什么是看門狗定時器？為何看門狗定時器如此重要？

就像一只住在名媛手提包中叫不停的小狗，看門狗定時器(watchdog timer)也時常被認為是不必要的多此一舉。然而，若將兩者一視同仁，是對看門狗的極大侮辱。不同于「手提包小狗」，看門狗具有關(guān)鍵的監(jiān)控功能，能夠幫助您監(jiān)控系統(tǒng)里外的故障情形，并在故障發(fā)生時采取行動。

什么是看門狗定時器？

簡單來說，看門狗定時器是一種若在特定時間范圍內(nèi)未從處理器接收到周期性脈沖訊號，就會發(fā)出重設(shè)輸出訊號的裝置。其中一種應(yīng)用這種裝置的方法，是透過來自處理器的數(shù)字訊號輸出(GPIO)回饋給外部看門狗定時器的看門狗輸入(WDI)，如圖1所示。TPS3851便是具有整合看門狗定時器的監(jiān)控器，能夠監(jiān)控微控制器的電源軌，并透過外部方式監(jiān)控從微控制器(MCU)發(fā)出的數(shù)字脈沖。

圖1 TPS3851所提供的看門狗監(jiān)控。

處理器周期性地向看門狗定時器發(fā)送一個脈沖，以表示系統(tǒng)軟件的正常運作。若看門狗定時器在規(guī)定的時間范圍(稱為看門狗超時)內(nèi)未接收到此脈沖，看門狗定時器將發(fā)出重設(shè)輸出訊號。該重設(shè)輸出訊號可以用于通知系統(tǒng)處理器出現(xiàn)了停機或凍結(jié)的情況，或重設(shè)處理器本身。圖2所示為在看門狗超時期間內(nèi)接收的脈沖，以及在超過看門狗超時之后所接收的脈沖。

圖2 標準看門狗定時器的運作。

為何看門狗定時器如此重要？

看門狗定時器提供一種警報系統(tǒng)的機制，或重設(shè)一個軟件歷經(jīng)凍結(jié)或停機的處理器。盡管沒有人會刻意設(shè)計會凍結(jié)的軟件，但優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計人員還是會為故障做準備——因為未雨綢繆總是好的。若缺少這種監(jiān)控，處理器可能會無限期地凍結(jié)，并導(dǎo)致更多的系統(tǒng)故障。像是TPS3851具有可調(diào)整超時間間隔的外部看門狗定時器，能夠在幾毫秒內(nèi)辨識這些軟件凍結(jié)，并適當?shù)刂卦O(shè)系統(tǒng)或處理器。因為要手動重設(shè)這些系統(tǒng)是不實際、甚至幾乎是不可能的，因此這項功能在嵌入式或遠程系統(tǒng)中更有其必要性。

如何在嵌入式系統(tǒng)運用看門狗定時器？

有兩種主要的方式能夠來實作看門狗定時器：

---使用具有整合看門狗功能的處理器。許多微控制器如MSP430F5529系列具有整合看門狗的功能。它的價值在于非常容易實作，且不需要使用其他IC。然而，有一個重要的告誡：由于程序代碼問題而導(dǎo)致的MCU故障可能無意中使看門狗定時器喪失功用，因此整合看門狗可能不會總是按預(yù)期的方式運作。同樣地，雖然軟件以內(nèi)部看門狗能夠偵測所有凍結(jié)或停機的方式編寫，但是，采取額外的步驟以冗余方式監(jiān)控看門狗輸入可以幫助解決程序代碼中不可預(yù)見的錯誤。

---使用具有看門狗定時器的電壓監(jiān)控器。像是TPS3851或TPS3110具有看門狗定時器功能的監(jiān)控器能夠以外部冗余方式監(jiān)控電源電壓和看門狗訊號。若處理器的內(nèi)部看門狗未能偵測到錯誤或缺失的脈沖，外部看門狗定時器將能發(fā)揮其他方式無法達到的偵測層級。

原則上，看門狗定時器的功能不會過于復(fù)雜；然而，其在維持系統(tǒng)可靠性的重要性也不容小覷，尤其是在系統(tǒng)發(fā)生錯誤、但是人為的系統(tǒng)重設(shè)是困難甚至是不能實現(xiàn)的情況下。

探索看門狗定時器的應(yīng)用

接下來，本文將說明為什么應(yīng)該在應(yīng)用中使用看門狗定時器、窗口式看門狗定時器如何運作，以及看門狗定時器的一些特性，如何讓它們成為許多不同應(yīng)用的絕佳附加功能。

為什么要應(yīng)用中使用看門狗定時器？

看門狗定時器在許多應(yīng)用中都占有一席之地，如無人機、電網(wǎng)計量、馬達控制…等。對于這些不同的應(yīng)用，看門狗定時器提供相同的基本功能：透過對處理器的監(jiān)控偵測出錯誤運作并發(fā)出相應(yīng)的訊號。

然而，監(jiān)控的使用可能依據(jù)應(yīng)用類型而有所不同。例如，期望有人能夠在距離地表幾百英呎的無人機中手動重設(shè)其處理器是不切實際的。在智慧儀表中，同樣的問題可能導(dǎo)致裝置無法讀取或記錄信息，位于遠程位置的儀表和傳感器也會遇到軟件故障的狀況，導(dǎo)致系統(tǒng)無法讀取和記錄信息，并且也沒有人能夠手動重設(shè)的情形?？刂岂R達和其他機械零組件的系統(tǒng)中的程序代碼故障尤其令人緊張，因為這些系統(tǒng)的故障可能對正在操作和在附近的人員造成身體上的傷害。好在使用看門狗定時器可以增加冗余來攔截這些錯誤，有助于防止這些問題的發(fā)生。

窗口式看門狗定時器如何運作？

圖3所示的窗口式看門狗定時器是一種特殊的看門狗定時器，其不僅監(jiān)控在看門狗超時結(jié)束(即看門狗上部邊界)前處理器所發(fā)送的訊號是否失敗，它還能監(jiān)控處理器是否在看門狗超時窗口開始前發(fā)送看門狗輸入端(WDI)訊號(即看門狗下部邊界)。此功能如圖4所示。

圖3 監(jiān)控微控制器的窗口式看門狗定時器。

圖4 窗口式看門狗功能。

不同于只檢查脈沖是否在超時結(jié)束前抵達的標準看門狗定時器。監(jiān)控早期WDI訊號能夠偵測并制止不理想的超頻，是相當有用的功能。

看門狗定時器的附加功能有哪些？

窗口式看門狗定時器只是看門狗定時器眾多功能中的一種附加功能。幾個其他附加功能能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)健性和功能性：

---可調(diào)整式看門狗超時：不同的系統(tǒng)和應(yīng)用對于其WDI訊號需要不同的超時周期。外部電容和SET接腳可以用在看門狗超時中幾毫秒到1分鐘不等的調(diào)整。

---看門狗定時器的關(guān)閉功能：有些看門狗定時器能夠透過接腳在裝置上的使用而被關(guān)閉。這在系統(tǒng)初始化和除錯的過程中，不想重設(shè)處理器時非常實用。