單片機(jī)的狀態(tài)遷移與復(fù)位操作

　　1 單片機(jī)的工作狀態(tài)及其狀態(tài)遷移

　　80C51單片機(jī)的各種活動(dòng)，可以描述成多個(gè)不同的工作狀態(tài)或工作模式。這里利用筆者構(gòu)思的一個(gè)單片機(jī)工作狀態(tài)遷移圖(如圖1所示)來(lái)說(shuō)明。不過(guò)，這里重點(diǎn)關(guān)注的是復(fù)位狀態(tài)。

　　經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析之后，從圖1中可以看出：

　?、?把單片機(jī)經(jīng)歷的所有生存狀態(tài)歸納和描繪成5個(gè)狀態(tài)--1個(gè)非工作狀態(tài)(即無(wú)電狀態(tài))和4個(gè)工作狀態(tài)。

　?、?只有復(fù)位狀態(tài)是一個(gè)暫態(tài)，其他均為穩(wěn)態(tài)；并且每次單片機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，都要經(jīng)歷一次復(fù)位狀態(tài)。

　?、?只有在正常運(yùn)行狀態(tài)(這里記作NORMAL)下，單片機(jī)才按照程序存儲(chǔ)器中固化的用戶程序按部就班地一步一步執(zhí)行，從而完成開發(fā)者設(shè)計(jì)的各項(xiàng)任務(wù)。

　?、?停機(jī)狀態(tài)(或PD模式)和待機(jī)狀態(tài)(或IDL模式)，主要是為節(jié)能降耗而規(guī)劃的節(jié)電狀態(tài)(或稱"睡眠狀態(tài)")。

　?、?從無(wú)電狀態(tài)離開的唯一條件就是上電，并且唯一能夠到達(dá)的是一個(gè)暫態(tài)--復(fù)位

　　⑥ 復(fù)位狀態(tài)以外的4個(gè)狀態(tài)都有遷移到復(fù)位狀態(tài)的途徑，只是導(dǎo)致遷移的條件不盡相同。

　?、?無(wú)電狀態(tài)之外的4個(gè)工作狀態(tài)，都可能因?yàn)殡S時(shí)斷電而導(dǎo)致單片機(jī)進(jìn)入"無(wú)電狀態(tài)"。

　?、?從另外3個(gè)工作狀態(tài)遷移到復(fù)位狀態(tài)，基本都是依靠外部引腳RST上的復(fù)位信號(hào)。原始復(fù)位源比較單一，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)80C51的復(fù)位邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單。如果想增加"電源欠壓復(fù)位"和"看門狗復(fù)位"等其他復(fù)位源，則需要片外擴(kuò)充獨(dú)立電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　?、?標(biāo)準(zhǔn)80C51沒有設(shè)計(jì)"軟件復(fù)位"功能，如果需要該功能，可以通過(guò)用戶程序自行實(shí)現(xiàn)。不同的是，軟件復(fù)位不會(huì)令CPU經(jīng)歷一次復(fù)位狀態(tài)。

　　2 復(fù)位源、復(fù)位操作和復(fù)位狀態(tài)

    像數(shù)字電路中的時(shí)序邏輯電路器件需要具備復(fù)位功能一樣，各種類型的單片機(jī)也都需要具備復(fù)位功能(RESET)。復(fù)位功能按其英文原意是重新設(shè)置的意思，也就是從頭開始執(zhí)行程序，或者重新從頭執(zhí)行程序(Restart)的意思。復(fù)位是單片機(jī)的一項(xiàng)重要操作內(nèi)容，其目標(biāo)是確保單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程有一個(gè)良好的開端，確保單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中有一個(gè)良好的狀態(tài)。

　　需要強(qiáng)調(diào)的是：關(guān)于"復(fù)位"一詞，它既包含復(fù)位活動(dòng)的意思，又包含復(fù)位狀態(tài)的意思?；蛘哒f(shuō)，復(fù)位既是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念(指復(fù)位活動(dòng)、復(fù)位操作、復(fù)位處理或復(fù)位過(guò)程等)，又是一個(gè)靜態(tài)的概念(指復(fù)位狀態(tài)或復(fù)位模式等)。

　　2.1 常規(guī)復(fù)位源和擴(kuò)充復(fù)位源

　　從現(xiàn)今的技術(shù)高度來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)80C51單片機(jī)的復(fù)位功能設(shè)計(jì)得不夠完善，不僅沒有設(shè)置復(fù)位標(biāo)志位寄存器，而且復(fù)位源的種類也很少。

　　所謂"復(fù)位源"，就是導(dǎo)致或者引起單片機(jī)內(nèi)部復(fù)位的源泉。對(duì)于當(dāng)前市場(chǎng)上出現(xiàn)的種類比較齊全的單片機(jī)，其典型復(fù)位源大致可以歸納為以下6種：上電復(fù)位、人工復(fù)位、電源欠壓復(fù)位、看門狗復(fù)位、非法地址復(fù)位和軟件復(fù)位。這些復(fù)位源的特點(diǎn)是：

　　① 上電復(fù)位這一種復(fù)位源是必不可少的。因?yàn)槊看谓o單片機(jī)加電時(shí)，其電源電壓的穩(wěn)定，以及時(shí)鐘振蕩器的起振和振幅穩(wěn)定，都需要一定的延遲時(shí)間。

　?、?只有上電復(fù)位和人工復(fù)位這兩種復(fù)位源，是講解80C51單片機(jī)的教科書、技術(shù)文章和文獻(xiàn)資料巾比較常見的。

　　③ 對(duì)于電源欠壓復(fù)位、看門狗復(fù)位和非法地址復(fù)位3種復(fù)位源，標(biāo)準(zhǔn)80C51是不具備的，不過(guò)可以額外擴(kuò)充，可由單片機(jī)用戶根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)附加一些軟件或硬件的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　?、?雖然電源欠壓復(fù)位、看門狗復(fù)位、非法地址復(fù)位3種復(fù)位源可以額外擴(kuò)充，但是都必須借助于復(fù)位引腳RST來(lái)實(shí)施復(fù)位操作或復(fù)位鎖定。

　　⑤ 標(biāo)準(zhǔn)80C51本來(lái)不具備軟件復(fù)位功能，但是可以通過(guò)純軟件方式以及虛擬手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)或者部分實(shí)現(xiàn)其他單片機(jī)的軟件復(fù)位。這種方法擴(kuò)充的軟件復(fù)位是一種比較特殊的復(fù)位源，一是不通過(guò)RST引腳實(shí)現(xiàn)復(fù)位，二是復(fù)位操作的內(nèi)容與眾不同。軟件復(fù)位作為一種新技術(shù)，目前有越來(lái)越多的新型單片機(jī)配備了該功能。例如Philips公司的P87LPC700和P89LPC900系列、TI-BB公司的MSC1200系列、SunPlus公司的SPMC65系列等，內(nèi)部都設(shè)計(jì)了專門用于實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位的控制寄存器或者控制位。

    2.2 復(fù)位操作的具體內(nèi)容

　　單片機(jī)復(fù)位功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行一系列的復(fù)位操作。在復(fù)位期間，單片機(jī)內(nèi)部的復(fù)位操作究竟完成了哪些內(nèi)容，是程序設(shè)計(jì)人員應(yīng)該搞清的問(wèn)題，因?yàn)閱纹瑱C(jī)復(fù)位操作完成之后的內(nèi)部狀態(tài)，就是運(yùn)行用戶程序和進(jìn)行軟件處理的背景、基礎(chǔ)和起點(diǎn)。 對(duì)80C51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，只有軟件復(fù)位的具體內(nèi)容和影響范圍，是可以由用戶自由定制的；而凡是直接作用于復(fù)位引腳RST上的復(fù)位源(如上電復(fù)位等)，所實(shí)現(xiàn)的復(fù)位操作的具體內(nèi)容和影響范圍都應(yīng)該是一樣的?，F(xiàn)在歸納如下：

　?、?程序計(jì)數(shù)器PC返回到原始狀態(tài)0000H；

　　② 所有特殊功能寄存器SFR全部還原為復(fù)位值(可以查閱技術(shù)手冊(cè))；

　　③ 所有通用并行端口(P0、P1、P2和P3)的引腳全部被設(shè)置為輸入狀態(tài)；

　?、?清除各級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)的激活觸發(fā)器，以便受理各級(jí)中斷請(qǐng)求(在標(biāo)準(zhǔn)80C51中只設(shè)置了2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)別，而在有些新型兼容產(chǎn)品中設(shè)置了4個(gè)級(jí)別)。

　　2.3 復(fù)位狀態(tài)的具體表現(xiàn)

　　單片機(jī)一旦進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)并且停留在復(fù)位狀態(tài)下(即外接引腳RST被鎖定在有效的高電平上)，就會(huì)表現(xiàn)出如下一些具體特征：

• CPU不再執(zhí)行程序而保持靜止(凍結(jié))狀態(tài)；
• 各種片內(nèi)外圍模塊(定時(shí)器、串行口、總線接口、中斷系統(tǒng)等)均停止工作；
• 各個(gè)并口(P0～P3)的所有口線均對(duì)外呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；
• 各SFR的內(nèi)容均恢復(fù)到復(fù)位值(即返回到知情范圍)；
• 內(nèi)部RAM內(nèi)容維持記憶，只要電源電壓不低于最低維持電壓(一般為2 V)就能夠保持原有內(nèi)容；
• 內(nèi)部時(shí)鐘源振蕩器仍然會(huì)維持振蕩，只要電源電壓還在1 V(甚至略低于1 V)，振蕩器就能夠維持工作；
• 各種片外電路(如擴(kuò)展存儲(chǔ)器、擴(kuò)展I／O端口或鎖存器等)都應(yīng)該維持原有內(nèi)容和狀態(tài)。

　　2.4 補(bǔ)充說(shuō)明

　　格外值得關(guān)注的是，經(jīng)歷了復(fù)位操作之后的各個(gè)并行端口的狀態(tài)。因?yàn)槎丝谝_是單片機(jī)聯(lián)系外部世界的、最多的一類引腳，其復(fù)位狀態(tài)(即初始化狀態(tài))將直接影響外部電路，甚至還會(huì)對(duì)外部電路構(gòu)成威脅或造成損壞。為了避免這種影響或威脅，總是把各條端口引腳復(fù)位成"輸人方式"。理由是，輸入方式對(duì)外呈現(xiàn)出很高的阻抗，從而有效地防止了可能發(fā)生的過(guò)流損壞。

　　任何方式或任何復(fù)位源引起的復(fù)位操作，都不會(huì)改變RAM區(qū)的用戶數(shù)據(jù)。甚至就連欠壓復(fù)位事件的發(fā)生，只要電源電壓VDD還沒有跌落到連RAM內(nèi)容都不能維持的地步(一般以2 V為門限)，就不會(huì)丟失RAM中的用戶數(shù)據(jù)。

　　3 幾點(diǎn)新啟示

　　單片機(jī)系統(tǒng)一旦進(jìn)入PD模式(即停機(jī)模式，或掉電模式，有時(shí)也稱"掉電保護(hù)模式")，系統(tǒng)時(shí)鐘源就會(huì)停止工作，CPU以及所有的片載硬件模塊一起退出運(yùn)行狀態(tài)，從而使功耗大幅度降低(可以到達(dá)μA級(jí)，甚至以下)。

　　單片機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目開發(fā)人員利用停機(jī)模式可以達(dá)到兩種目的：

　?、俳档蛦纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的總體耗能；

　　②抵御電源電壓跌落時(shí)可能帶來(lái)的CPU失控，就是一旦發(fā)現(xiàn)電源電壓跌落、欠壓或故障，則強(qiáng)行把單片機(jī)推入停機(jī)模

　　通過(guò)仔細(xì)分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初Intel公司為80C51設(shè)置停機(jī)模式的主要初衷，應(yīng)該是基于上述第二種目的。理由是，從圖1中可以看出，常規(guī)喚醒方式可以令單片機(jī)從PD模式直接返回到NORMAL模式，一般利用特定的中斷源作為喚醒源。不過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)80C51來(lái)說(shuō)，Intel公司沒有設(shè)計(jì)利用中斷源作為喚醒源的途徑，不能不說(shuō)是一種遺憾。

　　為了彌補(bǔ)這個(gè)遺憾，一些新型兼容產(chǎn)品(例如Atmel公司的AT89S51／52／53／8252／8253、Philips公司的P89V51RB2／RC2／RD2以及P89LPC900系列等)添加了利用被使能且被設(shè)置為用電平觸發(fā)的外部中斷源INT0和INT1來(lái)作為喚醒源，喚醒后的單片機(jī)能夠從設(shè)置PD=1指令之后的下一條指令恢復(fù)運(yùn)行。