單片機(jī)的狀態(tài)遷移與復(fù)位操作

本文以經(jīng)典的80c51單片機(jī)為例，利用工作狀態(tài)及其狀態(tài)遼移的新概念、新觀點(diǎn)和新方法，揭示一些單片機(jī)運(yùn)作的內(nèi)在規(guī)律，對(duì)于單片機(jī)學(xué)習(xí)者和應(yīng)用開(kāi)發(fā)者具有一定的啟迪作用和實(shí)際意義。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：
① 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)。 ② 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)。③ 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(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)的各項(xiàng)任務(wù)。④ 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)")。⑤ 從無(wú)電狀態(tài)離開(kāi)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)位狀態(tài)。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。⑦ 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)"。⑧ 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)。⑨ 標(biāo)準(zhǔn)80c51沒(méi)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(kāi)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(kāi)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。或者說(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(méi)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。 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(jī)的教科書(shū)、技術(shù)文章和文獻(xiàn)資料巾比較常見(jiàn)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)。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(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)，