C8051Fxxx程序丢失问题的分析
姚看江湖 2022-12-01

  1 C8051Fxxx单片机简单介绍和Flash结构

  C8051Fxxx系列器件是Silicon Labs推出的一个高速单片机系列。这款单片机是完全集成的混合信号片上系统型 芯片。

  具有高速、流水线结构的8051 兼容的CIP51内核;70%的指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期;片上有丰富的片内外设,根据型号的不同,包括ADC、DAC、UART、捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列、SPI、SMBus等。

  C8051Fxxx单片机有大容量的Flash存储器,用于程序代码和非易失性数据存储,可在系统编程。Flash的结构是以扇区为单位组织的(128 KB系列以1 024字节为1个扇区,64 KB系列以512字节为1个扇区)。非易失性Flash可以用来存储系统的参数,如软件版本、生产日期等。Flash可以使用编程器擦写,也可以在程序中使用MOVX指令来修改,从而使Flash 存储器具有在系统重新编程能力,允许现场更新8051 固件程序。Flash的写和擦除操作由硬件自动定时,以保证操作正确通过。C8051Fxxx的Flash保存下载的程序,在系统上电后,单片机从Flash读出代码数据到RAM,之后程序开始运行。

  2 程序丢失问题的出现和原因

  在一些实际应用中,系统重新上电后会出现程序不能正常运行的问题,常表现为“程序丢失”。通常是由于程序代码被损坏或被修改造成的。

  造成程序丢失问题的原因很多,可以归结到一个基本原因,即对Flash的访问失败而造成Flash保存的代码出现错误。对于所有包含有Flash写/擦除子程序的系统,当CPU工作在规定的VDD、温度、系统时钟频率范围之外时,对Flash进行写/擦除操作,都有可能出现Flash数据错误的现象。

  2.1 Flash数据错误的硬件原因

  C8051Fxxx单片机的Flash操作由硬件控制,所以硬件上的不稳定可能造成Flash操作错误。硬件原因主要是能影响CPU正常运行的因素,以及能影响Flash操作环境的因素。这些因素包括操作电压、温度以及外部干扰脉冲等,具体如下:

  ① 能影响CPU运行可靠性的参数有系统时钟源。如果系统时钟由外部晶振提供,外部的电磁干扰引起尖脉冲,并耦合到系统时钟上,则会导致不可预知的操作。

  ② 系统在单片机的工作电压没有稳定(VDD上升时间低于规定的1 ms)时就已经完成复位,由于系统复位时需要从Flash读出代码数据,Flash电压不稳定会出现不可预测的错误。

  ③ 在对Flash的操作过程中,如果温度、电压不稳定,也可能造成Flash数据错误。

  2.2 Flash数据错误的软件原因

  代码设计的缺陷是程序丢失的主要原因,因为单片机的Flash是由硬件来控制的,不能由软件来控制操作的细节,所以程序的不完善可能造成Flash的访问出错,从而使Flash数据出现错误。 这些操作包括: 在PSWE位(PSCTL.0)置1时CPU执行中断服务程序中的MOVX写操作,该中断服务程序要使用xdata 或pdata 的易失性存储区单元,这样可能导致向xdata 或pdata存储区写的数据写到Flash中了,从而出现问题。另外,如果使用外部晶振作系统时钟,在时钟没有稳定时就对Flash进行写操作,也可能造成程序丢失。

  3 程序丢失问题的解决方法

  针对以上可能的原因,可以从软硬件两个方面来解决程序丢失问题。在硬件方面,主要是给系统提供稳定的工作环境,并避免外部干扰对CPU运行环境的影响;在软件方面,主要是规范对Flash的操作。

  3.1 从硬件方面预防程序丢失

  注意,以下的方法不是对所有的器件都适用,要根据具体的硬件情况选择相应的方法:

  ① 在RST引脚安装VDD监测电路,并将VDD监视设置为一个复位源(置RSTSRC.1为1)。这样如果系统电压不稳定,系统将自动复位,从而避免在电压不稳时访问Flash。

  ② 对外部晶振时钟2分频,更好的方法是使用内部振荡器,这样能提高系统时钟的抗干扰能力。

  ③ 如果使用外部晶振提供系统时钟,信号线应尽量靠近单片机的输入端,同时晶振外壳接地。

  ④ 对于使用外部晶振作时钟源的系统,应尽量增强晶振的驱动能力,这样也能在一定程度上预防程序丢失。

  3.2 从软件方面预防程序丢失

  程序丢失的主要原因是程序设计的缺陷,所以合理的程序代码设计能极大地预防该问题的出现。在代码中可以用多种方法来预防Flash数据丢失:

 

  ① 在PSWE=1下禁止中断,使得程序中的MOVX写指令是对Flash而不是对XRAM。

  ② 在PSWE=1下尽可能少地访问变量。在PSWE=0下执行地址译码操作,并用间接寻址方式执行MOVX写操作。例如,向Flash写多个字节,间接寻址和写PSWE过程如下:

  unsigned char xdata * idata pwrite;//使用idata指针指向Flash

  unsigned char *source;

  unsigned char mydata;

  for (addr = 0; addr <100; addr++) {

  //PSWE =0时获取要写入的数据

  mydata = *source++;

  //PSWE =0时修改写入数据的目标地址

  pwrite = (unsigned char xdata *) addr;

  PSCTL = 0x01;//PSWE=1

  //赋值方式写入数据,此时不执行目标地址的修改操作

  *pwrite = mydata;

  PSCTL = 0x00;//PSWE=0

  }

  以上代码中,当PSWE = 1时只执行写Flash操作(*pwrite = mydata);其他操作,如修改addr的值、获取源数据和目的地址,都是在PSWE = 0时执行的。

  ③ 将Flash写/擦除指针指向data或idata区。

  ④ 减少将PSWE置1的指令操作。理想的情况是只有两个操作将PSWE置1,即写1个Flash字节和擦除1个Flash字节。

  ⑤ 在Flash写/擦除函数中,使能VDD监视并设置复位源。使能和设置操作必须在实际的写操作发生之前,置PSWE=1之后完成。

  ⑥ 代码中所有的对RSTSRC的写操作均用直接赋值方式完成(如RSTSRC = 0x02),不能用读/写指令(如ORL或ANL)来完成。例如,代码“RSTSRC |= 0x02”是非法的。

  ⑦ 对于能用PORSF位来设置VDD为复位源的器件,保证在写RSTSRC时置PORSF=1,即先使能VDD为复位源,再使能其他复位源的操作,如时钟丢失监测(missing clock detector)、比较单元和软件复位。

  4 一个实际应用方案

  在有的应用场合,由于需要较快的执行速度,不能使用单片机的内部时钟作系统时钟源,所以使用外部晶振来提供时钟。在这种情况下,首先要在硬件上确保系统工作参数正常。

  在软件上,由于最常见的Flash丢失原因是程序问题,所以可以在代码中用多种方法来预防Flash数据丢失。首先,在初始化单片机时,使能VDD检测,并设置VDD和时钟丢失为复位源。如果程序中有写/擦除Flash的代码,则在写/擦除操作前切换系统时钟,将系统时钟切到内部时钟或对外部时钟2分频;写/擦除操作完成之后,再恢复系统时钟,通过增加Flash修改操作时的时间开销来实现系统的稳定[2]。以下以C8051F126为例,给出了系统时钟切换的程序清单:

  void SYSCLKAdjust(unsigned char select) {

  EA_Save=EA;

  SFRPAGE=0x0f;

  switch(select) {

  case 0x01:

  OSCICN_Save = OSCICN;

  CLKSEL_Save = CLKSEL;

  OSCICN = 0xc3;//内部时钟,不分频

  CLKSEL = 0x00;

  break;

  case 0x02:

  OSCXCN_Save = OSCXCN;

  OSCXCN |= 0x70;//外部时钟2分频

  break;

  default://选择内部时钟

  OSCICN_Save = OSCICN;

  CLKSEL_Save = CLKSEL;

  OSCICN = 0xc3;

  CLKSEL = 0x00;

  break;

  }

  }

 

  要恢复系统时钟到Flash操作前的状态,只需将CLKSEL_Save、OSCICN_Save、OSCXCN_Save重新写回到CLKSEL、OSCIN、OSCXCN。

  C8051F126的系统时钟(SYSCLK)可以在内部时钟和外部时钟之间自由切换,切换时的操作要求如下:

  ① 在切换过程中,先设置所选时钟的属性,再用CLKSEL将其设置为SYSCLK。

  ② 在还原过程中,先用CLKSEL选择时钟源,再设置其属性。

  ③ 如果切换过程中关闭外部晶振,要再恢复外部时钟,启动后至少要等1 ms,再去读XTLVLD(OSCXCN.7)来判断晶振时钟是否稳定。否则,可能读到错误值。

  ④ 在外部时钟稳定运行后,再对其分频,不必插入等待周期。

  ⑤ 在切换过程中,可以保持外部时钟继续运行,这样在还原过程中就不必等待外部时钟稳定,从而节省时间开销,代价是系统功耗有所增加。

  5 总结

  程序丢失会带来各种不良的后果,最严重时致使程序无法正常运行,从而造成整个系统崩溃,给产品的应用带来麻烦。在系统的硬件设计和代码编写过程中,通过对以上问题的注意,可以有效地防止程序丢失问题的出现。另外,由于系统时钟的切换只发生在Flash的写/擦除过程中,操作结束后又恢复成原来的设置,因而对系统运行速度的影响很小,从而保证了系统其他功能的实现。

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