基于MCS-96單片機控制系統(tǒng)的程序失控防范

1 引言

　　單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)時，在滿足了各項控制功能后，為了使系統(tǒng)投入實用，必須提高其可靠性。但是，由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，常會受到電磁設備啟動、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足要求，而且也很難確保這些硬件萬無一失，必須為系統(tǒng)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(tǒng)設計缺一不可的重要內(nèi)容。

　　在工業(yè)現(xiàn)場，大多數(shù)情況下干擾不會造成單片機系統(tǒng)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(shù)字碼受干擾，使程序的執(zhí)行出現(xiàn)錯誤。最典型的錯誤有：1）CPU中的程序計數(shù)器PC的值發(fā)生跳變，使程序跑飛，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一個毫無意義或錯誤的程序段，使系統(tǒng)出現(xiàn)混亂或失控，嚴重時可能會造成設備損壞，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)生波動或使系統(tǒng)出現(xiàn)“死機”；3）RAM區(qū)域受干擾，造成數(shù)據(jù)被沖毀，使系統(tǒng)出現(xiàn)運行不正常，輸出出錯。下面以MCS－96系列單片機所組成的實時控制系統(tǒng)為例，提出一些有效、實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(nèi)部程序計數(shù)器——PC的值。在受到強干擾時，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中的任何一個地址，當PC值飛到用戶工作程序ROM區(qū)內(nèi)時，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(tǒng)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(jié)指令前插入一條或兩條NOP指令。

　　由于單片機指令大多數(shù)為單字節(jié)指令，在一個程序中，其中斷和堆棧指令使用的次數(shù)也很有限，因此，采用這種方法增加存儲單元的數(shù)量不會太多。區(qū)，如EPROM中未被使用的空間或程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū)時，常采用軟件陷阱的方法來使程序納入正軌。

　　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指定的地址，在指定的地址上有一個專門的出錯處理程序。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(gòu)成：

　　NOP
　　NOP
　　LJMP　　ERROR

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

2．3 看門狗（WATCHDOGTIMER）

　　當跑飛的程序既沒有落入軟件陷阱，又沒有遇到冗余指令，而是在用戶程序之間或用戶根本未使用的地址空間內(nèi)跳來跳去，自動形成一個死循環(huán)，解決這一問題的辦法是利用軟件啟動單片機的監(jiān)視定時器，俗稱“看門狗”。當出現(xiàn)上述情況時，利用它來使系統(tǒng)復位。這種方法簡單、直觀，只需不超過64K狀態(tài)周期（16ms）的時間（用12M晶振時），計算機就可恢復正常。但此時，一定要通過軟件每隔一定時間（如15ms）使WATCHDOG TIMER復位一次。