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| 技術文章 |
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| 靜電放電固件和軟件設計原則 |
| 點擊次數(shù)：7924 更新時間：2010-08-26 |
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雖然固件設計不能防止系統(tǒng)中器件的損壞，，但是能夠有效地避免一些非*性的損壞。通過適當寫入的固件，不可恢復的設備故障（死鎖）通常可以避免，可恢復的故障也可以減少10倍。
如同硬件上的靜電放電措施一樣，抗靜電放電的固件也是有代價的。通常，程序會更大一些，這意味著需要更長的編程時間和存儲單元。權衡得失時，要將這種代價與單純依靠硬件解決靜電放電問題時的成本做對比。在許多微處理器的應用中，固件措施的成本要比硬件低。
在編寫靜電放電抗擾性強的固件時一定要樹立的的一個觀念是“不確定性”。也就是，一定不能認為端口、寄存器等的狀態(tài)是一定的。例如，當使用一個索引寄存器時，應該問一下，如果這個索引發(fā)生錯誤時，會發(fā)生什么問題。如果僅是僅發(fā)生一些暫時的或無關緊要的問題，如發(fā)光二極管閃爍，則不需要什么特殊的處理。如果會發(fā)生很嚴重的問題，例如系統(tǒng)發(fā)生死鎖，則必須采取措施來避免問題的發(fā)生。
固件（軟件）靜電放電措施可以分為兩類：
* 刷新
* 檢驗和重新寫入
下面從概念上討論每種措施，并給出一些例子。由于不可能預見到所有的特殊情況，要使固件能夠抵抗靜電放電，設計人員必須對整個系統(tǒng)有一個全面的了解。雖然下面的討論主要針對固件，但是其中的許多概念對于軟件設計也是適用的。
刷新：
進行刷新時，程序員不關心過去的情況，而僅是用確定的數(shù)據(jù)來保證今后的狀態(tài)。例如，在從8409的端口讀取數(shù)據(jù)時，一定要先向端口寫入數(shù)據(jù)。即使這個端口從上次更新以后一直沒有改寫，也要進行這個步驟。絕不要認為端口上還保留著上次寫入的數(shù)據(jù)。刷新時需要考慮的其它因素包括：
A） 按照一定的時間間隔打開中斷使能端（在8049中是RETR，在8051中是RETI）
B） 當端口用于串行數(shù)據(jù)輸出時，刷新停止位的電平。
C） 刷新鎖存器和端口輸出狀態(tài)。
D） 定期讀取控制和選擇輸入，保證系統(tǒng)工作在適當狀態(tài)。
E） 對于8049和8051處理器，每個程序環(huán)路中至少有一條寄存器選擇指令。
在進行刷新時，另一個需要考慮的因素是刷新的順序。有時，刷新的順序十分重要。例如，在同步輸入/輸出中，數(shù)據(jù)線一定要在時鐘線之前刷新。否則，經(jīng)過刷新的時鐘會使數(shù)據(jù)位丟失。如前所述，一定要考慮在錯誤條件下每條指令的順序。
檢驗和復位：
有時，單純刷新還是不夠的。在有些情況下，刷新甚至會掩蓋一些嚴重的問題。在這些情況下，寄存器、端口等需要通過檢驗來確認其狀態(tài)。如果狀態(tài)不對，程序應該試圖對其進行更正。
進行復位（或初始化）時一定要非常謹慎。雖然系統(tǒng)的狀態(tài)可能有疑問，但是將系統(tǒng)*初始化并不是一個好方法。這會丟失所有過去的數(shù)據(jù)。應該遵守的原則是，使系統(tǒng)處于zui可能的狀態(tài)，而這個狀態(tài)應該使問題的危害zui小。如果有些關鍵的項目沒有zui可能的狀態(tài)，則應該將其狀態(tài)保留起來。這便于以后采用投票的方式來確定當前狀態(tài)。通常，“3取2”的投票方式就可以了。
檢驗函數(shù)通常可以分為3類。特別要做以下檢驗，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，需要初始化。
A） 檢驗程序流是否正確：
1） 在主程序中，在子程序返回前，要定期檢驗子程序堆棧指針，以確認子程序在預定的范圍內運行。
2） 如果不檢查堆棧指針（或在檢查堆棧指針的基礎上），可以使用“標牌”來幫助發(fā)現(xiàn)程序運行中的問題。當進入一個子程序時，保存標牌，當離開子程序時，檢查這個標牌。
3） 在禁用區(qū)域中安排“陷阱”碼，例如編碼表或無用的中斷矢量。當程序要執(zhí)行這些碼時，就被抓住（例如在未使用的表格中安排返回指令）。
為了檢查程序流是否正常，在程序中還應該包含以下兩個子程序：
4） 為了確認主程序運行正常，應該有一個永遠不會停止和失效的計時程序。
5） 主程序應定時檢查上面的定時程序，確認其是否運行正常（如果微處理器沒有內置的計時器，可以使用外置的硬件“看門狗”電路。當處理器沒有按時將計時器復位時，外置電路會將處理器復位）。
B） 檢驗存儲的數(shù)據(jù)和信息是否正確
1） 定期對保留的項目進行表決，如果沒有一致性，進行初始化。特別，狀態(tài)標志（特別是使能標志）要保留有備份。除了備份以外，還可以使用糾錯碼。
2） 對于索引和其它一些十分重要的寄存器，在使用其所存儲的數(shù)據(jù)之前，要對其數(shù)值或范圍先進行檢查。
3） 如果關鍵數(shù)據(jù)很多而不適合備份，或者無法檢驗所有信息時，可以用檢驗和或周期性冗余檢驗（CRC）來對數(shù)據(jù)塊檢驗。
C） 對輸入和輸出進行檢驗
1） 利用各種方法，如奇偶校驗、檢驗和等，對輸入進行檢驗
2） 確認輸入數(shù)據(jù)的合理性，有些數(shù)據(jù)可能有明顯的錯誤。
3） 對所有輸入級電平至少取樣兩次以實現(xiàn)對噪聲的“軟件濾波”
4） 通過使接收機響應輸出級來進行校驗輸出端
5） 接收裝置應能識別所有有效的輸入信號，如果接收裝置不能識別，那么發(fā)送裝置應具有再傳輸能力。
如果以上措施均不能正確檢查，則要求能自動恢復。當然，這種恢復能力通常不能與加電（或硬件）復位過程中的初始化程序不同，RAM不應清除掉。實際上，由于靜電放電（ESD）而使錯誤程序反向復位時，執(zhí)行硬件初始化程序不應妨礙處理器的工作。這通常可以通過檢查執(zhí)行硬件復位程序的標志寄存器的優(yōu)先級來完成。如果已經(jīng)設定標志，則應避免*復位。當主程序執(zhí)行時，此標將被重新設定，一般僅被處理器的實際硬件復位所清除。特別地，通常應按以下步驟來完成復位：
1、復位子程序堆棧指針。
2、復位FIFO指針。
3、復位計數(shù)器。
4、阻止可疑碼的傳輸。
5、在復位完成時才允許中斷，然后再重新啟動計數(shù)器。
6、復位中斷不確定的標志
7、刷新輸出。
8、如果主機系統(tǒng)接受復位，使其發(fā)磅一代碼以通知復位已完成。那么，主機就可以采取措施來確保系統(tǒng)的
所有部分都諧調一致地工作。
9、當然，復位程序必須清除引起復位動作的具體問題。
上述大部分討論假定系統(tǒng)正處于執(zhí)行程序的狀態(tài)中（盡管不一定正確），`如果程序包括表格，處理器可能會盡力去執(zhí)行這些單元值并將其作為指令。從理論上講，內存單元值可能會引起看門狗計數(shù)器停止計數(shù)，從而使處理器進入死循環(huán)。對于這種情況，可將邏輯分析儀接到地址總線，這樣有可能找到問題的癥結所在。循環(huán)期間的一個內存單元值應由一個返回指令來代替。這一般會使處理器跳出循環(huán)，于是程序可能會發(fā)生變化，因此，被替換的單元值便經(jīng)過特殊方式進行了處理。（如果有可能的話，空閑的內存單元地址應用于控制這個返回操作碼。實際上，如前處述，將返回碼填滿所有空閑地址是極有可能的。）當然，這個邏輯分析儀也能夠發(fā)現(xiàn)程序其他部分的死循環(huán)。然而，如利用帶有偽程序的單片微處理器來進行設計，那么地址總線將變得無效。這種情況下，在調試后，程序可以在仿真系統(tǒng)中具有“靜電放電加固”的性質。一旦程序被調試好且運行正常的話，它就可隨意改變寄存器的值以模擬靜電放電效果。
程序計數(shù)器是很關鍵的，應被設置成隨意值。而且，子程序堆棧指針應設置成變量值。通過在仿真過程中作這些變化且不影響結果，許多潛在的問題都可以得以發(fā)現(xiàn)。這種方法并不總是有效的，但帶有特殊問題的系統(tǒng)是不允許的。應用這些原理，與固件相關的靜電放電問題相對來說會很少的。 |
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