單片機中的看門(mén)狗研究

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

1 看門(mén)狗的作用

看門(mén)狗定時(shí)器是一個(gè)計數器，基本功能是在發(fā)生軟件問(wèn)題和程序跑飛后使系統重新啟動(dòng)?？撮T(mén)狗計數器正常工作時(shí)自動(dòng)計數，程序流程定期將其復位清零，如果系統在某處卡死或跑飛，該定時(shí)器將溢出，并將進(jìn)入中斷。在定時(shí)器中斷中執行一些復位操作，使系統恢復正常的工作狀態(tài)，即在程序沒(méi)有正常運行期間，如期復位看門(mén)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(mén)狗問(wèn)題及相關(guān)實(shí)驗

現今市面上流行的一些單片機，多嵌有內部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。但是這些內部看門(mén)狗在工作時(shí)，多存在一定的誤差。一些工程師在設計的過(guò)程中，由于忽略了這一點(diǎn)，導致系統出現異常。MSP430系列單片機是美國德州儀器公司(TI)近幾年開(kāi)發(fā)的新一代單片機，該系列是一款16位、具有精簡(jiǎn)指令集、超低功耗的全新概念混合型單片機。在眾多單片機系列中，由于它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開(kāi)發(fā)手段，已成為一顆耀眼的新星。其內部自帶看門(mén)狗及復位電路，理論上如果程序跑飛，可用看門(mén)狗將其復位。但在實(shí)際使用過(guò)程中，發(fā)現看門(mén)狗的作用并非萬(wàn)無(wú)一失，以下實(shí)驗證明了這一點(diǎn)。實(shí)驗電路如圖1所示。






上述實(shí)驗啟動(dòng)后，如果程序正常運行，LED會(huì )閃爍。缺省時(shí)，MSP430的看門(mén)狗是允許狀態(tài)，所運行的程序會(huì )不斷地訪(fǎng)問(wèn)看門(mén)狗。理論上，這個(gè)系統是不會(huì )發(fā)生啟動(dòng)失敗的，因為即使啟動(dòng)失敗，看門(mén)狗也應該在數百毫秒內啟動(dòng)，復位整個(gè)系統?；谶@種思想，對單片機的復位進(jìn)行測試。K2斷開(kāi)，用K1連續產(chǎn)生。Reset信號，測試看門(mén)狗使系統重啟的成功率。K2閉合，則reset端高電平，理論上K1不能有效產(chǎn)生復位脈沖，觀(guān)察看門(mén)狗是否起作用。

3 實(shí)驗結果與分析

實(shí)驗結果如下：K2斷開(kāi)，連續開(kāi)關(guān)K1，上電重啟系統，平均155次失敗1次(LED不閃)，即看門(mén)狗失效概率0．6%；K2閉合，連續開(kāi)關(guān)K1，平均18次失敗1次(LED不閃)，且一旦失敗，將連續失敗下去，看門(mén)狗無(wú)效率占到了約5．5%。另外，當采用同樣具有內置看門(mén)狗的其他系列單片機替代實(shí)驗中的MSP430，啟動(dòng)程序段作相應修改時(shí)，實(shí)驗結果仍大致相同，這說(shuō)明具有內置看門(mén)狗的單片機面臨的問(wèn)題是相同的。經(jīng)分析可能有如下原因：

①由于看門(mén)狗的時(shí)鐘不獨立，計數時(shí)鐘與系統為同一分頻鏈路，因此看門(mén)狗不能在系統出現問(wèn)題時(shí)有效運作。

②由于時(shí)鐘可用軟件設置，啟動(dòng)失敗時(shí)，開(kāi)機時(shí)鐘可能處于空檔，沒(méi)有時(shí)鐘看門(mén)狗不能生效。

③有些看門(mén)狗需要用軟件設置或啟動(dòng)，因此啟動(dòng)失敗后,初始化程序沒(méi)有激活，CPU可能跳轉到隨機代碼，使看門(mén)狗被禁止。這樣的看門(mén)狗是需要有可靠的上電復位作保證的，因此，從理論上講，原設計存在著(zhù)不合理性?；谏鲜龇治?，采用片外看門(mén)狗專(zhuān)用芯片TPS3823由獨立的分頻振蕩電路提供計數脈沖。實(shí)驗電路如圖2所示。




上述電路中，TPS3823輸出定時(shí)溢出信號給Reset端。程序段中，CPU要不斷地通過(guò)I／O口輸出喂狗信號，使看門(mén)狗計數器清零。在此電路中重復上述試驗中K1、K2的相同動(dòng)作，系統重啟成功率達到100%。

結 語(yǔ)

未來(lái)的內置看門(mén)狗必須有獨立可靠的時(shí)鐘。系統上電后，看門(mén)狗即為允許狀態(tài)，無(wú)需軟件設置，它只能被外部硬件跳線(xiàn)或內部熔絲(fuse)所禁止。目前，如果要求設計可靠性較高的嵌入式系統，外置看門(mén)狗是必須考慮的。內置看門(mén)狗的另一問(wèn)題是系統復位后，程序應判斷是由Reset端正常上電復位，還是程序跑飛看門(mén)狗所致，由此確定現場(chǎng)數據是否應該保留。這也是在看門(mén)狗應用中所應考慮的。