STM32看門狗定時(shí)器的工作原理和作用 看門狗定時(shí)器的特性

看門狗定時(shí)器（WDT，Watch Dog Timer）是單片機(jī)的一個(gè)組成部分，它實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)器，一般來說都是向下計(jì)數(shù)的，給看門狗一個(gè)數(shù)字，程序開始運(yùn)行后看門狗開始倒計(jì)數(shù)。如果程序運(yùn)行正常，過一段時(shí)間CPU應(yīng)發(fā)出指令讓看門狗復(fù)位（在計(jì)數(shù)器減到0之前），重新開始倒計(jì)數(shù)。如果看門狗減到0就認(rèn)為程序沒有正常工作，強(qiáng)制整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。本節(jié)將對(duì)看門狗定時(shí)器的工作原理和作用進(jìn)行詳細(xì)講解。

看門狗的主要功能是在發(fā)生系統(tǒng)軟件故障時(shí)，將系統(tǒng)復(fù)位。也可以用于將系統(tǒng)從休眠或空閑模式喚醒。一般在嵌入式開發(fā)中，整個(gè)程序都是在次循環(huán)往復(fù)不停的工作，正常運(yùn)行期間會(huì)定時(shí)讓看門狗復(fù)位，一旦程序發(fā)生故障，停在某一處，看門狗不能及時(shí)復(fù)位，計(jì)數(shù)器減到0，就會(huì)強(qiáng)制整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，一般情況下復(fù)位操作能解決大部分問題。

用戶開發(fā)的產(chǎn)品很有可能運(yùn)用到一些非常極端苛刻的環(huán)境中，容易發(fā)生故障，但是通過復(fù)位就能解決，如果人工復(fù)位，成本相當(dāng)高，這時(shí)候看門狗的使用就非常有效了。

STM32結(jié)合安全度、計(jì)時(shí)精確度和易用性提供了IWDG和WWDG兩種看門狗，監(jiān)測(cè)軟件跑飛，或未按預(yù)想地運(yùn)行的情況觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位或產(chǎn)生中斷(中斷僅針對(duì)窗口看門狗)

獨(dú)立看門狗IWDG：專用時(shí)鐘LSI（內(nèi)部低速時(shí)鐘），低功耗模式仍可運(yùn)行，對(duì)定時(shí)的控制比較松，由于專門為其提供獨(dú)立的時(shí)鐘，因此稱為獨(dú)立看門狗。

窗口看門狗WWDG：總線時(shí)鐘APB1，對(duì)定時(shí)控制比較嚴(yán)，要求主應(yīng)用程序在規(guī)定時(shí)間窗口內(nèi)喂狗。

獨(dú)立看門狗IWDG工作原理框圖分析

獨(dú)立看門狗本質(zhì)上就是一個(gè)計(jì)數(shù)定時(shí)器，既然是定時(shí)器，就和普通定時(shí)器的工作原理差不多，仍然包含計(jì)數(shù)器，重裝載寄存器等關(guān)鍵部件。計(jì)數(shù)器遞減的速度取決于時(shí)鐘的頻率，獨(dú)立看門狗使用專用內(nèi)部低速時(shí)鐘，大小為32KHz。當(dāng)計(jì)數(shù)器減到0后會(huì)觸發(fā)一個(gè)復(fù)位異常，進(jìn)行系統(tǒng)的重啟。為了不讓計(jì)數(shù)器減到0，在程序中每過一段時(shí)間都要進(jìn)行喂狗操作，喂狗操作就是刷新遞減計(jì)數(shù)器CNT的值，就是把重裝載值再次刷進(jìn)計(jì)數(shù)器中。狀態(tài)寄存器是用來指示預(yù)分頻器和重載寄存器更新的狀態(tài)。

1.獨(dú)立看門狗的時(shí)鐘：STM32F4 的獨(dú)立看門狗由內(nèi)部專門的 32Khz 低速時(shí)鐘（LSI）驅(qū)動(dòng)，即使主時(shí)鐘發(fā)生故障，它也仍然有效。這里需要注意獨(dú)立看門狗的時(shí)鐘是一個(gè)內(nèi)部RC時(shí)鐘（RC振蕩器典型的缺陷就是比較容易受環(huán)境的影響，且精確地不高），所以并不是準(zhǔn)確的32Khz，而是在 15~47Khz 之間的一個(gè)可變化的時(shí)鐘，只是我們?cè)诠浪愕臅r(shí)候（之所以要估算時(shí)間是因?yàn)橛脩粢_保計(jì)數(shù)器減到0 之前喂狗），以 32Khz 的頻率來計(jì)算，看門狗對(duì)時(shí)間的要求不是很精確，所以，時(shí)鐘有些偏差，都是可以接受的。

2.預(yù)分頻器：分頻之后的時(shí)鐘才是真正驅(qū)動(dòng)遞減計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘。寄存器中只有低3位有效，不同的位組合表示不同的分頻系數(shù)。

3.重載寄存器：低12位有效，最大值位2的12次方。只有在關(guān)鍵字寄存器中寫入AAAAh時(shí)，重載寄存器厚葬的值才會(huì)自動(dòng)裝載到看門狗計(jì)數(shù)器中。

4.關(guān)鍵字寄存器：用來控制獨(dú)立看門狗，寫入不同的值執(zhí)行不同的命令。正常情況下PR和PLR是不可寫的，具有寫保護(hù)，需要通過寫入關(guān)鍵字寄存器值來解除寫保護(hù)。另外一旦通過關(guān)鍵字寄存器啟動(dòng)看門狗，看門狗計(jì)數(shù)，將不會(huì)再停止，除非硬件復(fù)位，默認(rèn)情況下看門狗關(guān)閉，所以正常情況下不輕易使用看門狗，否則系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生出乎意料的復(fù)位，造成損失。

5.狀態(tài)寄存器：低2位有效，更新時(shí)一定要確定相應(yīng)位為0才可以更新。

IWDG的超時(shí)時(shí)間

以預(yù)分頻器分頻系數(shù)為32為例，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為1KHz，每個(gè)脈寬的時(shí)間間隔為1ms，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為最小值1時(shí)，則最短超時(shí)時(shí)間為1ms，當(dāng)當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為最大值0xFFF時(shí)，最長超時(shí)時(shí)間為2的12次方乘以1ms為4096ms。因此用戶可根據(jù)下表設(shè)置正確的超時(shí)時(shí)間防止看門狗復(fù)位。

IWDG獨(dú)立看門狗實(shí)例

實(shí)驗(yàn)要求：開啟STM32的獨(dú)立看門狗，按鍵按下即喂狗，如果超時(shí)未喂狗，則看門狗復(fù)位系統(tǒng)，用指示燈指示系統(tǒng)復(fù)位。

步驟：

1.配置RCC

2.使能并配置IWDG

3.配置按鍵管腳為輸入模式。

4.編寫代碼

//mian.c 




#include "main.h" 
#include "stm32f4xx_hal.h" 
#include "iwdg.h" 
#include "usart.h" 
#include "gpio.h" 
int main(){    
  HAL_Init();    
  SystemClock_Config();        
  MX_GPIO_Init();    
  MX_USART1_UART_Init();    
  MX_IWDG_Init();    
  printf("this is iwdg testn");    

  HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,  GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);//默認(rèn)指示燈熄滅    
  HAL_Delay(500);    
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,  GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET);    
  //指示燈亮，如果系統(tǒng)復(fù)位，指示燈就會(huì)熄滅0.5s后再次亮起    
  while(){        
      //********************************        
      //********************************        
      //********************************        
      //正常情況下喂狗操作之前有很多用戶程序        
      //現(xiàn)在使用按鍵手動(dòng)喂狗以便觀察現(xiàn)象        
      if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET) {            
          HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);            
          //喂狗操作，將重載計(jì)數(shù)器的值再次裝填到計(jì)數(shù)器中 ，防止復(fù)位 }        
      } 
}

窗口看門狗WWDG剖析

窗口看門狗（WWDG）通常被用來監(jiān)測(cè)由外部干擾或不可預(yù)見的邏輯條件造成的應(yīng)用程序背離正常的運(yùn)行序列而產(chǎn)生的軟件故障。

遞減計(jì)數(shù)器的值在 T6 位（WWDG->CR 的第六位）變成 0 前被刷新，看門狗電路在達(dá)到預(yù)置的時(shí)間周期時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè) MCU 復(fù)位。WWDG->CR滿載時(shí)為1111111，即0x7F，滿載隨著時(shí)鐘減1，當(dāng)減到1000000，即0x40時(shí)，如果再減1變?yōu)?x3F之前計(jì)數(shù)器沒有被刷新（喂狗），則會(huì)產(chǎn)生 MCU 復(fù)位。由0x40變?yōu)?x3F第六為由1變?yōu)?，也就是第6為變?yōu)?之前計(jì)數(shù)器必須被刷新。0x40就是下窗口

在遞減計(jì)數(shù)器達(dá)到窗口配置寄存器(WWDG->CFR)數(shù)值之前，如果 7 位的遞減計(jì)數(shù)器數(shù)值(在控制寄存器中)被刷新， 那么也將產(chǎn)生一個(gè) MCU 復(fù)位。也就是計(jì)數(shù)器在減到窗口配置寄存器(WWDG->CFR)中設(shè)定的數(shù)值之前被刷新（喂狗），就會(huì)就會(huì)產(chǎn)生 MCU 復(fù)位。這個(gè)數(shù)值就是上窗口

二者分別設(shè)定了一個(gè)喂狗的時(shí)間下限和一個(gè)喂狗的時(shí)間上限，中間形成了一個(gè)喂狗的窗口，因而稱為窗口看門狗。這樣對(duì)喂狗的時(shí)間有了更加精確的定位，要求也更嚴(yán)格。

WWDG的特性

可配置的時(shí)間窗，用來檢測(cè)應(yīng)用程序非預(yù)期中的運(yùn)行流程（過早或過晚），上窗口的值可配置范圍為0x40-0x7F（64-127）

看門狗復(fù)位條件：①使能了看門狗的情況下，自減計(jì)數(shù)器值小于0x40。② 使能了看門狗的情況下，喂狗時(shí)間大于上窗口的值

計(jì)數(shù)器值=0x40時(shí)可以使能一個(gè)早期喚醒中斷（EWI），因?yàn)樵贉p下去即將產(chǎn)生復(fù)位，如果有些數(shù)據(jù)還不保存就來不及了，可以在中斷處理中做一些緊急保護(hù)的事情或者刷新看門狗計(jì)數(shù)器。

窗口看門狗WWDG工作原理框圖分析

①窗口看門狗時(shí)鐘：窗口看門狗時(shí)鐘來自 PCLK1，也就是來自APB1，是主系統(tǒng)時(shí)鐘，PCLK1 最大是 42M，由 RCC 時(shí)鐘控制器開啟。一旦主系統(tǒng)時(shí)鐘崩潰，窗口看門狗就無法工作。

②計(jì)數(shù)器時(shí)鐘：計(jì)數(shù)器時(shí)鐘由 CK計(jì)時(shí)器時(shí)鐘經(jīng)過預(yù)分頻器分頻得到，WDG分頻器仍然有一些分頻系數(shù)供用戶選擇，分頻系數(shù)由配置寄存器 CFR 的位 8:7 WDGTB[1:0]配置。

③計(jì)數(shù)器：窗口看門狗的計(jì)數(shù)器是一個(gè)遞減計(jì)數(shù)器，共有 7 位，其值存在控制寄存器CR 的位 6:0，即 T[6:0]，當(dāng) 7 個(gè)位全部為 1時(shí)是 0X7F，這個(gè)是最大值，當(dāng)遞減到 T6 位變成 0時(shí)，即從0X40 變?yōu)?0X40時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生看門狗復(fù)位。這個(gè)值 0X40 是看門狗能夠遞減到的最小值，當(dāng)遞減計(jì)數(shù)器遞減到 0X40 的時(shí)候，還不會(huì)馬上產(chǎn)生復(fù)位，如果使能了提前喚醒中斷：CFR 位 9 EWI 置 1，則產(chǎn)生提前喚醒中斷，如果真進(jìn)入了這個(gè)中斷的話，就說明程序肯定是出問題了，那么在提前喚醒中斷的處理程序中我們就需要做最重要的工作，比如保存重要數(shù)據(jù)，或者報(bào)警等，這個(gè)中斷我們也叫它死前中斷。但是這個(gè)中斷的處理時(shí)間只有0X40減到0X3F的一個(gè)CLK的時(shí)長。

④窗口值：下窗口的值是固定的0X40，上窗口的值可以改變，具體的由配置寄存器CFR 的位 6:0 W[6:0]設(shè)置。其值必須大于 0X40（十進(jìn)制為64），如果小于或者等于 0X40就是失去了窗口的價(jià)值，而且也不能大于計(jì)數(shù)器的值，所以必須得小于 0X7F（十進(jìn)制為127）。如何設(shè)置窗口值需要根據(jù)我們需要監(jiān)控的程序的運(yùn)行時(shí)間來決定。如果我們要監(jiān)控的程序段 A 運(yùn)行的時(shí)間為 Ta，當(dāng)執(zhí)行完這段程序之后就要進(jìn)行喂狗，如果在窗口時(shí)間內(nèi)沒有喂狗的話，那程序就肯定是出問題了。一般計(jì)數(shù)器的值TR設(shè)置成最大 0X7F，窗口值為 WR，計(jì)數(shù)器減一個(gè)數(shù)的時(shí)間為 T，那么時(shí)間：(TR-WR)*T 應(yīng)該稍微小于 Ta即可。

窗口看門狗WWDG實(shí)例

實(shí)驗(yàn)要求：開啟STM32的窗口看門狗，并使能喚醒中斷。主程序正常運(yùn)行時(shí)喂狗，用按鍵中斷模擬程序故障死機(jī)，此時(shí)將觸發(fā)喚醒中斷并產(chǎn)生復(fù)位，用LED燈指示喚醒中斷的觸發(fā)。

達(dá)到0X40會(huì)觸發(fā)早期喚醒中斷，但是再次減１就會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位，因此中斷處理的事件就是１個(gè)CLK的持續(xù)時(shí)間，不同的分頻系數(shù)，CLK的持續(xù)時(shí)間不同，總體來說早期喚醒中斷的時(shí)間事件相當(dāng)短，這個(gè)過程中只能做一些非常緊急的操作。

步驟：

１.配置RCC

２.配置LED燈管腳，設(shè)為輸出模式

３.配置按鍵中斷管腳，設(shè)為外部中斷模式

4.使能并配置WWDG

5.中斷配置

6.編寫代碼

//main.c 


#include "main.h" 
#include "stm32f4xx_hal.h" 
#include "usart.h" 
#include "wwdg.h" 
#include "gpio.h" 
int main(){    
    uint8_t wr, tr;    
    HAL_Init();    
    SystemClock_Config();        
    MX_GPIO_Init();    
    MX_USART1_UART_Init();    
    MX_WWDG_Init();    
    printf("this is wwdg testn");    
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOF, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);//初始時(shí)指示燈熄滅
    wr = WWDG- >CFR & 0x7f ;//獲取上窗口的值
    while(){
        tr = WWDG- >CR & 0x7f;//獲取當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值
        if(tr < wr){   //計(jì)數(shù)器的值小于上窗口的值，進(jìn)行喂狗
        //沒有復(fù)位說明大于下窗口的值，不需要判斷
            HAL_WWDG_Refresh(&hwwdg);  //刷新計(jì)數(shù)器的值，喂狗
        }    
    }
}

//gpio.c 


//重寫按鍵中斷（外部中斷）的中斷處理回調(diào)函數(shù) 
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {    
    if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) {         
        printf("程序故障n"); 
        while(1); //死循環(huán)，模擬故障死機(jī)    
     } 
}

//wwdg.c 


//重寫提前喚醒中斷的中斷處理回調(diào)函數(shù) 
void HAL_WWDG_EarlyWakeupCallback(WWDG_HandleTypeDef* hwwdg) {     
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOF, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET); //LED亮     
    printf("EarlyWakeup INTn");    
    //提前喚醒中斷處理的時(shí)間非常有限，串口信息很有可能打印不完整 
}