單片機(jī)中的看門狗研究

軟件的可靠性一直是一個(gè)關(guān)鍵問題。任何使用軟件的人都可能會(huì)經(jīng)歷計(jì)算機(jī)死機(jī)或程序跑飛的問題，這種情況在嵌入式系統(tǒng)中也同樣存在。由于單片機(jī)的抗干擾能力有限，在工業(yè)現(xiàn)場的儀器儀表中，常會(huì)由于電壓不穩(wěn)、電弧干擾等造成死機(jī)。在水表、電表等無人看守的情況下，也會(huì)因系統(tǒng)遭受干擾而無法重啟。為了保證系統(tǒng)在干擾后能自動(dòng)恢復(fù)正常，看門狗定時(shí)器(Watchdog Timer)的利用是很有價(jià)值的。

1 看門狗的作用

看門狗定時(shí)器是一個(gè)計(jì)數(shù)器，基本功能是在發(fā)生軟件問題和程序跑飛后使系統(tǒng)重新啟動(dòng)?？撮T狗計(jì)數(shù)器正常工作時(shí)自動(dòng)計(jì)數(shù)，程序流程定期將其復(fù)位清零，如果系統(tǒng)在某處卡死或跑飛，該定時(shí)器將溢出，并將進(jìn)入中斷。在定時(shí)器中斷中執(zhí)行一些復(fù)位操作，使系統(tǒng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，即在程序沒有正常運(yùn)行期間，如期復(fù)位看門狗以保證所選擇的定時(shí)溢出歸零，使處理器重新啟動(dòng)。

2 看門狗問題及相關(guān)實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)今市面上流行的一些單片機(jī)，多嵌有內(nèi)部WDT，如TI的MSP430系列，Philips的P87XXX和P89XXX系列，Microchip的PIC列，Atmel的AT89SXX系列和Holtek公司的Htxxx系列。但是這些內(nèi)部看門狗在工作時(shí)，多存在一定的誤差。一些工程師在設(shè)計(jì)的過程中，由于忽略了這一點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)異常。MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器公司(TI)近幾年開發(fā)的新一代單片機(jī)，該系列是一款16位、具有精簡指令集、超低功耗的全新概念混合型單片機(jī)。在眾多單片機(jī)系列中，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為一顆耀眼的新星。其內(nèi)部自帶看門狗及復(fù)位電路，理論上如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。但在實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)看門狗的作用并非萬無一失，以下實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。






上述實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后，如果程序正常運(yùn)行，LED會(huì)閃爍。缺省時(shí)，MSP430的看門狗是允許狀態(tài)，所運(yùn)行的程序會(huì)不斷地訪問看門狗。理論上，這個(gè)系統(tǒng)是不會(huì)發(fā)生啟動(dòng)失敗的，因?yàn)榧词箚?dòng)失敗，看門狗也應(yīng)該在數(shù)百毫秒內(nèi)啟動(dòng)，復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)?；谶@種思想，對單片機(jī)的復(fù)位進(jìn)行測試。K2斷開，用K1連續(xù)產(chǎn)生。Reset信號(hào)，測試看門狗使系統(tǒng)重啟的成功率。K2閉合，則reset端高電平，理論上K1不能有效產(chǎn)生復(fù)位脈沖，觀察看門狗是否起作用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：K2斷開，連續(xù)開關(guān)K1，上電重啟系統(tǒng)，平均155次失敗1次(LED不閃)，即看門狗失效概率0．6%；K2閉合，連續(xù)開關(guān)K1，平均18次失敗1次(LED不閃)，且一旦失敗，將連續(xù)失敗下去，看門狗無效率占到了約5．5%。另外，當(dāng)采用同樣具有內(nèi)置看門狗的其他系列單片機(jī)替代實(shí)驗(yàn)中的MSP430，啟動(dòng)程序段作相應(yīng)修改時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍大致相同，這說明具有內(nèi)置看門狗的單片機(jī)面臨的問題是相同的。經(jīng)分析可能有如下原因：

①由于看門狗的時(shí)鐘不獨(dú)立，計(jì)數(shù)時(shí)鐘與系統(tǒng)為同一分頻鏈路，因此看門狗不能在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)有效運(yùn)作。

②由于時(shí)鐘可用軟件設(shè)置，啟動(dòng)失敗時(shí)，開機(jī)時(shí)鐘可能處于空檔，沒有時(shí)鐘看門狗不能生效。

③有些看門狗需要用軟件設(shè)置或啟動(dòng)，因此啟動(dòng)失敗后,初始化程序沒有激活，CPU可能跳轉(zhuǎn)到隨機(jī)代碼，使看門狗被禁止。這樣的看門狗是需要有可靠的上電復(fù)位作保證的，因此，從理論上講，原設(shè)計(jì)存在著不合理性?；谏鲜龇治觯捎闷饪撮T狗專用芯片TPS3823由獨(dú)立的分頻振蕩電路提供計(jì)數(shù)脈沖。實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。




上述電路中，TPS3823輸出定時(shí)溢出信號(hào)給Reset端。程序段中，CPU要不斷地通過I／O口輸出喂狗信號(hào)，使看門狗計(jì)數(shù)器清零。在此電路中重復(fù)上述試驗(yàn)中K1、K2的相同動(dòng)作，系統(tǒng)重啟成功率達(dá)到100%。

結(jié) 語

未來的內(nèi)置看門狗必須有獨(dú)立可靠的時(shí)鐘。系統(tǒng)上電后，看門狗即為允許狀態(tài)，無需軟件設(shè)置，它只能被外部硬件跳線或內(nèi)部熔絲(fuse)所禁止。目前，如果要求設(shè)計(jì)可靠性較高的嵌入式系統(tǒng)，外置看門狗是必須考慮的。內(nèi)置看門狗的另一問題是系統(tǒng)復(fù)位后，程序應(yīng)判斷是由Reset端正常上電復(fù)位，還是程序跑飛看門狗所致，由此確定現(xiàn)場數(shù)據(jù)是否應(yīng)該保留。這也是在看門狗應(yīng)用中所應(yīng)考慮的。