不良的后果，最嚴重時(shí)致使程序無(wú)法正常運行，從而造成整個(gè)系統崩潰，給產(chǎn)品的應用帶來(lái)麻煩。在系統的硬件設計和代碼編寫(xiě)過(guò)程中，通過(guò)對以上問(wèn)題的注意，可以有效地防止程序丟失問(wèn)題的出現。另外，由于系統時(shí)鐘的切換只發(fā)生在Flash的寫(xiě)/擦除過(guò)程中，操作結束后又恢復成原來(lái)的設置，因而對系統運行速度的影響很小，從而保證了系統其他功能的實(shí)現。