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          靜電放電固件和軟件設計原則
          點擊次數:5953 發布時間:2010-08-26

          雖然固件設計不能防止系統中器件的損壞,,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??梢员苊?,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,如果這個索引發生錯誤時,會發生什么問題。如果僅是僅發生一些暫時的或無關緊要的問題,如發光二極管閃爍,則不需要什么特殊的處理。如果會發生很嚴重的問題,例如系統發生死鎖,則必須采取措施來避免問題的發生。
            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,而僅是用確定的數據來保證今后的狀態。例如,在從8409的端口讀取數據時,一定要先向端口寫入數據。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據。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) 當端口用于串行數據輸出時,刷新停止位的電平。
            C) 刷新鎖存器和端口輸出狀態。
            D) 定期讀取控制和選擇輸入,保證系統工作在適當狀態。
            E) 對于8049和8051處理器,每個程序環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,數據線一定要在時鐘線之前刷新。否則,經過刷新的時鐘會使數據位丟失。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。如果狀態不對,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。雖然系統的狀態可能有疑問,但是將系統徹底初始化并不是一個好方法。這會丟失所有過去的數據。應該遵守的原則是,使系統處于zui可能的狀態,而這個狀態應該使問題的危害zui小。如果有些關鍵的項目沒有zui可能的狀態,則應該將其狀態保留起來。這便于以后采用投票的方式來確定當前狀態。通常,“3取2”的投票方式就可以了。
            檢驗函數通??梢苑譃?類。特別要做以下檢驗,如果發現錯誤,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”來幫助發現程序運行中的問題。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) 檢驗存儲的數據和信息是否正確
             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據之前,要對其數值或范圍先進行檢查。
             3) 如果關鍵數據很多而不適合備份,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)來對數據塊檢驗。

            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) 確認輸入數據的合理性,有些數據可能有明顯的錯誤。 
             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,執行硬件初始化程序不應妨礙處理器的工作。這通??梢酝ㄟ^檢查執行硬件復位程序的標志寄存器的優先級來完成。如果已經設定標志,則應避免完全復位。當主程序執行時,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器。
            6、復位中斷不確定的標志
            7、刷新輸出。
            8、如果主機系統接受復位,使其發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正處于執行程序的狀態中(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器停止計數,從而使處理器進入死循環。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,于是程序可能會發生變化,因此,被替換的單元值便經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現程序其他部分的死循環。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現。這種方法并不總是有效的,但帶有特殊問題的系統是不允許的。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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