單片機的狀態(tài)遷移與復(fù)位操作

　　本文以經(jīng)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(nèi)在規(guī)律，對于單片機學(xué)習(xí)者和應(yīng)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(gòu)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(guān)注的是復(fù)位狀態(tài)。

圖1? 單片機工作狀態(tài)遷移圖

　　經(jīng)過仔細分析之后，從圖1中可以看出：

　?、? 把單片機經(jīng)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(fù)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(jīng)歷一次復(fù)位狀態(tài)。
　?、? 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(shè)計的各項任務(wù)。
　?、? 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)”）。
　　⑤? 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(fù)位狀態(tài)。
　?、? 復(fù)位狀態(tài)以外的4個狀態(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(dǎo)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(fù)位狀態(tài)，基本都是依靠外部引腳RST上的復(fù)位信號。原始復(fù)位源比較單一，這是因為傳統(tǒng)80C51的復(fù)位邏輯相對簡單。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，則需要片外擴充獨立電路來實現(xiàn)。
　　⑨? 標準80C51沒有設(shè)計“軟件復(fù)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(fù)位不會令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)位是單片機的一項重要操作內(nèi)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(diào)的是： 關(guān)于“復(fù)位”一詞，它既包含復(fù)位活動的意思，又包含復(fù)位狀態(tài)的意思?；蛘哒f，復(fù)位既是一個動態(tài)的概念（指復(fù)位活動、復(fù)位操作、復(fù)位處理或復(fù)位過程等），又是一個靜態(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)位源和擴充復(fù)位源

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

　　所謂“復(fù)位源”，就是導(dǎo)致或者引起單片機內(nèi)部復(fù)位的源泉。對于當(dāng)前市場上出現(xiàn)的種類比較齊全的單片機，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)位源的特點是：

　?、? 上電復(fù)位這一種復(fù)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(fù)位和人工復(fù)位這兩種復(fù)位源，是講解80C51單片機的教科書、技術(shù)文章和文獻資料中比較常見的。
　?、? 對于電源欠壓復(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)。
　?、? 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)位源可以額外擴充，但是都必須借助于復(fù)位引腳RST來實施復(fù)位操作或復(fù)位鎖定。
　?、? 標準80C51本來不具備軟件復(fù)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(fù)位。這種方法擴充的軟件復(fù)位是一種比較特殊的復(fù)位源，一是不通過RST引腳實現(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(nèi)部都設(shè)計了專門用于實現(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

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

　　對80C51單片機來說，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），所實現(xiàn)的復(fù)位操作的具體內(nèi)容和影響范圍都應(yīng)該是一樣的。現(xiàn)在歸納如下：

　?、? 程序計數(shù)器PC返回到原始狀態(tài)0000H；
　?、? 所有特殊功能寄存器SFR全部還原為復(fù)位值（可以查閱技術(shù)手冊）；
　?、? 所有通用并行端口（P0、P1、P2和P3）的引腳全部被設(shè)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(shè)置了2個中斷優(yōu)先級別，而在有些新型兼容產(chǎn)品中設(shè)置了4個級別）。

2.3? 復(fù)位狀態(tài)的具體表現(xiàn)

　　單片機一旦進入復(fù)位狀態(tài)并且停留在復(fù)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(jié)）狀態(tài)；
　　◇ 各種片內(nèi)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(nèi)容均恢復(fù)到復(fù)位值（即返回到知情范圍）；
　　◇ 內(nèi)部RAM內(nèi)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(nèi)容；
　　◇ 內(nèi)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(yīng)該維持原有內(nèi)容和狀態(tài)。

2.4? 補充說明

　　格外值得關(guān)注的是，經(jīng)歷了復(fù)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(fù)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(gòu)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(fù)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(fù)位源引起的復(fù)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(fù)位事件的發(fā)生，只要電源電壓VDD還沒有跌落到連RAM內(nèi)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(yīng)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(yīng)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(nèi)容不丟失。

　　通過仔細分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初Intel公司為80C51設(shè)置停機模式的主要初衷，應(yīng)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(shè)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(chǎn)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(shè)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(shè)置PD=1指令之后的下一條指令恢復(fù)運行。?