如何改造成品單片機(jī)系統(tǒng)

通過一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的研制，闡述了對(duì)一個(gè)不熟悉的微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)應(yīng)遵循的原則及基本方法，介紹了雙端口存貯器IDT7132和看門狗WDT的用法。
    關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)，單片機(jī)，雙端口存貯器，WDT
　　　
　　制作微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，若受監(jiān)控對(duì)象本身也是一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)，且又沒有電路圖、程序等資料時(shí)，如何采集對(duì)象的內(nèi)部數(shù)據(jù)（如CPU狀態(tài)等），如何修改對(duì)象的程序方不至令原系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定和崩潰，如何充分利用監(jiān)控對(duì)象的資源，是一個(gè)帶有普遍性的問題。
　　筆者研制的“數(shù)字實(shí)驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)”，其主要功能是采集30臺(tái)學(xué)生實(shí)驗(yàn)機(jī)狀態(tài)和過程信息，送往中心主機(jī)顯示。監(jiān)控對(duì)象是一臺(tái)型號(hào)為DLES的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)機(jī)，這是某公司的產(chǎn)品，除簡(jiǎn)單的用法說明書外別無其它資料。該機(jī)的核心是單片機(jī)8031，帶6位鍵盤和數(shù)碼管顯示、并行口8155等，可選擇CPU工作方式產(chǎn)生各種實(shí)驗(yàn)信號(hào)。

1用雙端口RAM采集數(shù)據(jù)
　　監(jiān)控系統(tǒng)的首要任務(wù)是獲取受控對(duì)象的各種狀態(tài)信息。用IO線取得的只是其外部信息，且當(dāng)高頻時(shí)容易遺漏。要取得重要的內(nèi)部信息，必須設(shè)法使監(jiān)控對(duì)象的CPU自動(dòng)送出信息，即采用雙CPU通訊。無論用并行通訊還是串行通訊，都要大幅修改原機(jī)程序，且要占用原機(jī)CPU很多等待、檢測(cè)通訊口的時(shí)間，很容易破壞原機(jī)的固有時(shí)序。較好的方法是采用共享存貯器方式，只要在原機(jī)程序的適當(dāng)位置插入一段程序，令其定時(shí)將自身的重要信息（例如片內(nèi)RAM的256字節(jié)內(nèi)容）送到共享存貯器就可以了。
    本系統(tǒng)采用雙端口存貯器IDT7132來實(shí)現(xiàn)兩CPU的通訊。雙口存貯器有2套獨(dú)立的IO電路，可供2個(gè)CPU在不同時(shí)刻讀寫各個(gè)存貯單元。但同時(shí)訪問同一存貯單元會(huì)產(chǎn)生沖突。IDT7132有一套沖突仲裁電路，使先到一方獲得優(yōu)先權(quán)實(shí)現(xiàn)讀寫操作，而向另一方發(fā)出一個(gè)沖突信號(hào)BUSY。
　　沖突發(fā)生時(shí)，訪問存貯器失敗的一方要將剛失敗的一句指令再執(zhí)行一次，本系統(tǒng)是將BUSY線接到單片機(jī)的中斷線INT0，電路見圖1。但單片機(jī)的程序指針PC不能直接被讀寫，而中斷的發(fā)生又是隨機(jī)的，無法掌握其出現(xiàn)的時(shí)刻，要重復(fù)執(zhí)行中斷前的一句指令殊不容易。為實(shí)現(xiàn)這功能，用了一點(diǎn)技巧：因?yàn)?，中斷服?wù)程序執(zhí)行前，PC值必自動(dòng)壓入堆棧，可在中斷服務(wù)程序中將該P(yáng)C值出棧，作減3處理后再入棧，則中斷結(jié)束出棧的PC值已退回指向到中斷前的一句指令了。

　　原實(shí)驗(yàn)機(jī)已經(jīng)使用了5條高位地址線,若要增加2KB容量的IDT7132,將超過8031單片機(jī)最大64K存貯空間的限制。為此,利用單片機(jī)一條懸空的中斷口引腳INT1充當(dāng)IDT7132的片選控制線,CPU要訪問IDT7132就不能僅用常規(guī)的MOVX指令，而必須在讀寫存貯器的前后各增加一條使INT1變低電平然后變高電平的指令，該指令如下：
    CLRINT1MOVXA，＠DPTR　　SETBINT1
2原系統(tǒng)已用資源的查找
　　要改造別人的系統(tǒng)，難點(diǎn)之一是要了解原系統(tǒng)對(duì)各種資源的使用情況。單片機(jī)的內(nèi)部讀寫存貯器RAM只有128字節(jié)，而要增改原機(jī)程序必須使用這些片內(nèi)RAM，從而可能造成資源沖突。為了解原系統(tǒng)對(duì)片內(nèi)RAM的使用情況，借用了文字編輯軟件的搜索功能。因?yàn)閱纹瑱C(jī)對(duì)片內(nèi)RAM的尋址方式只有2種：（1）直接尋址，此時(shí)，可將RAM的直接地址作為搜索關(guān)鍵字，調(diào)用編輯軟件的搜索功能，在原實(shí)驗(yàn)機(jī)程序中逐個(gè)顯示該地址出現(xiàn)的地方；（2）以R0和R1為指針的間接尋址，這時(shí)，可分別以＠R0和＠R1為關(guān)鍵字搜索原程序，在出現(xiàn)的地方分析R0和R1的變化情況及范圍。
　　若以上兩方法勻未找到所關(guān)注的RAM單元，則可以肯定原系統(tǒng)未使用該資源。若該單元同時(shí)又是可位尋址的，而位地址只有直接尋址一種方式，故必須采用上述的第（1）種方式搜索一次，結(jié)論也是非常明確的。
3修改和插入程序的方法
　　如果監(jiān)控對(duì)象的信號(hào)是軟件方式產(chǎn)生的（本實(shí)驗(yàn)機(jī)就是這樣），修改、增加程序時(shí)在時(shí)間開銷上要非常小心，否則會(huì)導(dǎo)致原機(jī)時(shí)序出錯(cuò)。以下是兩種常用的可行方法：
　 （1）在原程序的延時(shí)過程中，刪除其延時(shí)指令，插入執(zhí)行時(shí)間大致同其原延時(shí)時(shí)間相當(dāng)?shù)男鲁绦颉＠?，原?shí)驗(yàn)機(jī)為數(shù)碼管顯示而設(shè)的延時(shí)子程序就被用于將適當(dāng)個(gè)字節(jié)的信息傳遞到雙端口存貯器。
 ?。?）在原程序中等待某些事件發(fā)生的過程中，插入新程序。例如等待鍵盤按鍵時(shí)，可以控制程序跳往新的功能模塊，執(zhí)行適當(dāng)時(shí)間后再返回。
4監(jiān)視定時(shí)器WDT的處理
　　在大部分微機(jī)控制系統(tǒng)中，WDT（看門狗，在6800系列中是COP）都是首選的抗干擾措施之一，其作用是以軟件和硬件方式設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位，以防止程序失控“跑飛”。
　　修改舊程序時(shí)必須留意查看原系統(tǒng)有無WDT，否則可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。若有，則首先要找到WDT的定時(shí)時(shí)間。硬件WDT的時(shí)間值一般是固定的，可查資料得到。例如8096系列是64K個(gè)狀態(tài)周
期。軟件WDT要先找到所用的定時(shí)器，可循2個(gè)途徑：（1）芯片自身的定時(shí)器。這可以在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中查找，例如8051系列的二個(gè)定時(shí)器的中斷服務(wù)程序入口地址分別是000BH和0001BH，查看這2段程序可知哪一個(gè)是用于WDT的，然后進(jìn)一步在主程序的初始化設(shè)置中查看對(duì)該定時(shí)器的設(shè)置，便可找到定時(shí)時(shí)間；（2）外圍芯片（例如8155）的定時(shí)器，要將之用于WDT必須將定時(shí)器溢出線接到單片機(jī)的某外部中斷線上，查看這些外部中斷服務(wù)程序就可以找到相應(yīng)的定時(shí)器，再查看主程序中對(duì)該定時(shí)器的設(shè)置，也能找到定時(shí)值。
　　知道了WDT的溢出時(shí)間后，就可以在修改或增加的程序中，每隔規(guī)定的時(shí)間插入一段指令清除定時(shí)器以使WDT不對(duì)系統(tǒng)復(fù)位。例如對(duì)8096系統(tǒng)，若不使用乘除指令，可以每執(zhí)行約4K條指令插入以下2條指令：
    MOV0AH，＃1EH
　　MOV0AH，＃E1H
5借用監(jiān)控對(duì)象的資源
　　充分利用監(jiān)控對(duì)象的資源，可以降低成本，最主要是可以使學(xué)生不必耗費(fèi)時(shí)間多學(xué)習(xí)一臺(tái)儀器的使用方法。本監(jiān)控系統(tǒng)借用了原實(shí)驗(yàn)機(jī)上的鍵盤和數(shù)碼管顯示器。
　　原實(shí)驗(yàn)機(jī)以掃描IO口方式擴(kuò)展6位鍵盤，每個(gè)鍵盤都賦予了固定的鍵值和鍵功能，以及固定的鍵處理程序段。為了利用原實(shí)驗(yàn)機(jī)的鍵盤使其執(zhí)行新的鍵功能，又不破壞原來的功能，采用了這樣的方法：改寫原機(jī)的鍵盤掃描程序段，定義當(dāng)某2個(gè)鍵（是在原機(jī)中沒有用到的）同時(shí)按下時(shí)，就跳出原程序轉(zhuǎn)往一個(gè)新編寫的程序模塊。在該新模塊中，所有鍵功能都可以被任意重新定義，當(dāng)處理完新按鍵后再轉(zhuǎn)回原機(jī)程序中執(zhí)行。
　　要利用原機(jī)的數(shù)碼管顯示器，可以有兩種方法：
   （1）編寫新的顯示程序；（2）利用原程序的顯示功能，將要顯示的內(nèi)容嵌入原程序中。因后者能很好地兼容原機(jī)程序，不易導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)或崩潰，故選用之。通過研究和測(cè)試，知原機(jī)的顯示機(jī)理是將顯示數(shù)據(jù)送緩沖區(qū)，由專用顯示模塊轉(zhuǎn)為八段數(shù)碼管顯示值。但其轉(zhuǎn)換算法非常復(fù)雜繁鎖。為不占用原機(jī)CPU太多時(shí)間及不易出錯(cuò)，將所有可能的數(shù)據(jù)逐個(gè)送入緩沖區(qū)，測(cè)出一張數(shù)據(jù)同顯示式樣的對(duì)照表，在增加的新程序中，將顯示數(shù)據(jù)查表轉(zhuǎn)換后送緩沖區(qū)就可以了。