C8051Fxxx程序丢失问题的分析
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更新于2007-12-20 13:57:20 作者： 湖南大学 胡益 苏娟 周海燕
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MCU 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。
参考文献
[1] Silicon Laboratories Co Ltd. C8051F120/1/2/3/4/5/6/7 Mixed Signal ISP Flash MCU Family，2004.
[2] 潘琢金，施国君.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002：154-157.
胡益（硕士研究生），主要研究方向为UHF RFID读写器；
苏娟（副教授），主要研究方向为嵌入式系统、语音识别等；
周海燕（硕士研究生），主要研究方向为嵌入式系统及应用。
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