單片機的狀態(tài)遷移與復(fù)位操作

本文以經(jīng)典的80c51單片機為例，利用工作狀態(tài)及其狀態(tài)遼移的新概念、新觀點和新方法，揭示一些單片機運作的內(nèi)在規(guī)律，對于單片機學(xué)習(xí)者和應(yīng)用開發(fā)者具有一定的啟迪作用和實際意義。1 單片機的工作狀態(tài)及其狀態(tài)遷移80c51單片機的各種活動，可以描述成多個不同的工作狀態(tài)或工作模式。這里利用筆者構(gòu)思的一個單片機工作狀態(tài)遷移圖(如圖1所示)來說明。不過，這里重點關(guān)注的是復(fù)位狀態(tài)。經(jīng)過仔細(xì)分析之后，從圖1中可以看出：
① 把單片機經(jīng)歷的所有生存狀態(tài)歸納和描繪成5個狀態(tài)--1個非工作狀態(tài)(即無電狀態(tài))和4個工作狀態(tài)。 ② 只有復(fù)位狀態(tài)是一個暫態(tài)，其他均為穩(wěn)態(tài)；并且每次單片機進(jìn)入正常運行狀態(tài)時，都要經(jīng)歷一次復(fù)位狀態(tài)。③ 只有在正常運行狀態(tài)(這里記作normal)下，單片機才按照程序存儲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)計的各項任務(wù)。④ 停機狀態(tài)(或pd模式)和待機狀態(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)")。⑤ 從無電狀態(tài)離開的唯一條件就是上電，并且唯一能夠到達(dá)的是一個暫態(tài)--復(fù)位狀態(tài)。⑥ 復(fù)位狀態(tài)以外的4個狀態(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。⑦ 無電狀態(tài)之外的4個工作狀態(tài)，都可能因為隨時斷電而導(dǎo)致單片機進(jìn)入"無電狀態(tài)"。⑧ 從另外3個工作狀態(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。原始復(fù)位源比較單一，這是因為傳統(tǒng)80c51的復(fù)位邏輯相對簡單。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，則需要片外擴充獨立電路來實現(xiàn)。⑨ 標(biāo)準(zhǔn)80c51沒有設(shè)計"軟件復(fù)位"功能，如果需要該功能，可以通過用戶程序自行實現(xiàn)。不同的是，軟件復(fù)位不會令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)位是單片機的一項重要操作內(nèi)容，其目標(biāo)是確保單片機運行過程有一個良好的開端，確保單片機運行過程中有一個良好的狀態(tài)。需要強調(diào)的是：關(guān)于"復(fù)位"一詞，它既包含復(fù)位活動的意思，又包含復(fù)位狀態(tài)的意思?；蛘哒f，復(fù)位既是一個動態(tài)的概念(指復(fù)位活動、復(fù)位操作、復(fù)位處理或復(fù)位過程等)，又是一個靜態(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)位源和擴充復(fù)位源從現(xiàn)今的技術(shù)高度來看，標(biāo)準(zhǔn)80c51單片機的復(fù)位功能設(shè)計得不夠完善，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)致或者引起單片機內(nèi)部復(fù)位的源泉。對于當(dāng)前市場上出現(xiàn)的種類比較齊全的單片機，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)位源的特點是：① 上電復(fù)位這一種復(fù)位源是必不可少的。因為每次給單片機加電時，其電源電壓的穩(wěn)定，以及時鐘振蕩器的起振和振幅穩(wěn)定，都需要一定的延遲時間。 ② 只有上電復(fù)位和人工復(fù)位這兩種復(fù)位源，是講解80c51單片機的教科書、技術(shù)文章和文獻(xiàn)資料巾比較常見的。③ 對于電源欠壓復(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，不過可以額外擴充，可由單片機用戶根據(jù)實際需要通過附加一些軟件或硬件的手段來實現(xiàn)。④ 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)位源可以額外擴充，但是都必須借助于復(fù)位引腳rst來實施復(fù)位操作或復(fù)位鎖定。⑤ 標(biāo)準(zhǔn)80c51本來不具備軟件復(fù)位功能，但是可以通過純軟件方式以及虛擬手段，來實現(xiàn)或者部分實現(xiàn)其他單片機的軟件復(fù)位。這種方法擴充的軟件復(fù)位是一種比較特殊的復(fù)位源，一是不通過rst引腳實現(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)，目前有越來越多的新型單片機配備了該功能。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)計了專門用于實現(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)容單片機復(fù)位功能的實現(xiàn)過程實質(zhì)上就是在單片機內(nèi)部進(jìn)行一系列的復(fù)位操作。在復(fù)位期間，單片機內(nèi)部的復(fù)位操作究竟完成了哪些內(nèi)容，是程序設(shè)計人員應(yīng)該搞清的問題，因為單片機復(fù)位操作完成之后的內(nèi)部狀態(tài)，就是運行用戶程序和進(jìn)行軟件處理的背景、基礎(chǔ)和起點。 對80c51單片機來說，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)，