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技術(shù)文章

靜電放電固件和軟件設(shè)計(jì)原則
 
看到這個(gè)題目后，許多讀者會吃驚，在對付靜電放電方面，除了眾所周知的硬件方法以外，固件和軟件也起著重要的作用。
　　雖然固件設(shè)計(jì)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長久性的損壞。通過適當(dāng)寫入的固件，不可恢復(fù)的設(shè)備故障（死鎖）通常可以避免，可恢復(fù)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(jià)的。通常，程序會更大一些，這意味著需要更長的編程時(shí)間和存儲單元。權(quán)衡得失時(shí)，要將這種代價(jià)與單純依靠硬件解決靜電放電問題時(shí)的成本做對比。在許多微處理器的應(yīng)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(qiáng)的固件時(shí)一定要樹立的的一個(gè)觀念是“不確定性”。也就是，一定不能認(rèn)為端口、寄存器等的狀態(tài)是一定的。例如，當(dāng)使用一個(gè)索引寄存器時(shí)，應(yīng)該問一下，如果這個(gè)索引發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，會發(fā)生什么問題。如果僅是僅發(fā)生一些暫時(shí)的或無關(guān)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(yán)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(yàn)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(yù)見到所有的特殊情況，要使固件能夠抵抗靜電放電，設(shè)計(jì)人員必須對整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)**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(shè)計(jì)也是適用的。
　　刷新：
　　進(jìn)行刷新時(shí)，程序員不關(guān)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(shí)，一定要先向端口寫入數(shù)據(jù)。即使這個(gè)端口從上次更新以后一直沒有改寫，也要進(jìn)行這個(gè)步驟。絕不要認(rèn)為端口上還保留著上次寫入的數(shù)據(jù)。刷新時(shí)需要考慮的其它因素包括：
　　A) 按照一定的時(shí)間間隔打開中斷使能端（在8049中是RETR，在8051中是RETI）
　　B) 當(dāng)端口用于串行數(shù)據(jù)輸出時(shí)，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(dāng)狀態(tài)。
　　E) 對于8049和8051處理器，每個(gè)程序環(huán)路中至少有一條寄存器選擇指令。

　　在進(jìn)行刷新時(shí)，另一個(gè)需要考慮的因素是刷新的順序。有時(shí)，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(shí)鐘線之前刷新。否則，經(jīng)過刷新的時(shí)鐘會使數(shù)據(jù)位丟失。如前所述，一定要考慮在錯(cuò)誤條件下每條指令的順序。
　　檢驗(yàn)和復(fù)位：
　　有時(shí)，單純刷新還是不夠的。在有些情況下，刷新甚至?xí)谏w一些嚴(yán)重的問題。在這些情況下，寄存器、端口等需要通過檢驗(yàn)來確認(rèn)其狀態(tài)。如果狀態(tài)不對，程序應(yīng)該試圖對其進(jìn)行更正。
　　進(jìn)行復(fù)位（或初始化）時(shí)一定要非常謹(jǐn)慎。雖然系統(tǒng)的狀態(tài)可能有疑問，但是將系統(tǒng)徹底初始化并不是一個(gè)好方法。這會丟失所有過去的數(shù)據(jù)。應(yīng)該遵守的原則是，使系統(tǒng)處于濟(jì)可能的狀態(tài)，而這個(gè)狀態(tài)應(yīng)該使問題的危害濟(jì)小。如果有些關(guān)鍵的項(xiàng)目沒有濟(jì)可能的狀態(tài)，則應(yīng)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(dāng)前狀態(tài)。通常，“3取2”的投票方式就可以了。
　　檢驗(yàn)函數(shù)通?？梢苑譃?類。特別要做以下檢驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，需要初始化。
　　A) 檢驗(yàn)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(yàn)子程序堆棧指針，以確認(rèn)子程序在預(yù)定的范圍內(nèi)運(yùn)行。
　　　2)如果不檢查堆棧指針（或在檢查堆棧指針的基礎(chǔ)上），可以使用“標(biāo)牌”來幫助發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行中的問題。當(dāng)進(jìn)入一個(gè)子程序時(shí)，保存標(biāo)牌，當(dāng)離開子程序時(shí)，檢查這個(gè)標(biāo)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(dāng)程序要執(zhí)行這些碼時(shí)，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(yīng)該包含以下兩個(gè)子程序：
　　　4) 為了確認(rèn)主程序運(yùn)行正常，應(yīng)該有一個(gè)永遠(yuǎn)不會停止和失效的計(jì)時(shí)程序。
　　　5)主程序應(yīng)定時(shí)檢查上面的定時(shí)程序，確認(rèn)其是否運(yùn)行正常（如果微處理器沒有內(nèi)置的計(jì)時(shí)器，可以使用外置的硬件“看門狗”電路。當(dāng)處理器沒有按時(shí)將計(jì)時(shí)器復(fù)位時(shí)，外置電路會將處理器復(fù)位）。

　　B) 檢驗(yàn)存儲的數(shù)據(jù)和信息是否正確
　　　1)定期對保留的項(xiàng)目進(jìn)行表決，如果沒有一致性，進(jìn)行初始化。特別，狀態(tài)標(biāo)志（特別是使能標(biāo)志）要保留有備份。除了備份以外，還可以使用糾錯(cuò)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(jìn)行檢查。
　　　3) 如果關(guān)鍵數(shù)據(jù)很多而不適合備份，或者無法檢驗(yàn)所有信息時(shí)，可以用檢驗(yàn)和或周期性冗余檢驗(yàn)（CRC）來對數(shù)據(jù)塊檢驗(yàn)。

　　C) 對輸入和輸出進(jìn)行檢驗(yàn)
　　　1) 利用各種方法，如奇偶校驗(yàn)、檢驗(yàn)和等，對輸入進(jìn)行檢驗(yàn)
　　　2) 確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)的合理性，有些數(shù)據(jù)可能有明顯的錯(cuò)誤。 
　　　3) 對所有輸入級電平至少取樣兩次以實(shí)現(xiàn)對噪聲的“軟件濾波”
　　　4) 通過使接收機(jī)響應(yīng)輸出級來進(jìn)行校驗(yàn)輸出端
　　　5) 接收裝置應(yīng)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(yīng)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(fù)。當(dāng)然，這種恢復(fù)能力通常不能與加電（或硬件）復(fù)位過程中的初始化程序不同，RAM不應(yīng)**掉。實(shí)際上，由于靜電放電（ESD）而使錯(cuò)誤程序反向復(fù)位時(shí)，執(zhí)行硬件初始化程序不應(yīng)妨礙處理器的工作。這通?？梢酝ㄟ^檢查執(zhí)行硬件復(fù)位程序的標(biāo)志寄存器的優(yōu)先級來完成。如果已經(jīng)設(shè)定標(biāo)志，則應(yīng)避免完全復(fù)位。當(dāng)主程序執(zhí)行時(shí)，此標(biāo)將被重新設(shè)定，一般僅被處理器的實(shí)際硬件復(fù)位所**。特別地，通常應(yīng)按以下步驟來完成復(fù)位：
　　1、復(fù)位子程序堆棧指針。
　　2、復(fù)位FIFO指針。
　　3、復(fù)位計(jì)數(shù)器。
　　4、阻止可疑碼的傳輸。
　　5、在復(fù)位完成時(shí)才允許中斷，然后再重新啟動計(jì)數(shù)器。
　　6、復(fù)位中斷不確定的標(biāo)志
　　7、刷新輸出。
　　8、如果主機(jī)系統(tǒng)接受復(fù)位，濟(jì)好使其發(fā)磅一代碼以通知復(fù)位已完成。那么，主機(jī)就可以采取措施來確保系統(tǒng)的
       　所有部分都諧調(diào)一致地工作。
　　9、當(dāng)然，復(fù)位程序必須**引起復(fù)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(nèi)存單元值可能會引起看門狗計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，從而使處理器進(jìn)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(jié)所在。循環(huán)期間的一個(gè)內(nèi)存單元值應(yīng)由一個(gè)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(jìn)行了處理。（如果有可能的話，空閑的內(nèi)存單元地址應(yīng)用于控制這個(gè)返回操作碼。實(shí)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(dāng)然，這個(gè)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(jìn)行設(shè)計(jì)，那么地址總線將變得無效。這種情況下，在調(diào)試后，程序可以在仿真系統(tǒng)中具有“靜電放電加固”的性質(zhì)。一旦程序被調(diào)試好且運(yùn)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(jì)數(shù)器是很關(guān)鍵的，應(yīng)被設(shè)置成隨意值。而且，子程序堆棧指針應(yīng)設(shè)置成變量值。通過在仿真過程中作這些變化且不影響結(jié)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(yīng)用這些原理，與固件相關(guān)的靜電放電問題相對來說會很少的。

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