C8051Fxxx程序丟失問題的分析

1  C8051Fxxx單片機簡單介紹和Flash結(jié)構(gòu)

　　C8051Fxxx系列器件是Silicon Labs推出的一個高速單片機系列。這款單片機是完全集成的混合信號片上系統(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)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期；片上有豐富的片內(nèi)外設(shè)，根據(jù)型號的不同，包括ADC、DAC、UART、捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列、SPI、SMBus等。

　　C8051Fxxx單片機有大容量的Flash存儲器，用于程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)存儲，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個扇區(qū)，64 KB系列以512字節(jié)為1個扇區(qū)）。非易失性Flash可以用來存儲系統(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指令來修改，從而使Flash 存儲器具有在系統(tǒng)重新編程能力，允許現(xiàn)場更新8051 固件程序。Flash的寫和擦除操作由硬件自動定時，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，單片機從Flash讀出代碼數(shù)據(jù)到RAM，之后程序開始運行。

2  程序丟失問題的出現(xiàn)和原因

　　在一些實際應用中，系統(tǒng)重新上電后會出現(xiàn)程序不能正常運行的問題，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)到一個基本原因，即對Flash的訪問失敗而造成Flash保存的代碼出現(xiàn)錯誤。對于所有包含有Flash寫/擦除子程序的系統(tǒng)，當CPU工作在規(guī)定的VDD、溫度、系統(tǒng)時鐘頻率范圍之外時，對Flash進行寫/擦除操作，都有可能出現(xiàn)Flash數(shù)據(jù)錯誤的現(xiàn)象。

2.1  Flash數(shù)據(jù)錯誤的硬件原因

　　C8051Fxxx單片機的Flash操作由硬件控制，所以硬件上的不穩(wěn)定可能造成Flash操作錯誤。硬件原因主要是能影響CPU正常運行的因素，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運行可靠性的參數(shù)有系統(tǒng)時鐘源。如果系統(tǒng)時鐘由外部晶振提供，外部的電磁干擾引起尖脈沖，并耦合到系統(tǒng)時鐘上，則會導致不可預知的操作。
　　②  系統(tǒng)在單片機的工作電壓沒有穩(wěn)定（VDD上升時間低于規(guī)定的1 ms）時就已經(jīng)完成復位，由于系統(tǒng)復位時需要從Flash讀出代碼數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash電壓不穩(wěn)定會出現(xiàn)不可預測的錯誤。
　?、?nbsp; 在對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)錯誤。

2.2  Flash數(shù)據(jù)錯誤的軟件原因

　　代碼設(shè)計的缺陷是程序丟失的主要原因，因為單片機的Flash是由硬件來控制的，不能由軟件來控制操作的細節(jié)，所以程序的不完善可能造成Flash的訪問出錯，從而使Flash數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。 這些操作包括： 在PSWE位（PSCTL.0）置1時CPU執(zhí)行中斷服務程序中的MOVX寫操作，該中斷服務程序要使用xdata 或pdata 的易失性存儲區(qū)單元，這樣可能導致向xdata 或pdata存儲區(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)時鐘，在時鐘沒有穩(wěn)定時就對Flash進行寫操作，也可能造成程序丟失。

3  程序丟失問題的解決方法

　　針對以上可能的原因，可以從軟硬件兩個方面來解決程序丟失問題。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CPU運行環(huán)境的影響；在軟件方面，主要是規(guī)范對Flash的操作。

3.1  從硬件方面預防程序丟失

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

　　①  在RST引腳安裝VDD監(jiān)測電路，并將VDD監(jiān)視設(shè)置為一個復位源（置RSTSRC.1為1）。這樣如果系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，系統(tǒng)將自動復位，從而避免在電壓不穩(wěn)時訪問Flash。
　?、? 對外部晶振時鐘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)時鐘的抗干擾能力。
　?、?nbsp; 如果使用外部晶振提供系統(tǒng)時鐘，信號線應盡量靠近單片機的輸入端，同時晶振外殼接地。
　　④  對于使用外部晶振作時鐘源的系統(tǒng)，應盡量增強晶振的驅(qū)動能力，這樣也能在一定程度上預防程序丟失。

3.2  從軟件方面預防程序丟失

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

　?、? 在PSWE=1下禁止中斷，使得程序中的MOVX寫指令是對Flash而不是對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時獲取要寫入的數(shù)據(jù)
　　　　mydata = *source++;
　　　　//PSWE =0時修改寫入數(shù)據(jù)的目標地址
　　　　pwrite = (unsigned char xdata *) addr;
　　　　PSCTL = 0x01;//PSWE=1
　　　　//賦值方式寫入數(shù)據(jù)，此時不執(zhí)行目標地址的修改操作
　　　　*pwrite = mydata;
　　　　PSCTL = 0x00;//PSWE=0
　　}

　　以上代碼中，當PSWE = 1時只執(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時執(zhí)行的。

　　③  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操作將PSWE置1，即寫1個Flash字節(jié)和擦除1個Flash字節(jié)。
　　⑤  在Flash寫/擦除函數(shù)中，使能VDD監(jiān)視并設(shè)置復位源。使能和設(shè)置操作必須在實際的寫操作發(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）來完成。例如，代碼“RSTSRC |= 0x02”是非法的。
　?、?nbsp; 對于能用PORSF位來設(shè)置VDD為復位源的器件，保證在寫RSTSRC時置PORSF＝1，即先使能VDD為復位源，再使能其他復位源的操作，如時鐘丟失監(jiān)測（missing clock detector）、比較單元和軟件復位。

4  一個實際應用方案

　　在有的應用場合，由于需要較快的執(zhí)行速度，不能使用單片機的內(nèi)部時鐘作系統(tǒng)時鐘源，所以使用外部晶振來提供時鐘。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預防Flash數(shù)據(jù)丟失。首先，在初始化單片機時，使能VDD檢測，并設(shè)置VDD和時鐘丟失為復位源。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)時鐘，將系統(tǒng)時鐘切到內(nèi)部時鐘或?qū)ν獠繒r鐘2分頻；寫/擦除操作完成之后，再恢復系統(tǒng)時鐘，通過增加Flash修改操作時的時間開銷來實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定［2］。以下以C8051F126為例，給出了系統(tǒng)時鐘切換的程序清單：

　　void SYSCLKAdjust(unsigned char select) {
　　　　EA_Save=EA;
　　　　SFRPAGE=0x0f;
　　　　switch(select) {
　　　　　　case 0x01:
　　　　　　　　OSCICN_Save = OSCICN;
　　　　　　　　CLKSEL_Save = CLKSEL;
　　　　　　　　OSCICN = 0xc3;//內(nèi)部時鐘，不分頻
　　　　　　　　CLKSEL = 0x00;
　　　　　　　　break;
　　　　　　case 0x02:
　　　　　　　　OSCXCN_Save = OSCXCN;
　　　　　　　　OSCXCN |= 0x70;//外部時鐘2分頻
　　　　　　　　break;
　　　　　　default://選擇內(nèi)部時鐘
　　　　　　　　OSCICN_Save = OSCICN;
　　　　　　　　CLKSEL_Save = CLKSEL;
　　　　　　　　OSCICN = 0xc3;
　　　　　　　　CLKSEL = 0x00;
　　　　　　　　break;
　　　　}
　　}

　　要恢復系統(tǒng)時鐘到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)時鐘（SYSCLK）可以在內(nèi)部時鐘和外部時鐘之間自由切換，切換時的操作要求如下：

　?、? 在切換過程中，先設(shè)置所選時鐘的屬性，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，要再恢復外部時鐘，啟動后至少要等1 ms，再去讀XTLVLD（OSCXCN.7）來判斷晶振時鐘是否穩(wěn)定。否則，可能讀到錯誤值。
　?、? 在外部時鐘穩(wěn)定運行后，再對其分頻，不必插入等待周期。
　?、?nbsp; 在切換過程中，可以保持外部時鐘繼續(xù)運行，這樣在還原過程中就不必等待外部時鐘穩(wěn)定，從而節(jié)省時間開銷，代價是系統(tǒng)功耗有所增加。

5  總結(jié)

　　程序丟失會帶來各種不良的后果，最嚴重時致使程序無法正常運行，從而造成整個系統(tǒng)崩潰，給產(chǎn)品的應用帶來麻煩。在系統(tǒng)的硬件設(shè)計和代碼編寫過程中，通過對以上問題的注意，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)束后又恢復成原來的設(shè)置，因而對系統(tǒng)運行速度的影響很小，從而保證了系統(tǒng)其他功能的實現(xiàn)。