單片機的狀態(tài)遷移與復位操作

單片機的狀態(tài)遷移與復位操作

　　本文以經典的80C51單片機為例，利用工作狀態(tài)及其狀態(tài)遷移的新概念、新觀點和新方法，揭示一些單片機運作的內在規(guī)律，對于單片機學習者和應用開發(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，這里重點關注的是復位狀態(tài)。

圖1? 單片機工作狀態(tài)遷移圖

　　經過仔細分析之后，從圖1中可以看出：

　　①? 把單片機經歷的所有生存狀態(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)。
　?、? 只有復位狀態(tài)是一個暫態(tài)，其他均為穩(wěn)態(tài);并且每次單片機進入正常運行狀態(tài)時，都要經歷一次復位狀態(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)者設計的各項任務。
　　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)”）。
　?、? 從無電狀態(tài)離開的唯一條件就是上電，并且唯一能夠到達的是一個暫態(tài)——復位狀態(tài)。
　　⑥? 復位狀態(tài)以外的4個狀態(tài)都有遷移到復位狀態(tài)的途徑，只是導致遷移的條件不盡相同。
　?、? 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致單片機進入“無電狀態(tài)”。
　?、? 從另外3個工作狀態(tài)遷移到復位狀態(tài)，基本都是依靠外部引腳RST上的復位信號。原始復位源比較單一，這是因為傳統(tǒng)80C51的復位邏輯相對簡單。如果想增加“電源欠壓復位”和“看門狗復位”等其他復位源，則需要片外擴充獨立電路來實現(xiàn)。
　　⑨? 標準80C51沒有設計“軟件復位”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，軟件復位不會令CPU經歷一次復位狀態(tài)。

2? 復位源、復位操作和復位狀態(tài)

　　像數(shù)字電路中的時序邏輯電路器件需要具備復位功能一樣，各種類型的單片機也都需要具備復位功能（RESET）。復位功能按其英文原意是重新設置的意思，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。復位是單片機的一項重要操作內容，其目標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)。

　　需要強調的是： 關于“復位”一詞，它既包含復位活動的意思，又包含復位狀態(tài)的意思?；蛘哒f，復位既是一個動態(tài)的概念（指復位活動、復位操作、復位處理或復位過程等），又是一個靜態(tài)的概念（指復位狀態(tài)或復位模式等）。

2.1? 常規(guī)復位源和擴充復位源

　　從現(xiàn)今的技術高度來看，標準80C51單片機的復位功能設計得不夠完善，不僅沒有設置復位標志位寄存器，而且復位源的種類也很少。

　　所謂“復位源”，就是導致或者引起單片機內部復位的源泉。對于當前市場上出現(xiàn)的種類比較齊全的單片機，其典型復位源大致可以歸納為以下6種： 上電復位、人工復位、電源欠壓復位、看門狗復位、非法地址復位和軟件復位。這些復位源的特點是：

　?、? 上電復位這一種復位源是必不可少的。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。
　?、? 只有上電復位和人工復位這兩種復位源，是講解80C51單片機的教科書、技術文章和文獻資料中比較常見的。
　　③? 對于電源欠壓復位、看門狗復位和非法地址復位3種復位源，標準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? 雖然電源欠壓復位、看門狗復位、非法地址復位3種復位源可以額外擴充，但是都必須借助于復位引腳RST來實施復位操作或復位鎖定。
　?、? 標準80C51本來不具備軟件復位功能，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位。這種方法擴充的軟件復位是一種比較特殊的復位源，一是不通過RST引腳實現(xiàn)復位，二是復位操作的內容與眾不同。軟件復位作為一種新技術，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、TIBB公司的MSC1200系列、SunPlus公司的SPMC65系列等，內部都設計了專門用于實現(xiàn)軟件復位的控制寄存器或者控制位。

2.2? 復位操作的具體內容

　　單片機復位功能的實現(xiàn)過程實質上就是在單片機內部進行一系列的復位操作。在復位期間，單片機內部的復位操作究竟完成了哪些內容，是程序設計人員應該搞清的問題，因為單片機復位操作完成之后的內部狀態(tài)，就是運行用戶程序和進行軟件處理的背景、基礎和起點。

　　對80C51單片機來說，只有軟件復位的具體內容和影響范圍，是可以由用戶自由定制的；而凡是直接作用于復位引腳RST上的復位源（如上電復位等），所實現(xiàn)的復位操作的具體內容和影響范圍都應該是一樣的?，F(xiàn)在歸納如下：

　?、? 程序計數(shù)器PC返回到原始狀態(tài)0000H；
　　②? 所有特殊功能寄存器SFR全部還原為復位值（可以查閱技術手冊）；
　?、? 所有通用并行端口（P0、P1、P2和P3）的引腳全部被設置為輸入狀態(tài)；
　?、? 清除各級中斷優(yōu)先級的激活觸發(fā)器，以便受理各級中斷請求（在標準80C51中只設置了2個中斷優(yōu)先級別，而在有些新型兼容產品中設置了4個級別）。

2.3? 復位狀態(tài)的具體表現(xiàn)

　　單片機一旦進入復位狀態(tài)并且停留在復位狀態(tài)下（即外接引腳RST被鎖定在有效的高電平上），就會表現(xiàn)出如下一些具體特征：

　　◇ CPU不再執(zhí)行程序而保持靜止（凍結）狀態(tài)；
　　◇ 各種片內外圍模塊（定時器、串行口、總線接口、中斷系統(tǒng)等）均停止工作；
　　◇ 各個并口（P0~P3）的所有口線均對外呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；
　　◇ 各SFR的內容均恢復到復位值（即返回到知情范圍）；
　　◇ 內部RAM內容維持記憶，只要電源電壓不低于最低維持電壓（一般為2 V）就能夠保持原有內容；
　　◇ 內部時鐘源振蕩器仍然會維持振蕩，只要電源電壓還在1 V（甚至略低于1 V），振蕩器就能夠維持工作；
　　◇ 各種片外電路（如擴展存儲器、擴展I/O端口或鎖存器等）都應該維持原有內容和狀態(tài)。

2.4? 補充說明

　　格外值得關注的是，經歷了復位操作之后的各個并行端口的狀態(tài)。因為端口引腳是單片機聯(lián)系外部世界的、最多的一類引腳，其復位狀態(tài)（即初始化狀態(tài)）將直接影響外部電路，甚至還會對外部電路構成威脅或造成損壞。為了避免這種影響或威脅，總是把各條端口引腳復位成“輸入方式”。理由是，輸入方式對外呈現(xiàn)出很高的阻抗，從而有效地防止了可能發(fā)生的過流損壞。

　　任何方式或任何復位源引起的復位操作，都不會改變RAM區(qū)的用戶數(shù)據(jù)。甚至就連欠壓復位事件的發(fā)生，只要電源電壓VDD還沒有跌落到連RAM內容都不能維持的地步（一般以2 V為門限），就不會丟失RAM中的用戶數(shù)據(jù)。

3? 幾點新啟示

　　單片機系統(tǒng)一旦進入PD模式（即停機模式，或掉電模式，有時也稱“掉電保護模式”），系統(tǒng)時鐘源就會停止工作，CPU以及所有的片載硬件模塊一起退出運行狀態(tài)，從而使功耗大幅度降低（可以到達μA級，甚至以下）。

　　單片機應用項目開發(fā)人員利用停機模式可以達到兩種目的： ①??降低單片機應用系統(tǒng)的總體耗能；②? 抵御電源電壓跌落時可能帶來的CPU失控，就是一旦發(fā)現(xiàn)電源電壓跌落、欠壓或故障，則強行把單片機推入停機模式，以免發(fā)生程序混亂。停機期間，即使電源電壓降低到2 V，仍然能夠維持RAM內容不丟失。

　　通過仔細分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，當初Intel公司為80C51設置停機模式的主要初衷，應該是基于上述第二種目的。理由是，從圖1中可以看出，常規(guī)喚醒方式可以令單片機從PD模式直接返回到NORMAL模式，一般利用特定的中斷源作為喚醒源。不過對標準80C51來說，Intel公司沒有設計利用中斷源作為喚醒源的途徑，不能不說是一種遺憾。

　　為了彌補這個遺憾，一些新型兼容產品（例如Atmel公司的AT89S51/52/53/8252/8253、Philips公司的P89V51RB2/RC2/RD2以及P89LPC900系列等)添加了利用被使能且被設置為用電平觸發(fā)的外部中斷源INT0和INT1來作為喚醒源，喚醒后的單片機能夠從設置PD=1指令之后的下一條指令恢復運行。?