C8051Fxxx程序丟失問題的分析

1  C8051Fxxx單片機(jī)簡(jiǎn)單介紹和Flash結(jié)構(gòu)

　　C8051Fxxx系列器件是Silicon Labs推出的一個(gè)高速單片機(jī)系列。這款單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU 芯片，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的CIP51內(nèi)核；70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；片上有豐富的片內(nèi)外設(shè)，根據(jù)型號(hào)的不同，包括ADC、DAC、UART、捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列、SPI、SMBus等。

　　C8051Fxxx單片機(jī)有大容量的Flash存儲(chǔ)器，用于程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可在系統(tǒng)編程。Flash的結(jié)構(gòu)是以扇區(qū)為單位組織的（128 KB系列以1 024字節(jié)為1個(gè)扇區(qū)，64 KB系列以512字節(jié)為1個(gè)扇區(qū)）。非易失性Flash可以用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的參數(shù)，如軟件版本、生產(chǎn)日期等。Flash可以使用編程器擦寫，也可以在程序中使用MOVX指令來(lái)修改，從而使Flash 存儲(chǔ)器具有在系統(tǒng)重新編程能力，允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051 固件程序。Flash的寫和擦除操作由硬件自動(dòng)定時(shí)，以保證操作正確通過。C8051Fxxx的Flash保存下載的程序，在系統(tǒng)上電后，單片機(jī)從Flash讀出代碼數(shù)據(jù)到RAM，之后程序開始運(yùn)行。

2  程序丟失問題的出現(xiàn)和原因

　　在一些實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)重新上電后會(huì)出現(xiàn)程序不能正常運(yùn)行的問題，常表現(xiàn)為“程序丟失”。通常是由于程序代碼被損壞或被修改造成的。

　　造成程序丟失問題的原因很多，可以歸結(jié)到一個(gè)基本原因，即對(duì)Flash的訪問失敗而造成Flash保存的代碼出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于所有包含有Flash寫/擦除子程序的系統(tǒng)，當(dāng)CPU工作在規(guī)定的VDD、溫度、系統(tǒng)時(shí)鐘頻率范圍之外時(shí)，對(duì)Flash進(jìn)行寫/擦除操作，都有可能出現(xiàn)Flash數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的現(xiàn)象。

2.1  Flash數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的硬件原因

　　C8051Fxxx單片機(jī)的Flash操作由硬件控制，所以硬件上的不穩(wěn)定可能造成Flash操作錯(cuò)誤。硬件原因主要是能影響CPU正常運(yùn)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(yùn)行可靠性的參數(shù)有系統(tǒng)時(shí)鐘源。如果系統(tǒng)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(tǒng)時(shí)鐘上，則會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)知的操作。
　　②  系統(tǒng)在單片機(jī)的工作電壓沒有穩(wěn)定（VDD上升時(shí)間低于規(guī)定的1 ms）時(shí)就已經(jīng)完成復(fù)位，由于系統(tǒng)復(fù)位時(shí)需要從Flash讀出代碼數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash電壓不穩(wěn)定會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤。
　?、?nbsp; 在對(duì)Flash的操作過程中，如果溫度、電壓不穩(wěn)定，也可能造成Flash數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

2.2  Flash數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的軟件原因

　　代碼設(shè)計(jì)的缺陷是程序丟失的主要原因，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的Flash是由硬件來(lái)控制的，不能由軟件來(lái)控制操作的細(xì)節(jié)，所以程序的不完善可能造成Flash的訪問出錯(cuò)，從而使Flash數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 這些操作包括： 在PSWE位（PSCTL.0）置1時(shí)CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序中的MOVX寫操作，該中斷服務(wù)程序要使用xdata 或pdata 的易失性存儲(chǔ)區(qū)單元，這樣可能導(dǎo)致向xdata 或pdata存儲(chǔ)區(qū)寫的數(shù)據(jù)寫到Flash中了，從而出現(xiàn)問題。另外，如果使用外部晶振作系統(tǒng)時(shí)鐘，在時(shí)鐘沒有穩(wěn)定時(shí)就對(duì)Flash進(jìn)行寫操作，也可能造成程序丟失。

3  程序丟失問題的解決方法

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

3.1  從硬件方面預(yù)防程序丟失

　　注意，以下的方法不是對(duì)所有的器件都適用，要根據(jù)具體的硬件情況選擇相應(yīng)的方法：

　?、? 在RST引腳安裝VDD監(jiān)測(cè)電路，并將VDD監(jiān)視設(shè)置為一個(gè)復(fù)位源（置RSTSRC.1為1）。這樣如果系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，系統(tǒng)將自動(dòng)復(fù)位，從而避免在電壓不穩(wěn)時(shí)訪問Flash。
　　②  對(duì)外部晶振時(shí)鐘2分頻，更好的方法是使用內(nèi)部振蕩器，這樣能提高系統(tǒng)時(shí)鐘的抗干擾能力。
　?、?nbsp; 如果使用外部晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘，信號(hào)線應(yīng)盡量靠近單片機(jī)的輸入端，同時(shí)晶振外殼接地。
　?、?nbsp; 對(duì)于使用外部晶振作時(shí)鐘源的系統(tǒng)，應(yīng)盡量增強(qiáng)晶振的驅(qū)動(dòng)能力，這樣也能在一定程度上預(yù)防程序丟失。

3.2  從軟件方面預(yù)防程序丟失

　　程序丟失的主要原因是程序設(shè)計(jì)的缺陷，所以合理的程序代碼設(shè)計(jì)能極大地預(yù)防該問題的出現(xiàn)。在代碼中可以用多種方法來(lái)預(yù)防Flash數(shù)據(jù)丟失：

　　①  在PSWE=1下禁止中斷，使得程序中的MOVX寫指令是對(duì)Flash而不是對(duì)XRAM。
　?、?nbsp; 在PSWE=1下盡可能少地訪問變量。在PSWE=0下執(zhí)行地址譯碼操作，并用間接尋址方式執(zhí)行MOVX寫操作。例如，向Flash寫多個(gè)字節(jié)，間接尋址和寫PSWE過程如下：

　　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)獲取要寫入的數(shù)據(jù)
　　　　mydata = *source++;
　　　　//PSWE =0時(shí)修改寫入數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址
　　　　pwrite = (unsigned char xdata *) addr;
　　　　PSCTL = 0x01;//PSWE=1
　　　　//賦值方式寫入數(shù)據(jù)，此時(shí)不執(zhí)行目標(biāo)地址的修改操作
　　　　*pwrite = mydata;
　　　　PSCTL = 0x00;//PSWE=0
　　}

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

　?、?nbsp; 將Flash寫/擦除指針指向data或idata區(qū)。
　　④  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1個(gè)Flash字節(jié)和擦除1個(gè)Flash字節(jié)。
　　⑤  在Flash寫/擦除函數(shù)中，使能VDD監(jiān)視并設(shè)置復(fù)位源。使能和設(shè)置操作必須在實(shí)際的寫操作發(fā)生之前，置PSWE=1之后完成。
　?、?nbsp; 代碼中所有的對(duì)RSTSRC的寫操作均用直接賦值方式完成（如RSTSRC = 0x02）,不能用讀/寫指令（如ORL或ANL）來(lái)完成。例如，代碼“RSTSRC |= 0x02”是非法的。
　?、?nbsp; 對(duì)于能用PORSF位來(lái)設(shè)置VDD為復(fù)位源的器件，保證在寫RSTSRC時(shí)置PORSF＝1，即先使能VDD為復(fù)位源，再使能其他復(fù)位源的操作，如時(shí)鐘丟失監(jiān)測(cè)（missing clock detector）、比較單元和軟件復(fù)位。

4  一個(gè)實(shí)際應(yīng)用方案

　　在有的應(yīng)用場(chǎng)合，由于需要較快的執(zhí)行速度，不能使用單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘作系統(tǒng)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(tǒng)工作參數(shù)正常。

　　在軟件上，由于最常見的Flash丟失原因是程序問題，所以可以在代碼中用多種方法來(lái)預(yù)防Flash數(shù)據(jù)丟失。首先，在初始化單片機(jī)時(shí)，使能VDD檢測(cè)，并設(shè)置VDD和時(shí)鐘丟失為復(fù)位源。如果程序中有寫/擦除Flash的代碼，則在寫/擦除操作前切換系統(tǒng)時(shí)鐘，將系統(tǒng)時(shí)鐘切到內(nèi)部時(shí)鐘或?qū)ν獠繒r(shí)鐘2分頻；寫/擦除操作完成之后，再恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘，通過增加Flash修改操作時(shí)的時(shí)間開銷來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定［2］。以下以C8051F126為例，給出了系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)部時(shí)鐘
　　　　　　　　OSCICN_Save = OSCICN;
　　　　　　　　CLKSEL_Save = CLKSEL;
　　　　　　　　OSCICN = 0xc3;
　　　　　　　　CLKSEL = 0x00;
　　　　　　　　break;
　　　　}
　　}

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

　　C8051F126的系統(tǒng)時(shí)鐘（SYSCLK）可以在內(nèi)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：

　?、? 在切換過程中，先設(shè)置所選時(shí)鐘的屬性，再用CLKSEL將其設(shè)置為SYSCLK。
　?、? 在還原過程中，先用CLKSEL選擇時(shí)鐘源，再設(shè)置其屬性。
　　③  如果切換過程中關(guān)閉外部晶振，要再恢復(fù)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(wěn)定。否則，可能讀到錯(cuò)誤值。
　　④  在外部時(shí)鐘穩(wěn)定運(yùn)行后，再對(duì)其分頻，不必插入等待周期。
　?、?nbsp; 在切換過程中，可以保持外部時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行，這樣在還原過程中就不必等待外部時(shí)鐘穩(wěn)定，從而節(jié)省時(shí)間開銷，代價(jià)是系統(tǒng)功耗有所增加。

5  總結(jié)

　　程序丟失會(huì)帶來(lái)各種不良的后果，最嚴(yán)重時(shí)致使程序無(wú)法正常運(yùn)行，從而造成整個(gè)系統(tǒng)崩潰，給產(chǎn)品的應(yīng)用帶來(lái)麻煩。在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和代碼編寫過程中，通過對(duì)以上問題的注意，可以有效地防止程序丟失問題的出現(xiàn)。另外，由于系統(tǒng)時(shí)鐘的切換只發(fā)生在Flash的寫/擦除過程中，操作結(jié)束后又恢復(fù)成原來(lái)的設(shè)置，因而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行速度的影響很小，從而保證了系統(tǒng)其他功能的實(shí)現(xiàn)。