使用高速微型看門狗定時(shí)器

在惡劣環(huán)境中使用的高速微控制器應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員將使用看門狗定時(shí)器來(lái)防止軟件失控。DS80C320高速微控制器集成了看門狗定時(shí)器，無(wú)需外部系統(tǒng)控制監(jiān)控器。本應(yīng)用筆記概述了DS80C320看門狗定時(shí)器的使用。軟件示例說(shuō)明了看門狗定時(shí)器作為系統(tǒng)監(jiān)控器的使用，利用適當(dāng)?shù)膹?fù)位間隔和長(zhǎng)間隔定時(shí)器。

介紹

如今，微控制器被用于電噪聲和電磁干擾（EMI）豐富的惡劣環(huán)境中。在這樣的環(huán)境中，如果系統(tǒng)包含有助于確保正常運(yùn)行的資源，則非常有益。在許多系統(tǒng)中，驗(yàn)證正確操作的常用技術(shù)是集成看門狗定時(shí)器。

看門狗定時(shí)器基本上是一種時(shí)間測(cè)量設(shè)備，它與微處理器結(jié)合使用或作為微處理器的一部分，能夠使微處理器復(fù)位。在設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)中，當(dāng)微處理器未正常工作時(shí)，看門狗將導(dǎo)致復(fù)位，從而消除故障情況。在典型應(yīng)用中，看門狗定時(shí)器配置為在預(yù)定時(shí)間間隔后復(fù)位處理器。如果處理器運(yùn)行正常，它將在間隔結(jié)束前重新啟動(dòng)監(jiān)視器。重新啟動(dòng)后，看門狗將開(kāi)始計(jì)時(shí)另一個(gè)預(yù)定間隔。如果處理器在間隔結(jié)束之前未重新啟動(dòng)監(jiān)視器，則會(huì)發(fā)生監(jiān)視器超時(shí)。這會(huì)導(dǎo)致處理器被重置。如果系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)正確，并且沒(méi)有硬件故障，則重置將導(dǎo)致系統(tǒng)再次正常運(yùn)行。當(dāng)然，復(fù)位條件必須是安全狀態(tài)。例如，讓磁盤驅(qū)動(dòng)器控制器的重置狀態(tài)啟用寫入磁頭是不明智的。

許多系統(tǒng)都是使用外部看門狗定時(shí)器設(shè)計(jì)的。然而，DS80C320無(wú)需額外的外部元件。DS80C320內(nèi)置非常強(qiáng)大的內(nèi)部看門狗定時(shí)器。該看門狗定時(shí)器的特性和使用是本應(yīng)用筆記的主題。

看門狗定時(shí)器的一般用途

看門狗定時(shí)器的主要應(yīng)用是作為系統(tǒng)監(jiān)視器（詳見(jiàn)下一節(jié)）。使用看門狗定時(shí)器，系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成非常擅長(zhǎng)檢測(cè)和糾正失控的微處理器。使用看門狗定時(shí)器的系統(tǒng)特別適合檢測(cè)位錯(cuò)誤。瞬時(shí)位錯(cuò)誤可能是由軟內(nèi)存故障和電磁放電到存儲(chǔ)設(shè)備及其接口等原因引起的。這些可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)臨時(shí)位極性翻轉(zhuǎn)進(jìn)出處理器。當(dāng)在獲取程序信息時(shí)發(fā)生這種情況時(shí)，微處理器將開(kāi)始執(zhí)行錯(cuò)誤的代碼。潛在地，處理器可以開(kāi)始執(zhí)行操作數(shù)而不是操作碼。當(dāng)處理器開(kāi)始執(zhí)行此錯(cuò)誤代碼時(shí)，它將無(wú)法正確執(zhí)行重新啟動(dòng)看門狗的代碼。超時(shí)間隔后，看門狗將導(dǎo)致處理器重置。在正確設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，復(fù)位將糾正錯(cuò)誤。

無(wú)論看門狗定時(shí)器的功能如何，它都無(wú)法解決所有的可靠性問(wèn)題。有些故障無(wú)法通過(guò)重置來(lái)糾正。例如，看門狗定時(shí)器無(wú)法防止數(shù)據(jù)損壞。在其基本形式中，看門狗重新啟動(dòng)取決于正確的程序執(zhí)行，并且通常不依賴于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的值。除非數(shù)據(jù)損壞影響程序流或采取一些額外措施，否則數(shù)據(jù)損壞不會(huì)導(dǎo)致監(jiān)視器超時(shí)。當(dāng)然，自診斷軟件可以編寫成這樣一種方式，即重新啟動(dòng)看門狗取決于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的驗(yàn)證。雖然這種方法可能非常有效并且很常見(jiàn)，但詳細(xì)討論超出了本文檔的范圍。

另請(qǐng)注意，看門狗定時(shí)器無(wú)法立即檢測(cè)到故障。根據(jù)定義，看門狗定時(shí)器必須達(dá)到預(yù)定時(shí)間間隔的終點(diǎn)，然后才能重置處理器。這一事實(shí)解釋了為什么應(yīng)該選擇可能的最小超時(shí)間隔。這樣，在糾正失控條件之前，將有最短時(shí)間到期。

作為系統(tǒng)主管的看門狗

高速微型看門狗定時(shí)器最常見(jiàn)的用途是作為系統(tǒng)監(jiān)控器。雖然它可以以多種不同的方式使用（其中一些將在本文檔中討論），但系統(tǒng)管理程序是最常見(jiàn)的應(yīng)用程序。在系統(tǒng)管理引擎模式下，如上所述，處理器會(huì)定期重新啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。如果處理器失控，看門狗將不會(huì)重新啟動(dòng);它將超時(shí)，隨后將導(dǎo)致處理器重置。

在高速微型中，看門狗定時(shí)器由提供給一系列分頻器的主系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。分頻器輸出是可選的，并確定超時(shí)之間的間隔。當(dāng)達(dá)到超時(shí)時(shí)，將設(shè)置中斷標(biāo)志，如果啟用，將在 512 個(gè)時(shí)鐘后發(fā)生復(fù)位。如果設(shè)置了中斷的單個(gè)使能位并設(shè)置了全局中斷使能，則中斷標(biāo)志將導(dǎo)致發(fā)生中斷。復(fù)位和中斷是完全離散的功能，可以確認(rèn)或 忽略，一起或單獨(dú)用于各種應(yīng)用程序。

將看門狗定時(shí)器用作系統(tǒng)監(jiān)視器時(shí)，應(yīng)使用看門狗的復(fù)位功能。如果使用中斷功能，則看門狗的目的將落空。為了解釋，假設(shè)系統(tǒng)在看門狗中斷之前執(zhí)行錯(cuò)誤的代碼。中斷將通過(guò)向量將 CPU 矢量化到中斷服務(wù)例程來(lái)暫時(shí)強(qiáng)制系統(tǒng)重新控制。重新啟動(dòng)看門狗并通過(guò) RETI 或 RET 退出會(huì)使處理器返回到中斷前丟失的位置。通過(guò)使用看門狗復(fù)位功能，處理器從程序的開(kāi)頭重新啟動(dòng)，從而進(jìn)入已知狀態(tài)。

這并不是說(shuō)DS80C320看門狗的中斷功能對(duì)系統(tǒng)監(jiān)視應(yīng)用沒(méi)有用處。由于復(fù)位發(fā)生在中斷后512個(gè)時(shí)鐘，因此可以使用短中斷服務(wù)例程在復(fù)位發(fā)生之前存儲(chǔ)關(guān)鍵變量。這可能允許系統(tǒng)在與故障前條件更相似的狀態(tài)下恢復(fù)正常運(yùn)行。當(dāng)然，如果數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的根源，則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而不進(jìn)行更正將沒(méi)有任何好處。對(duì)于任何特定系統(tǒng)，所采用的方法取決于系統(tǒng)和所需的可靠性水平。

如上所述，DS80C320中的看門狗定時(shí)器由通過(guò)一系列分頻器的主系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。分頻器輸出可由用戶選擇，允許超時(shí)為 217, 220, 223或 226時(shí)鐘。如果啟用，處理器的重置將在 512 個(gè)時(shí)鐘之后發(fā)生。表1顯示了與不同晶體頻率相關(guān)的復(fù)位時(shí)間間隔。

可以看出，有一系列可用的超時(shí)間隔。選擇的間隔應(yīng)基于幾個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)目標(biāo)是選擇一個(gè)間隔，該間隔表示允許處理器失控的最長(zhǎng)時(shí)間。例如，理想情況下，每 500 毫秒向機(jī)械臂發(fā)出位置命令的系統(tǒng)不會(huì)使用大于此間隔的超時(shí)間隔?？s短超時(shí)間隔可確保最多向手臂發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤命令。

設(shè)置監(jiān)視器超時(shí)間隔的另一個(gè)主要問(wèn)題是能夠在系統(tǒng)軟件中找到重新啟動(dòng)命令。這可能是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，具體取決于系統(tǒng)軟件的性質(zhì)。最理想的方法是在重新啟動(dòng)看門狗定時(shí)器的系統(tǒng)軟件的單個(gè)主循環(huán)中有一個(gè)位置。通過(guò)主程序循環(huán)所需的時(shí)間將決定所需的超時(shí)間隔。

上述方法假定系統(tǒng)軟件流是線性的，足以允許它。有些程序過(guò)于復(fù)雜，它們的流程過(guò)于非線性，無(wú)法允許這種方法。使用這樣的程序結(jié)構(gòu)，很難找到看門狗重新啟動(dòng)的正確點(diǎn)。這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)可能解決方案是使用DS80C320的看門狗定時(shí)器本身來(lái)幫助確定適當(dāng)?shù)闹貑⑽恢谩４朔椒ㄊ褂每撮T狗的中斷功能，將在下面的部分中詳細(xì)介紹。

在某些系統(tǒng)中，軟件太復(fù)雜或程序流程變化太大，無(wú)法進(jìn)行完整徹底的分析?？赡軣o(wú)法確定監(jiān)視器重新啟動(dòng)是否覆蓋了所有程序路徑。在這種情況下，可以使用不同的方法。在這種情況下，可以開(kāi)發(fā)診斷軟件來(lái)測(cè)試系統(tǒng)。該診斷軟件將定期調(diào)用，可能使用看門狗定時(shí)器的中斷功能。如果診斷通過(guò)，則重新啟動(dòng)監(jiān)視器。否則，監(jiān)視器超時(shí)并重置處理器。當(dāng)然，在這種情況下，測(cè)試必須足夠徹底才能有效。給定系統(tǒng)中使用的確切方法可以是上述任何一種，也可以是每種方法的某種組合，視應(yīng)用而定。

看門狗復(fù)位示例

下面顯示了一個(gè)簡(jiǎn)短的程序，說(shuō)明了大多數(shù)基本的看門狗定時(shí)器功能。該程序說(shuō)明了如何初始化看門狗定時(shí)器，以便在超時(shí)時(shí)導(dǎo)致重置。

該程序說(shuō)明了DS80C320看門狗定時(shí)器的獨(dú)特功能之一。更改看門狗操作的軟件必須執(zhí)行定時(shí)訪問(wèn)操作。定時(shí)訪問(wèn)操作是必須按順序一起執(zhí)行的一系列步驟;否則，訪問(wèn)將失敗。示例程序顯示了用于重新啟動(dòng)監(jiān)視器并啟用其重置的定時(shí)訪問(wèn)。可以看出，值 0AAh 首先寫入定時(shí)訪問(wèn)寄存器 （TA）。接下來(lái)，將值 055h 寫入 TA 寄存器。最后，修改受保護(hù)位。這些指令必須按照所示的順序執(zhí)行，不得中斷才能訪問(wèn)受保護(hù)位。有關(guān)定時(shí)訪問(wèn)操作的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱高速微型用戶指南。受定時(shí)訪問(wèn)過(guò)程保護(hù)的監(jiān)視器計(jì)時(shí)器位是啟用監(jiān)視器計(jì)時(shí)器重置 （EWT = WDCON.1） 位、監(jiān)視器中斷標(biāo)志 （WDIF = WDCON.3） 位和重新啟動(dòng)監(jiān)視器計(jì)時(shí)器 （RWT = WDCON.0） 位。

; * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ; WD_RST.ASM Program ; ; This program demonstrates the use of the watchdog timer in ; the DS80C320. It uses the timer's reset capability. When ; running, the program sets port 1's pins low to indicate ; the processor is idle waiting for the watchdog to timeout. When ; the watchdog times out, the processor is reset causing the port ; pins to return high. A delay is written into the program so that ; the port pins will be high long enough to be seen if attached to ; LEDs. ; ; * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ; ; Reset Vector ; ORG 00h SJMP START ; ; * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ; ; Main program body ; ORG 080h ; START: ORL CKCON, #080h ; Set Watchdog timeout period 2**23 ; (approximately 758 mS @ 11.059 MHz) ; ; In a real application, the next three lines would be placed ; at various locations in the program to restart the watchdog ; before it times out. ; MOV TA, #0AAh ; Restart Watchdog timer MOV TA, #055h ; using timed SETB RWT ; access. ; ; MOV TA, #0AAh ; Enable Watchdog timer reset MOV TA, #055h ; using timed SETB EWT ; access. ; ; MOV R1, #0FFh ; Create a delay loop so the port LOOP: MOV R2, #0FFh ; pins are high long enough after DJNZ R2, $ ; a reset to be seen. DJNZ R1, LOOP ; MOV P1, #00 ; P1 = 0, Reset causes P1 = 1 ; MOV PCON, #01h ; Go to idle mode waiting for reset SJMP $ ; ; ; * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ; END

看門狗定時(shí)器作為長(zhǎng)間隔定時(shí)器

高速微型看門狗定時(shí)器的一個(gè)略有不同的應(yīng)用是作為長(zhǎng)間隔定時(shí)器。在此應(yīng)用中，使用啟用看門狗定時(shí)器中斷 （EWDI=EIE.4） 位使能中斷，復(fù)位保持禁用狀態(tài)。發(fā)生超時(shí)時(shí)，監(jiān)視器計(jì)時(shí)器將設(shè)置 WDIF 位 （WDCON.3），如果設(shè)置了全局中斷啟用位 （EA=IE.7），則會(huì)發(fā)生中斷?？撮T狗中斷標(biāo)志將指示中斷的來(lái)源，必須由軟件清除。如上表所示，5 MHz晶體的間隔從26.2 ms到68.25秒不等。此間隔明顯長(zhǎng)于使用標(biāo)準(zhǔn) 16 位定時(shí)器的任何間隔。

另一個(gè)說(shuō)明看門狗定時(shí)器功能的簡(jiǎn)短程序如下所示。該程序演示了必須如何初始化看門狗計(jì)時(shí)器和中斷，以便超時(shí)導(dǎo)致 中斷。包括一個(gè)簡(jiǎn)短的中斷服務(wù)例程。

; * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ; ; ;WD_INT.ASM Program ; ; This program demonstrates the use of the watchdog timer of ; the 80C320. It uses the timer's interrupt generating capability. ; For purposes of demonstration, the program toggles Port 1's pins ; each time the watchdog's Interrupt Service Routine is entered. ; ; $MODS320 ; ; * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ; ; Reset Vector ; ORG 00h SJMP START ; ; * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ; ; Watchdog Interrupt Vector ; ORG 063h ; MOV TA, #0AAh ; Restart watchdog timer MOV TA, #055h ; using timed SETB RWT ; access. ; MOV TA, #0AAh ; Clear watchdog interrupt flag MOV TA, #055h ; using timed CLR WDIF ; access. ; CPL A ; Complement port 1 to show the MOV P1, A ; interrupt routine was entered. ; RETI ; Return from interrupt. ; ; ; * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ; ; Main program body ; ORG 080h ; START: ORL CKCON, #040h ; Set Watchdog timeout period 2**20 ; (approximately 94.8 mS @ 11.059 MHz) ; MOV TA, #0AAh ; Restart Watchdog timer MOV TA, #055h ; using timed SETB RWT ; access. ; SETB EWDI ; Enable Watchdog Interrupt and SETB EA ; set global interrupt enable ; Here: MOV PCON, #01 ; Go to Idle mode and wait SJMP Here ; After interrupt, go back to idle ; ; ; * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ; END

看門狗定時(shí)器作為定位重啟指令的輔助手段

如上所述，在系統(tǒng)軟件中找到看門狗重新啟動(dòng)指令有時(shí)可能很困難。系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)及其流程的復(fù)雜性決定了任務(wù)的難度級(jí)別。在DS80C320中，看門狗定時(shí)器本身可用于輔助此活動(dòng)。對(duì)此的一般方法是允許監(jiān)視器引起中斷，并從服務(wù)例程中確定中斷在代碼中發(fā)生的位置。通過(guò)將監(jiān)視器重新啟動(dòng)說(shuō)明放在此點(diǎn)之前，可以確保監(jiān)視器將在超時(shí)之前重新啟動(dòng)（當(dāng)軟件流遵循此特定分支時(shí)）。重復(fù)此過(guò)程，直到不再發(fā)生監(jiān)視器中斷。如果程序流是線性的并且不依賴于數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)將按預(yù)期運(yùn)行。

前面的軟件示例提供了執(zhí)行此功能所需的大多數(shù)軟件。但是，作為第一步，應(yīng)確定所需的最大超時(shí)間隔，并為此值修改代碼。與往常一樣，選擇的超時(shí)是系統(tǒng)以及允許微失控多長(zhǎng)時(shí)間的函數(shù)。修改軟件以初始化所需的看門狗超時(shí)間隔后，應(yīng)將以下指令添加到中斷服務(wù)例程中。它們將使處理器顯示如果未發(fā)生中斷將執(zhí)行的指令的地址。如果這種顯示機(jī)制不方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，可以將地址轉(zhuǎn)換為ASCII并在其中一個(gè)串行端口上輸出。

MOV R0, SP ; Get SP contents MOV P3, @R0 ; Display high address byte DEC R0 ; Point to low address byte MOV P1, @R0 ; Display low address byte SJMP $ ; Stop here

上述說(shuō)明將堆棧指針的內(nèi)容移動(dòng)到 R0，然后用于指向確認(rèn)中斷時(shí)推送到堆棧的數(shù)據(jù)。此地址反映在中斷未發(fā)生的情況下將執(zhí)行的下一條指令。地址的高字節(jié)顯示在端口 3 引腳上，地址的低字節(jié)顯示在端口 1 引腳上。如果重新啟動(dòng)看門狗計(jì)時(shí)器的指令放在此地址之前，則看門狗將永遠(yuǎn)不會(huì)超時(shí)。

總結(jié)

在使用看門狗作為監(jiān)視器設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，有效的設(shè)計(jì)必須考慮許多因素。首先，處理器可能失控的最長(zhǎng)時(shí)間將決定最大看門狗超時(shí)期限。確定超時(shí)期限后，必須分析系統(tǒng)軟件以確定看門狗重新啟動(dòng)指令的位置。為了進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，應(yīng)將監(jiān)視程序重新啟動(dòng)的次數(shù)保持在最低限度，并應(yīng)考慮錯(cuò)誤執(zhí)行重新啟動(dòng)的可能性。如前所述，某些系統(tǒng)軟件過(guò)于復(fù)雜或依賴于數(shù)據(jù)，無(wú)法確保看門狗重新啟動(dòng)涵蓋所有軟件流路徑。這可能要求可能需要自診斷軟件方法。如果存在預(yù)期的故障機(jī)制，例如周期性EMI突發(fā)或電源毛刺，則看門狗超時(shí)應(yīng)考慮此時(shí)間段。

要使看門狗復(fù)位成為有效的糾錯(cuò)機(jī)制，處理器的復(fù)位狀態(tài)必須是安全的。在某些應(yīng)用中，看門狗的中斷功能可用于在復(fù)位之前操作數(shù)據(jù)或堆棧，以確保處理器在復(fù)位后正常運(yùn)行。

通過(guò)仔細(xì)考慮上述方面，可以使用在非常惡劣的環(huán)境中運(yùn)行的看門狗定時(shí)器設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷