看门狗！守护系统稳定性的关键技术~

SMT技术分享 · 发表于 2024-6-24 08:02:00

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看门狗定时器（Watchdog Timer，WDT）是嵌入式系统中至关重要的组件，用于监控和维护系统的稳定性。主要是用来监测单片机运行状态和解决程序引起的故障的模块。在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称“看门狗”（watchdog）。根据功能不同，通常分为独立看门狗和窗口看门狗。因为独立看门狗受工作场合因素的影响会多一点，仅适用于一些对时间精度要求较低的场合；窗口看门狗适用于对时间精度高的场合。

一、独立看门狗

独立看门狗本质上是一个定时器，这个定时器有一个输出端，可以输出复位信号。该定时器是一个 12 位的递减计数器，当计数器的值减到 0 的时候，就会产生一个复位信号。如果在计数没减到 0 之前，重置计数器的值的话，那么就不会产生复位信号，这个动作我们称为喂狗。看门狗功能由 VDD 电压域供电，在停止模式和待机模式下仍然可以工作。

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从 IWDG 框图整体认知可得以下结论：

时钟源：IWDG 的时钟源通常来自一个低速内部振荡器（LSI），独立于主系统时钟，确保在主系统时钟故障时仍能正常运行。

分频器：IWDG 使用分频器来调整计时器的频率。通过配置分频器，可以改变 IWDG 的计时周期，从而灵活控制超时时间。

计数器：计数器是 IWDG 的核心部分，它会根据配置的分频值进行递减计数。系统需要定期重置计数器（即“喂狗”），以防止计数器达到零触发复位。

复位控制逻辑：当计数器达到零时，复位控制逻辑会生成一个复位信号，触发系统复位。

控制寄存器：IWDG 包含一组控制寄存器，用于配置分频值、计数器初始值以及控制 IWDG 的启停状态。

看门狗启动逻辑：该逻辑用于启用和禁用 IWDG。在一些系统中，IWDG 的启动逻辑可能是一次性的，即一旦启动便无法关闭，以增强系统的安全性。IWDG 的工作流程可以概括为以下几个步骤：

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时钟源供电：IWDG 通过低速内部振荡器（LSI）提供的时钟信号进行计时，确保即使主系统时钟发生故障，IWDG 仍然可以正常运行。

配置分频器：通过设置控制寄存器中的分频器值，调整 IWDG 的计时频率和超时时间。常见的分频值范围从 4 到 256 倍，以适应不同的应用需求。

初始化计数器：将计数器初始化为一个预设值，开始计时。计数器会根据配置的分频值逐渐递减。

系统定期“喂狗”：在系统正常运行过程中，主程序或定时任务需要定期重置计数器，以防止计数器达到零。如果计数器未在设定时间内重置，IWDG 将认为系统出现了故障。

触发复位：当计数器递减至零时，复位控制逻辑生成复位信号，触发系统复位。系统复位后，重新初始化 IWDG，并进入正常工作状态。

二、窗口看门狗

窗口看门狗（Window Watchdog，WWDG）是一种高级看门狗定时器，主要用于检测系统在指定时间窗口内的运行情况。相比于传统的看门狗定时器，窗口看门狗通过限制系统“喂狗”的时间窗口，能够更精准地监控系统的运行状态，避免系统过早或过晚重置看门狗。本文将通过框图介绍窗口看门狗的整体结构和功能。

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对于一般的看门狗,程序可以在它产生复位前的任意时刻刷新看门狗，但这有一个隐患,有可能程序跑乱了又跑回到正常的地方,或跑乱的程序正好执行了刷新看门狗操作,这样的情况下一般的看门狗就检测不出来了，如果使用窗口看门狗，程序员可以根据程序正常执行的时间设置刷新看门狗的一个时间窗口,保证不会提前刷新看门狗也不会滞后刷新看门狗，这样可以检测出程序没有按照正常的路径运行非正常地跳过了某些程序段的情况。

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窗口看门狗中有一个7位的递减计数器T[6:0]，它会在出现下述2种情况之一时产生看门狗复位：

当喂狗的时候如果计数器的值大于某一设定数值W[6:0]时，此设定数值在WWDG——CFR寄存器定义。（上窗口）

当计数器的数值从0x40见到0x3F时，【T6位跳变到0】。（下窗口）
如果启动了看门狗并且允许中断，当递减计数器等于0x40时，产生早期唤醒中断（EWI），它可以用于喂狗以避免WWDG复位。

三、总结

窗口看门狗作为一种先进的时间监控机制，能够有效提升系统的实时性和安全性。通过合理配置和使用窗口看门狗，开发者可以确保系统在复杂环境中稳定运行，防止系统因时间偏差或异常操作而失控。未来，随着嵌入式系统技术的不断发展，窗口看门狗将在系统安全和稳定性保障方面继续发挥重要作用。

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