一文詳解微控制器中的看門狗定時器

本文介紹看門狗定時器，通?？s寫為 WDT，也稱為計算機正常運行定時器或 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。

什么是看門狗定時器？（一個非常規(guī)的類比）

看門狗定時器是一種專門的定時器模塊，可幫助微處理器從故障中恢復。如果看門狗定時器到達其計數(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器，使其僅在發(fā)生處理器故障時到達其計數(shù)周期的末尾，并且通過強制系統(tǒng)復位，看門狗定時器幫助處理器從故障模式中逃脫并繼續(xù)正常運行。

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)涉及的角色認為他們必須在屏幕上的計數(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。

當輸入系列時，計數(shù)器重置并再次開始倒計時。輸入這一系列數(shù)字只是心理實驗的一部分，還是世界的命運岌岌可危，這永遠不清楚。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——但他們必須及時返回以重置計數(shù)器。從計算機的角度來看，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。沒有收到正確的輸入表明有問題。

看門狗定時器的運行方式與Lost中的計算機系統(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，但必須定期為計數(shù)器提供服務，否則微控制器會復位（又名世界末日）。正確操作的軟件和硬件將在固定的時間內(nèi)為看門狗提供服務，而有故障的軟件或硬件可能不會。

內(nèi)部看門狗定時器的類型

有兩種類型的看門狗，非窗口和窗口。如果服務計數(shù)器延遲，這兩種類型都會導致復位。

如果服務發(fā)生得太快，窗口看門狗也會導致復位。此圖顯示了使用遞增計數(shù)器的看門狗的時序。一些看門狗使用遞減計數(shù)器，但原理是一樣的。

看門狗定時器的時序

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

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

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

D - 程序不服務計數(shù)器并且計數(shù)達到上限。看門狗復位微控制器。

D 到 E - 微控制器啟動并初始化并啟用看門狗。

E - 看門狗開始計數(shù)。

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

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

看門狗的細節(jié)差異很大。他們可以向上或向下計數(shù)。他們使用不同的時鐘。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自動啟用。

如果您不使用看門狗，則必須在啟動時包含代碼以禁用它。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設(shè)置，請確保覆蓋默認設(shè)置，即使位值相同。這“鎖定”了價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)之前運行。開發(fā)環(huán)境有時會自動包含此代碼，作為運行標準 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。單個計時器通過將窗口的下限作為選項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 AKA 看門狗定時器復位

定期重置看門狗計數(shù)器稱為“服務”定時器。不同的看門狗定時器將有不同的服務要求。所有服務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寄存器，則任何時候微控制器都會立即復位。

另一個看門狗需要對值為 0xAAAA 的服務寄存器進行單次寫入。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。一個計時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雜化。如果處理器進入睡眠狀態(tài)并停止執(zhí)行，看門狗應該怎么做？看門狗時間應該靜止嗎？

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

漸進式反應

微控制器的完全復位可能過于苛刻。一些看門狗具有允許漸進式響應的功能。

例如，看門狗可能在復位之前的某個時間有一個中斷請求選項。此功能允許中斷服務程序在看門狗繼續(xù)計數(shù)時修復或記錄問題。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)置看門狗的時間限制。最簡單的策略是使用非窗口看門狗，其超時時間遠長于服務看門狗之間程序的任何可能執(zhí)行時間。我將其稱為“重置按鈕”策略，因為它取代了按下重置按鈕的人。醫(yī)療設(shè)備或制造機器人等關(guān)鍵系統(tǒng)的策略需要更快的響應。

看門狗策略可以考慮許多因素：

系統(tǒng)是否使用可預測的主循環(huán)或基于實時操作系統(tǒng)的復雜多任務結(jié)構(gòu)？

看門狗重置是否應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)啟動時測試看門狗以及其他檢查嗎？

看門狗策略是一個復雜的話題，并且非常依賴于應用程序。

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

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亮 LED。