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靜電放電固件和軟件設(shè)計原則
點擊次數(shù):7330 更新時間:2010-08-26

雖然固件設(shè)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(dāng)寫入的固件,不可恢復(fù)的設(shè)備故障(死鎖)通??梢员苊猓苫謴?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(quán)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(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(rèn)為端口、寄存器等的狀態(tài)是一定的。例如,當(dāng)使用一個索引寄存器時,應(yīng)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(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(shè)計也是適用的。
  刷新:
  進行刷新時,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,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(rèn)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(dāng)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(dāng)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(fù)位:
  有時,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)該試圖對其進行更正。
  進行復(fù)位(或初始化)時一定要非常謹(jǐn)慎。雖然系統(tǒng)的狀態(tài)可能有疑問,但是將系統(tǒng)*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(yīng)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(yīng)該使問題的危害zui小。如果有些關(guān)鍵的項目沒有zui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。
  檢驗函數(shù)通??梢苑譃?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(rèn)子程序在預(yù)定的范圍內(nèi)運行。
   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)程序運行中的問題。當(dāng)進入一個子程序時,保存標(biāo)牌,當(dāng)離開子程序時,檢查這個標(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,就被抓?。ɡ缭谖词褂玫谋砀裰邪才欧祷刂噶睿?。
為了檢查程序流是否正常,在程序中還應(yīng)該包含以下兩個子程序:
   4) 為了確認(rèn)主程序運行正常,應(yīng)該有一個永遠(yuǎn)不會停止和失效的計時程序。
   5) 主程序應(yīng)定時檢查上面的定時程序,確認(rèn)其是否運行正常(如果微處理器沒有內(nèi)置的計時器,可以使用外置的硬件“看門狗”電路。當(dāng)處理器沒有按時將計時器復(fù)位時,外置電路會將處理器復(fù)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(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(guān)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(rèn)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(yīng)輸出級來進行校驗輸出端
   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)清除掉。實際上,由于靜電放電(ESD)而使錯誤程序反向復(fù)位時,執(zhí)行硬件初始化程序不應(yīng)妨礙處理器的工作。這通常可以通過檢查執(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*復(fù)位。當(dāng)主程序執(zhí)行時,此標(biāo)將被重新設(shè)定,一般僅被處理器的實際硬件復(fù)位所清除。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)位計數(shù)器。
  4、阻止可疑碼的傳輸。
  5、在復(fù)位完成時才允許中斷,然后再重新啟動計數(shù)器。
  6、復(fù)位中斷不確定的標(biāo)志
  7、刷新輸出。
  8、如果主機系統(tǒng)接受復(fù)位,使其發(fā)磅一代碼以通知復(fù)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(diào)一致地工作。
  9、當(dāng)然,復(fù)位程序必須清除引起復(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(jié)所在。循環(huán)期間的一個內(nèi)存單元值應(yīng)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(nèi)存單元地址應(yīng)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(dāng)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(shè)計,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(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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