什么是程序“跑飞”？都由哪些原因引起的

一、程序“跑飞”

前面几项抗干扰措施都是针对I/O通道而言的。若干扰信号还未作用到CPU本身，则CPU还能正确地执行各种抗干扰程序;若干扰信号已经通过某种途径作用到CPU上，则CPU就不能按正常状态执行程序，从而引起混乱，这就是通常所说的程序“跑飞”。程序“跑飞”后使其恢复正常最简单的方法是让CPU复位，让程序从头开始重新运行。这种方法虽然简单，但需要人的参与，而且复位不及时。人工复位一般是在整个系统已经瘫痪，无计可施的情况下才不得已而为之的。因此在进行软件设计时就要考虑到万一程序“跑

第9章单片机系统的抗干扰技术165

飞”，应让其能够自动恢复到正常状态下运行。

二、指令冗余

程序“跑飞”后往往将一些操作数当作指令码来执行，从而引起整个程序的混乱。采用“指令冗余”是使“跑飞”的程序恢复正常的一种措施。所谓“指令冗余”，就是在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP。当程序“跑飞”到某条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令来执行的错误。对于MCS 51单片机来说，所有的指令都不会超过3个字节，因此在某条指令前面插入两条NOP指令，则该条指令就不会被前面冲下来的失控程序拆散，而会得到正确的执行，从而使程序重新纳入轨道。通常是在一些对程序的流向起关键作用的指令前插入两条NOP指令，这些指令有RET、RETI、ACALL、LCALL、SJMP、AJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、JB、JNB、JBC、CJNZ、DJNZ等。在某些对系统工作状态至关重要的指令(如SETBEA之类)前也可插入两条NOP指令，以保证被正确执行。值得注意的是，在一个程序中“指令冗余”不能过多，否则会降低程序的执行效率。

三、软件陷阱

采用“指令冗余”，使“跑飞”的程序恢复正常是有条件的，首先“跑飞”程序必须落到程序区，其次必须执行到所设置的冗余指令。如果“跑飞”的程序落到非程序区(如EPROM中未用完的空间或某些数据表格区等)，或在执行到冗余指令前已经形成一个死循环，则“指令冗余”措施就不能使“跑飞”的程序恢复正常了。这时可采用另一个抗干扰措施，即“软件陷阱”。“软件陷阱”是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门处理错误的程序。假设这段处理错误的程序入口地址为ERR，则下面三条指令即组成一个“软件陷阱”：

NOP

NOP

LJMP ERR

“软件陷阱”一般安排在下列四种地方。

1.未使用的中断向量区

MCS 51单片机的中断向量区为0003H~002FH，如果系统程序未使用完全部中断向量区，则可在剩余的中断向量区安排“软件陷阱”，以便能捕捉到错误的中断。如某系统使用了两个外部中断INT0、INT1和一个定时器溢出中断T0，它们的中断服务子程序入口地址分别为FUINT0、FUINT1和FUT0，即可按下面的方式来设置中断向量区：

2.未使用的大片EPROM空间

程序一般都不会占用EPROM芯片的全部空间，对于剩余未编程的EPROM空间，一般都维持原状，即其内容为0FFH。0FFH对于MCS 51单片机的指令系统来说是一条单字节的指令：MOV R7，A。如果程序“跑飞”到这一区域，则将顺利向后执行，不再跳跃(除非又受到新的干扰)。因此在这段区域内每隔一段地址设一个陷阱，就一定能捕捉到“跑飞”的程序。

3.表格

有两种表格：一类是数据表格，供MOVCA，@A+PC指令或MOVCA，@A+DPTR指令使用，其内容完全不是指令。另一类是散转表格，供JMP@A+DPTR指令使用，其内容为一系列的3字节指令LJMP或2字节指令AJMP。由于表格的内容与检索值有一一对应的关系，在表格中间安排陷阱会破坏其连续性和对应关系，因此只能在表格的最后安排陷阱。如果表格区较长，则安排在最后的陷阱不能保证一定能捕捉“跑飞”来的程序，有可能在中途再次“跑飞”，这时只能指望别处的陷阱或冗余指令来捕捉。

4.程序区

程序区是由一系列的指令构成的，不能在这些指令中间任意安排陷阱，否则会破坏正常的程序流程。但是，在这些指令中间常常有一些断点，正常的程序执行到断点处就不再往下执行了，这类指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI，这时PC的值应发生正常跳变。如果在这些地方设置陷阱就有可能捕捉到“跑飞”的程序。例如，对一个累加器A的内容的正、负和零的情况进行三分支的程序，软件陷阱安排如下：

由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，故不会影响程序的执行效率。在EPROM容量允许的条件下，这种软件陷阱多一些为好。

四、WATCHDOG

如果“跑飞”的程序落到一个临时构成的死循环中，冗余指令和软件陷阱都将无能为力，这时可采取WATCHDOG(俗称“看门狗”)措施。

WATCHDOG有如下特性：

(1)本身能独立工作，基本上不依赖于CPU。CPU只在一个固定的时间间隔内与之打一次交道，表明整个系统“目前尚属正常”。

(2)当CPU落入死循环后，能及时发现并使整个系统复位。

在8096系列单片机和增强型8051系列单片机中，已将该系统做入芯片里，使用起来很方便。而在普通型8051系列单片机系统中，必须由用户自己建立。如果要达到WATCHDOG的真正目标，该系统必须包含一定的硬件电路，它完全独立于CPU之外。如果为了简化电路，也可采用纯软件的WATCHDOG系统。

WATCHDOG硬件电路为一独立于CPU之外的单稳部件，可用单稳电路构成，也可用自带脉冲源的计数器构成。CPU正常工作时每隔一段时间就输出一个脉冲，将单稳系统触发到暂稳态，当暂稳态的持续时间设计得比CPU的触发周期长时，单稳态系统就不能回到稳态。当CPU陷入死循环后，再也不去触发单稳系统了，单稳系统便可顺利返回稳态，利用它返回稳态时输出的信号作为复位信号，便可使CPU退出死循环。

图9．12所示为采用硬件电路组成的WATCHDOG。十六进制计数器对振荡电路发出的脉冲计数，当计到第8个脉冲时Q端变成高电平。单片机执行一个从P1．7输出清零脉冲的固定程序，只要每一次清零脉冲的时间间隔小于8个振荡脉冲周期，计数器就总计不到8，QD端就一直保持低电平。如果CPU受到干扰使程序“跑飞”，就无法执行这个发出清零脉冲的固定程序，计数器就会计数到8，使QD端变成高电平，经微分电路C2、R3输出一个正脉冲到单片机8031的RESET端，使CPU复位。此电路中还包括：上电复位(C1、R1)和人工复位(KA，R1，R2)两部分。

图9．12硬件WATCHDOG电路

也可以用软件程序来形成WATCHDOG。例如，可以采用8031的定时器T0来形成WATCHDOG。将T0的溢出中断设为高优先级中断，其它中断均设置为低优先级中断，若采用6 MHz的时钟，则可用以下程序使T0定时约10ms来形成软件WATCHDOG：

软件WATCHDOG启动后系统工作程序必须每隔小于10 ms的时间执行一次MOV TH0，#0E0H指令，重新设置T0的计数初值。如果程序跑飞后执行不到这条指令，则在10ms之后即会产生一次T0溢出中断，在T0的中断向量区安放一条转移到出错处理程序的指令LJMPERR，由出错处理程序来处理各种善后工作。采用软件WATCHDOG有一个弱点，就是如果“跑飞”的程序使某些操作数变成了修改T0功能的指令，则执行指令后软件WATCHDOG就会失效，因此软件WATCHDOG的可靠性不如硬件高。