一文詳解微控制器中的看門狗定時(shí)器

本文介紹看門狗定時(shí)器，通?？s寫為 WDT，也稱為計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行定時(shí)器或 COP。有外部看門狗設(shè)備和內(nèi)部看門狗功能。本文僅介紹內(nèi)部看門狗。

什么是看門狗定時(shí)器？（一個非常規(guī)的類比）

看門狗定時(shí)器是一種專門的定時(shí)器模塊，可幫助微處理器從故障中恢復(fù)。如果看門狗定時(shí)器到達(dá)其計(jì)數(shù)周期的末尾，它將重置整個處理器系統(tǒng)。為了防止這種情況，處理器必須執(zhí)行某種類型的特定操作來重置看門狗。因此，可以配置看門狗定時(shí)器，使其僅在發(fā)生處理器故障時(shí)到達(dá)其計(jì)數(shù)周期的末尾，并且通過強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位，看門狗定時(shí)器幫助處理器從故障模式中逃脫并繼續(xù)正常運(yùn)行。

為了可視化 WDT 的功能，我有一個非常規(guī)的類比供您考慮。

《迷失》是一部廣受歡迎的電視劇，講述了飛機(jī)失事后一群幸存者被困在一個神秘的島嶼上。其中一個子情節(jié)涉及的角色認(rèn)為他們必須在屏幕上的計(jì)數(shù)器變?yōu)?0 之前輸入一串簡短的數(shù)字，否則世界將結(jié)束。

當(dāng)輸入系列時(shí)，計(jì)數(shù)器重置并再次開始倒計(jì)時(shí)。輸入這一系列數(shù)字只是心理實(shí)驗(yàn)的一部分，還是世界的命運(yùn)岌岌可危，這永遠(yuǎn)不清楚。找出答案的唯一方法是不輸入數(shù)字。角色們可以自由外出、尋找食物、游泳——但他們必須及時(shí)返回以重置計(jì)數(shù)器。從計(jì)算機(jī)的角度來看，接收到正確的輸入意味著外面有一個人在正常操作并為柜臺服務(wù)。沒有收到正確的輸入表明有問題。

看門狗定時(shí)器的運(yùn)行方式與Lost中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類似。微控制器的其余部分是壓力過大的角色，他們可以自由地做任何事情，但必須定期為計(jì)數(shù)器提供服務(wù)，否則微控制器會復(fù)位（又名世界末日）。正確操作的軟件和硬件將在固定的時(shí)間內(nèi)為看門狗提供服務(wù)，而有故障的軟件或硬件可能不會。

內(nèi)部看門狗定時(shí)器的類型

有兩種類型的看門狗，非窗口和窗口。如果服務(wù)計(jì)數(shù)器延遲，這兩種類型都會導(dǎo)致復(fù)位。

如果服務(wù)發(fā)生得太快，窗口看門狗也會導(dǎo)致復(fù)位。此圖顯示了使用遞增計(jì)數(shù)器的看門狗的時(shí)序。一些看門狗使用遞減計(jì)數(shù)器，但原理是一樣的。

看門狗定時(shí)器的時(shí)序

對于非窗口或窗口看門狗，在計(jì)數(shù)器達(dá)到上限值之前的任何服務(wù)都會重置計(jì)數(shù)器并且一切正常。窗口式看門狗會添加一個下限并創(chuàng)建一個計(jì)數(shù)窗口。下限和上限之間的任何服務(wù)都可以。這里是圖表的詳細(xì)描述。

A - 啟動后不久，程序使用計(jì)數(shù)器的上限初始化看門狗并啟用計(jì)數(shù)。對于窗口式看門狗，還設(shè)置了下限。

B和C - 軟件在計(jì)數(shù)器達(dá)到上限之前成功地為計(jì)數(shù)器提供服務(wù)，對于窗口式看門狗，在下限之后。服務(wù)后，計(jì)數(shù)器復(fù)位為 0 并再次開始向上計(jì)數(shù)。一切都好。

D - 程序不服務(wù)計(jì)數(shù)器并且計(jì)數(shù)達(dá)到上限。看門狗復(fù)位微控制器。

D 到 E - 微控制器啟動并初始化并啟用看門狗。

E - 看門狗開始計(jì)數(shù)。

F - 程序在計(jì)數(shù)器達(dá)到上限之前為計(jì)數(shù)器提供服務(wù)，對于窗口看門狗，在下限之后提供服務(wù)。計(jì)數(shù)器重置為 0 并重新開始計(jì)數(shù)。一切都好。

G - 程序在計(jì)數(shù)達(dá)到窗口看門狗的下限之前為計(jì)數(shù)器提供服務(wù)。對于沒有下限的非窗口看門狗，沒有復(fù)位，計(jì)數(shù)器變?yōu)?0 并重新開始計(jì)數(shù)。對于窗口看門狗，微控制器被復(fù)位。

看門狗的細(xì)節(jié)差異很大。他們可以向上或向下計(jì)數(shù)。他們使用不同的時(shí)鐘。他們有不同的上限和下限選擇。以下部分介紹了許多特性，但只是一個概述。

看門狗初始化

初始化看門狗可能很棘手。例如，一些看門狗會在微控制器啟動時(shí)自動啟用。

如果您不使用看門狗，則必須在啟動時(shí)包含代碼以禁用它。我目前使用的看門狗就是這種情況。如果我的程序需要運(yùn)行超過一秒，我必須禁用看門狗或更改窗口設(shè)置！

一些看門狗只允許對控制寄存器進(jìn)行一次寫入作為安全功能。此功能可防止失控軟件在初始化后更改設(shè)置。如果您在具有此功能的看門狗中使用默認(rèn)設(shè)置，請確保覆蓋默認(rèn)設(shè)置，即使位值相同。這“鎖定”了價(jià)值觀并保持了安全性。

如果您使用 C 編程，請注意在啟動代碼中可能會初始化看門狗，它在您的 main（） 函數(shù)之前運(yùn)行。開發(fā)環(huán)境有時(shí)會自動包含此代碼，作為運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn) C 程序的一部分。此代碼設(shè)置內(nèi)存和中斷向量表。在您的啟動代碼中查看看門狗的操作并根據(jù)您的系統(tǒng)要求進(jìn)行修改。

窗口設(shè)置

看門狗可以是非窗口的和窗口的。單個計(jì)時(shí)器通過將窗口的下限作為選項(xiàng)來提供兩種類型是很常見的。窗口的大小隨看門狗的不同而不同。

我目前使用的看門狗的下限固定在上限的75%。另一個看門狗可以選擇上限的 75%、50%、37.5% 或 25%。還有一個看門狗獨(dú)立設(shè)置上限和下限。關(guān)于如何選擇上限也存在很大差異。

服務(wù) AKA 看門狗定時(shí)器復(fù)位

定期重置看門狗計(jì)數(shù)器稱為“服務(wù)”定時(shí)器。不同的看門狗定時(shí)器將有不同的服務(wù)要求。所有服務(wù)要求都使用在失控軟件執(zhí)行期間不太可能發(fā)生的操作。

我目前使用的看門狗需要兩次寫入“服務(wù)寄存器”，其值為 0x55，后跟 0xAA。如果將 0x55 或 0xAA 以外的任何值寫入服務(wù)寄存器，則任何時(shí)候微控制器都會立即復(fù)位。

另一個看門狗需要對值為 0xAAAA 的服務(wù)寄存器進(jìn)行單次寫入。似乎對數(shù)字 0xA 和 0x5 以及它們交替的 1010 和 0101 位模式很著迷。一個計(jì)時(shí)器通過使用具有幻數(shù) 0x5743 的單次寫入來對抗這種趨勢。

睡眠模式

睡眠和其他低功耗模式使事情復(fù)雜化。如果處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài)并停止執(zhí)行，看門狗應(yīng)該怎么做？看門狗時(shí)間應(yīng)該靜止嗎？

當(dāng)處理器進(jìn)入和退出深度睡眠時(shí)，我當(dāng)前使用的看門狗會在初始計(jì)數(shù)處停止并重新啟動。這個話題很復(fù)雜，當(dāng)微控制器使用低功耗模式時(shí)，您需要研究看門狗的操作。

漸進(jìn)式反應(yīng)

微控制器的完全復(fù)位可能過于苛刻。一些看門狗具有允許漸進(jìn)式響應(yīng)的功能。

例如，看門狗可能在復(fù)位之前的某個時(shí)間有一個中斷請求選項(xiàng)。此功能允許中斷服務(wù)程序在看門狗繼續(xù)計(jì)數(shù)時(shí)修復(fù)或記錄問題。如果中斷程序不能讓事情回到正軌，就會發(fā)生復(fù)位。

看門狗戰(zhàn)略

我使用術(shù)語“策略”來確定在哪里設(shè)置看門狗的時(shí)間限制。最簡單的策略是使用非窗口看門狗，其超時(shí)時(shí)間遠(yuǎn)長于服務(wù)看門狗之間程序的任何可能執(zhí)行時(shí)間。我將其稱為“重置按鈕”策略，因?yàn)樗〈税聪轮刂冒粹o的人。醫(yī)療設(shè)備或制造機(jī)器人等關(guān)鍵系統(tǒng)的策略需要更快的響應(yīng)。

看門狗策略可以考慮許多因素：

系統(tǒng)是否使用可預(yù)測的主循環(huán)或基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的復(fù)雜多任務(wù)結(jié)構(gòu)？

看門狗重置是否應(yīng)該啟動一系列自動系統(tǒng)檢查？

看門狗是診斷和解決問題的一系列嘗試的最后階段嗎？

您想在系統(tǒng)啟動時(shí)測試看門狗以及其他檢查嗎？

看門狗策略是一個復(fù)雜的話題，并且非常依賴于應(yīng)用程序。

在復(fù)位微控制器之前，看門狗在復(fù)位后的狀態(tài)寄存器中設(shè)置一個位。通常該位與其他復(fù)位狀態(tài)（例如掉電復(fù)位位）一起存儲。測試看門狗復(fù)位位應(yīng)該是策略的一部分。

至少，在啟動期間測試該位并做一些事情來指示問題。否則，故障可能會被忽視，尤其是不常見的故障。例如，在顯示屏上輸出消息或點(diǎn)亮 LED。