C8051Fxxx程序丢失问题及预防措施分析

1  C8051Fxxx单片机简单介绍和Flash结构

　　C8051Fxxx系列器件是Silicon Labs推出的一个高速单片机系列。这款单片机是完全集成的混合信号片上系统型MCU 芯片，具有高速、流水线结构的8051 兼容的CIP51内核；70%的指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期；片上有丰富的片内外设，根据型号的不同，包括ADC、DAC、UART、捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列、SPI、SMBus等。

　　C8051Fxxx单片机有大容量的Flash存储器，用于程序代码和非易失性数据存储，可在系统编程。Flash的结构是以扇区为单位组织的（128 KB系列以1 024字节为1个扇区，64 KB系列以512字节为1个扇区）。非易失性Flash可以用来存储系统的参数，如软件版本、生产日期等。Flash可以使用编程器擦写，也可以在程序中使用MOVX指令来修改，从而使Flash 存储器具有在系统重新编程能力，允许现场更新8051 固件程序。Flash的写和擦除操作由硬件自动定时，以保证操作正确通过。C8051Fxxx的Flash保存下载的程序，在系统上电后，单片机从Flash读出代码数据到RAM，之后程序开始运行。

2  程序丢失问题的出现和原因

　　在一些实际应用中，系统重新上电后会出现程序不能正常运行的问题，常表现为“程序丢失”。通常是由于程序代码被损坏或被修改造成的。

　　造成程序丢失问题的原因很多，可以归结到一个基本原因，即对Flash的访问失败而造成Flash保存的代码出现错误。对于所有包含有Flash写/擦除子程序的系统，当CPU工作在规定的VDD、温度、系统时钟频率范围之外时，对Flash进行写/擦除操作，都有可能出现Flash数据错误的现象。

2.1  Flash数据错误的硬件原因

　　C8051Fxxx单片机的Flash操作由硬件控制，所以硬件上的不稳定可能造成Flash操作错误。硬件原因主要是能影响CPU正常运行的因素，以及能影响Flash操作环境的因素。这些因素包括操作电压、温度以及外部干扰脉冲等，具体如下：

　　①  能影响CPU运行可靠性的参数有系统时钟源。如果系统时钟由外部晶振提供，外部的电磁干扰引起尖脉冲，并耦合到系统时钟上，则会导致不可预知的操作。
　　②  系统在单片机的工作电压没有稳定（VDD上升时间低于规定的1 ms）时就已经完成复位，由于系统复位时需要从Flash读出代码数据，Flash电压不稳定会出现不可预测的错误。
　　③  在对Flash的操作过程中，如果温度、电压不稳定，也可能造成Flash数据错误。

2.2  Flash数据错误的软件原因

　　代码设计的缺陷是程序丢失的主要原因，因为单片机的Flash是由硬件来控制的，不能由软件来控制操作的细节，所以程序的不完善可能造成Flash的访问出错，从而使Flash数据出现错误。 这些操作包括： 在PSWE位（PSCTL.0）置1时CPU执行中断服务程序中的MOVX写操作，该中断服务程序要使用xdata 或pdata 的易失性存储区单元，这样可能导致向xdata 或pdata存储区写的数据写到Flash中了，从而出现问题。另外，如果使用外部晶振作系统时钟，在时钟没有稳定时就对Flash进行写操作，也可能造成程序丢失。

3  程序丢失问题的解决方法

　　针对以上可能的原因，可以从软硬件两个方面来解决程序丢失问题。在硬件方面，主要是给系统提供稳定的工作环境，并避免外部干扰对CPU运行环境的影响；在软件方面，主要是规范对Flash的操作。

3.1  从硬件方面预防程序丢失

　　注意，以下的方法不是对所有的器件都适用，要根据具体的硬件情况选择相应的方法：

　　①  在RST引脚安装VDD监测电路，并将VDD监视设置为一个复位源（置RSTSRC.1为1）。这样如果系统电压不稳定，系统将自动复位，从而避免在电压不稳时访问Flash。
　　②  对外部晶振时钟2分频，更好的方法是使用内部振荡器，这样能提高系统时钟的抗干扰能力。
　　③  如果使用外部晶振提供系统时钟，信号线应尽量靠近单片机的输入端，同时晶振外壳接地。
　　④  对于使用外部晶振作时钟源的系统，应尽量增强晶振的驱动能力，这样也能在一定程度上预防程序丢失。

3.2  从软件方面预防程序丢失

　　程序丢失的主要原因是程序设计的缺陷，所以合理的程序代码设计能极大地预防该问题的出现。在代码中可以用多种方法来预防Flash数据丢失：

　　①  在PSWE=1下禁止中断，使得程序中的MOVX写指令是对Flash而不是对XRAM。
　　②  在PSWE=1下尽可能少地访问变量。在PSWE=0下执行地址译码操作，并用间接寻址方式执行MOVX写操作。例如，向Flash写多个字节，间接寻址和写PSWE过程如下：

　　unsigned char xdata * idata pwrite;//使用idata指针指向Flash
　　unsigned char *source;
　　unsigned char mydata;
　　for (addr = 0; addr < 100; addr++) {
　　　　//PSWE =0时获取要写入的数据
　　　　mydata = *source++;
　　　　//PSWE =0时修改写入数据的目标地址
　　　　pwrite = (unsigned char xdata *) addr;
　　　　PSCTL = 0x01;//PSWE=1
　　　　//赋值方式写入数据，此时不执行目标地址的修改操作
　　　　*pwrite = mydata;
　　　　PSCTL = 0x00;//PSWE=0
　　}

　　以上代码中，当PSWE = 1时只执行写Flash操作（*pwrite = mydata）；其他操作，如修改addr的值、获取源数据和目的地址，都是在PSWE = 0时执行的。