嵌入式開(kāi)發(fā)中的軟、硬件看門狗

本文從原理、異同、舉例來(lái)說(shuō)明硬件軟件看門狗怎么選擇：

一、 硬件看門狗的原理
硬件看門狗是利用一個(gè)定時(shí)器電路，其定時(shí)輸出連接到電路的復(fù)位端，程序在一定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)定時(shí)器清零(俗稱“喂狗”)，因此程序正常工作時(shí)，定時(shí)器總不能溢出，也就不能產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。
如果程序出現(xiàn)故障，不在定時(shí)周期內(nèi)復(fù)位看門狗，就使得看門狗定時(shí)器溢出產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)并重啟系統(tǒng)。
我們以ADI公司的ADM6316看門狗芯片為例。

圖1 ：看門狗芯片功能框圖

該看門狗芯片的主要功能有：
1. 可以監(jiān)控主電源VCC，26種復(fù)位閾值選項(xiàng)：2.5 V至5 V，以100 mV遞增;
2. 4種復(fù)位延遲選項(xiàng)：1 ms、20 ms、140 ms、1120 ms（最小值）;
3. 4種看門狗喂狗超時(shí)選項(xiàng)：6.3 ms、102 ms、1600 ms、25.6 s（典型值）;
4. 支持手動(dòng)復(fù)位輸入;
5. 復(fù)位輸出級(jí)：推挽低電平有效,開(kāi)漏低電平有效,推挽高電平有效;
復(fù)位功能說(shuō)明：
該芯片內(nèi)置復(fù)位功能。設(shè)備上電時(shí)，芯片的VCC電壓一旦到達(dá)開(kāi)啟閾值電壓Vth，延遲定時(shí)器啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間Trp，復(fù)位信號(hào)RESET或者/RESET即可輸出，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的延遲上電復(fù)位；芯片同時(shí)會(huì)監(jiān)測(cè)VCC的電壓，一旦VCC跌落到Vth以下，經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間Rrd后，復(fù)位信號(hào)輸出電平翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的復(fù)位。

圖2 ：復(fù)位功能時(shí)序圖

看門狗功能說(shuō)明：
該芯片內(nèi)置看門狗功能，設(shè)備上電時(shí)，芯片的VCC電壓一旦到達(dá)開(kāi)啟閾值電壓Vth，延遲定時(shí)器啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間Trp，復(fù)位信號(hào)RESET或者/RESET即可輸出，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的延遲上電復(fù)位；當(dāng)喂狗信號(hào)WDI收到第一個(gè)脈沖電平時(shí)，就出發(fā)芯片內(nèi)部的定時(shí)器，軟件必須在Twd時(shí)間內(nèi)輸出喂狗信號(hào)WDI，否則復(fù)位信號(hào)/RESET將會(huì)在定時(shí)時(shí)間TWd到達(dá)時(shí)，進(jìn)行復(fù)位，設(shè)備重新復(fù)位。

圖3：看門狗功能時(shí)序圖

二、 軟件看門狗的原理
軟件看門狗原理上一樣，只是將硬件電路上的定時(shí)器用處理器的內(nèi)部定時(shí)器代替，這樣可以簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，一般是將一個(gè)芯片中的定時(shí)器來(lái)作為看門狗，通過(guò)程序的初始化，寫入初值，并啟動(dòng)定時(shí)器。程序按時(shí)對(duì)定時(shí)器賦初值（或復(fù)位），以免它餓了。
這種看門狗是可以被禁用的（只要停止這個(gè)定時(shí)器即可），好比對(duì)那只要咬你的狗來(lái)個(gè)“葵花點(diǎn)穴手”， 大部分CPU都內(nèi)置看門狗，硬件原理可參考各芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)。
優(yōu)點(diǎn)：可以通過(guò)程序改變初始時(shí)間，也可以隨時(shí)禁用。
缺點(diǎn)：需要初始化，如果程序在初始化、啟動(dòng)完成前跑飛或在禁用后跑飛，看門狗就無(wú)法復(fù)位系統(tǒng)，這樣看門狗的作用就沒(méi)有了，系統(tǒng)恢復(fù)能力降低。

圖4：軟件看門狗功能示意圖

三、 軟、硬件看門狗的主要異同
學(xué)習(xí)了上述的軟硬件看門狗，我們總結(jié)一下兩者的異同。
兩者相同點(diǎn)如下：
1) 都是通過(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)；定時(shí)時(shí)間到?jīng)]有喂狗就進(jìn)行復(fù)位。
2) 都是需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)喂狗。
3) 兩者都是靠軟件進(jìn)行喂狗。
兩者的主要差異如下：
1) 附加功能：硬件看門狗芯片一般還附帶了延遲復(fù)位和電源檢 測(cè)的功能，軟件則沒(méi)有。
2) 屏蔽方法：軟件看門狗很容易屏蔽關(guān)閉，只需修改其中的寄存器，而硬件看門狗一旦啟動(dòng)不斷電就停不下來(lái)。
3) 啟動(dòng)方式：軟件看門狗很容易啟動(dòng)，只需修改其中的寄存器。硬件一般是收到第一個(gè)喂狗信號(hào)后就啟動(dòng)。
4) 初始化：硬件看門狗上電后收到第一個(gè)喂狗脈沖就完成了初始化，軟件看門狗則需要配置相關(guān)的寄存器（或者調(diào)用相關(guān)的看門狗子程序）。

四、 一個(gè)軟件看門狗搞不定的案例
項(xiàng)目組研發(fā)一款戶外遠(yuǎn)程采集器，應(yīng)用場(chǎng)景包括偏僻的郊外，對(duì)可靠性要求很高，出現(xiàn)故障后或者遠(yuǎn)程升級(jí)后能夠自動(dòng)復(fù)位重啟。為了節(jié)省成本，該產(chǎn)品采用主芯片內(nèi)置的看門狗功能。主芯片其他資源初始化完成后，再初始化看門狗功能。產(chǎn)品批量后，遠(yuǎn)程升級(jí)過(guò)程中，大概有5%的概率設(shè)備升級(jí)后變磚，需要人工斷電后再上電才能恢復(fù)正常。
經(jīng)過(guò)研發(fā)人員分析，軟件的看門狗的流程如下圖，一小部分設(shè)備，在升級(jí)程序過(guò)程，出現(xiàn)了死機(jī)的問(wèn)題，程序還沒(méi)有運(yùn)行到初始化看門狗的階段，看門狗無(wú)法生效，導(dǎo)致設(shè)備處于一直死機(jī)的狀態(tài)，人工斷電重啟后恢復(fù)正常。

圖5：軟件看門狗流程圖

經(jīng)過(guò)改良升級(jí)，研發(fā)人員使用了硬件看門狗，上電瞬間就依賴上拉電阻形成的高脈沖開(kāi)啟看門狗，看門狗的延遲最遲喂狗時(shí)間為1.8S，評(píng)估升級(jí)+初始化時(shí)間最遲為1.2S，所以該看門狗芯片滿足要求，一旦1.8S內(nèi)應(yīng)用程序還無(wú)法喂狗，則復(fù)位重啟，問(wèn)題得以解決。

圖6：硬件看門狗流程圖

五、 總結(jié)
軟件和硬件的看門狗的最主要差異在于開(kāi)啟看門狗的時(shí)機(jī)，軟件看門狗必須初始化（配置）看門狗才能使用，如果軟件看門狗是廠商提供的SDK中的一個(gè)API接口，開(kāi)發(fā)者又沒(méi)有能力修改底層的uboot、內(nèi)核，無(wú)法在uboot、內(nèi)核階段開(kāi)啟和喂狗，開(kāi)啟看門狗的時(shí)機(jī)就很晚了，程序就有可能還沒(méi)有跑到看門狗初始化就掛了，中間的各種幺蛾子都不受控，就像上述的案例。
而硬件看門狗開(kāi)啟則不受軟件的約束，設(shè)備上電就可以依賴上拉電阻提供的高脈沖開(kāi)啟看門狗，只要軟件不及時(shí)喂狗，就復(fù)位，這個(gè)是無(wú)條件的。所謂一分錢一分貨，在電子產(chǎn)品也是適用的。
當(dāng)然，如果你能說(shuō)服驅(qū)動(dòng)工程師，能夠在主芯片上電第一時(shí)間，就初始化和開(kāi)啟軟件看門狗，理論上，軟件看門狗也可以做的和硬件看門狗一樣可靠。