摘要：本文對(duì)內(nèi)部(集成在處理器內(nèi)部)看門狗定時(shí)器(WTD)與外部(基于硬件) WDT的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比。內(nèi)部看門狗便于設(shè)計(jì)，但容易失效。MAXQ2000微控制器的WDT可以作為內(nèi)部看門狗的一個(gè)例子。基于硬件的看門狗定時(shí)器需要占用額外的電路板空間，但在對(duì)于可靠性要求較高的設(shè)計(jì)中確實(shí)不可或缺的。本文給出了一個(gè)對(duì)照表，總結(jié)了每種WDT方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

引言

看門狗定時(shí)器(WDT)在出現(xiàn)無效的軟件運(yùn)行狀態(tài)時(shí)用來強(qiáng)行復(fù)位(硬件復(fù)位)嵌入式微處理器或微控制器，失效狀態(tài)可以是簡(jiǎn)單地觸發(fā)寄存器的某一位，或者是射線干擾或EMI (電磁輻射)。

本文介紹了一些針對(duì)具體應(yīng)用選擇最佳定時(shí)器的考慮。

WDT的典型應(yīng)用

防止微處理器閉鎖是WDT的一個(gè)典型應(yīng)用，通常，嵌入式軟件有一個(gè)“主循環(huán)”程序，用其調(diào)用子程序以實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)。每次程序循環(huán)對(duì)WDT進(jìn)行一次復(fù)位，如果任何原因造成程序循環(huán)操作失敗，看門狗定時(shí)器則發(fā)生超時(shí)，對(duì)器件進(jìn)行復(fù)位。

具有WDT功能的系統(tǒng)非常適合檢測(cè)誤碼，中斷(包括存儲(chǔ)器故障，EMI對(duì)存儲(chǔ)器或接口放電)可能導(dǎo)致臨時(shí)性的誤碼。這些誤碼會(huì)導(dǎo)致處理器輸入、輸出數(shù)據(jù)的極性翻轉(zhuǎn)，當(dāng)誤碼沒引入到程序信息中時(shí)，微處理器將會(huì)執(zhí)行錯(cuò)誤的代碼。很有可能造成處理器開始執(zhí)行操作數(shù)，而非操作代碼。程序開始執(zhí)行這種錯(cuò)誤代碼時(shí)，將造成程序運(yùn)行不正常，無法提供看門狗清零信號(hào)，從而導(dǎo)致處理器復(fù)位。合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠在復(fù)位后恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

需要注意的是，WDT不能檢測(cè)瞬態(tài)故障，按照定義，只有在WDT計(jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)定的時(shí)間間隔時(shí)才會(huì)復(fù)位處理器。正是這一原因，需要選擇一個(gè)最短超時(shí)周期，以便在系統(tǒng)失控之前由WDT產(chǎn)生復(fù)位，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

內(nèi)部和外部WDT

WDT可以內(nèi)置于微處理器，例如：MAXQ2000微控制器；也可以是一個(gè)獨(dú)立的IC (外部WDT)，或作為支持ASIC的一部分。無論是內(nèi)部WDT，還是外部WDT，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。內(nèi)部定時(shí)器有助于節(jié)省成本，但容易受程序運(yùn)行失效的影響。相對(duì)成本較高的外部WDT具有一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘源，能夠提供更高的可靠性；經(jīng)過適當(dāng)配置，外部WDT不會(huì)受程序失效的影響。

WDT的基本原理

WDT的核心電路是計(jì)數(shù)寄存器，時(shí)鐘源連續(xù)遞增計(jì)數(shù)寄存器的值，計(jì)數(shù)器發(fā)生溢出時(shí)，看門狗邏輯電路強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。為防止復(fù)位，必須周期性地將計(jì)數(shù)寄存器清零，稱其為“喂狗”。外部WDT IC具有一個(gè)數(shù)字輸入引腳，該引腳從低到高或從高到低的跳變將計(jì)數(shù)寄存器清零。內(nèi)部WDT的“喂狗”操作則不同，例如，MAXQ2000的WDT，可以通過設(shè)置寄存器位(MOVE WDCN.0, #1)的方式復(fù)位看門狗。PIC微控制器及其它微處理器則通過專用指令(CLRWDT)復(fù)位計(jì)數(shù)寄存器。

正確的軟件操作能夠在要求的期限內(nèi)提供數(shù)字信號(hào)跳變，確保計(jì)數(shù)寄存器不會(huì)發(fā)生溢出。但當(dāng)程序進(jìn)入一個(gè)無限循環(huán)或出現(xiàn)“死機(jī)”時(shí)，將無法清零計(jì)數(shù)寄存器。發(fā)生這種情況時(shí)，看門狗將觸發(fā)一次復(fù)位。WDT周期是計(jì)數(shù)器溢出的時(shí)間，為避免復(fù)位，必須在短于超時(shí)周期的時(shí)間內(nèi)清零看門狗定時(shí)器。

有些WDT在基本計(jì)數(shù)寄存器架構(gòu)的基礎(chǔ)上增添了更多功能，例如：“窗檢測(cè)”WDT或“最小/最大"超時(shí)WDT，這一功能會(huì)在發(fā)生過慢或過快的看門狗定清零時(shí)產(chǎn)生復(fù)位。如果在計(jì)數(shù)寄存器的數(shù)值低于某個(gè)門限時(shí)出現(xiàn)寄存器清零信號(hào)，器件將觸發(fā)復(fù)位。簡(jiǎn)單地說，是在發(fā)生看門狗清零過快時(shí)觸發(fā)復(fù)位，可以避免處理器工作在晶體標(biāo)稱頻率的諧波狀態(tài)下。另外一個(gè)功能是利用邏輯輸入(外部看門狗)或寄存器位(內(nèi)部看門狗)禁止WDT功能。

集成在微處理器內(nèi)部的看門狗定時(shí)器

本文無法在有限的篇幅內(nèi)列舉各種微處理器(μP) WDT的案例，而是以MAXQ2000微控制器的內(nèi)部WDT為例進(jìn)行說明。該定時(shí)器比上述基本的計(jì)數(shù)寄存器復(fù)雜一些，類似于多數(shù)商用化微控制器芯片的WDT功能。

沒有看門狗清零操作時(shí)，MAXQ2000'的WDT溢出，由此觸發(fā)中斷，經(jīng)過512個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期后自行復(fù)位。中斷為保存調(diào)試信息提供了“最后一次機(jī)會(huì)”，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員認(rèn)為這一機(jī)會(huì)對(duì)于電路開發(fā)及故障排查至關(guān)重要。除了存儲(chǔ)調(diào)試信息外，中斷還用于從故障狀態(tài)下恢復(fù)工作，清除看門狗計(jì)數(shù)器。后者會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生一定的影響。

與其它內(nèi)部WDT類似，MAXQ2000的看門狗可以通過軟件禁止。值得注意的是，這一功能可能是一把雙刃劍：在程序運(yùn)行失效時(shí)會(huì)禁止看門狗，導(dǎo)致系統(tǒng)的進(jìn)一步混亂。

有些處理器將它們的WDT連接到一個(gè)獨(dú)立于系統(tǒng)時(shí)鐘的內(nèi)部振蕩器。雖然MAXQ2000的WDT時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，MAXQ2000的時(shí)鐘電路可以在主時(shí)鐘失效時(shí)切換到備份RC振蕩器。

看門狗定時(shí)器IC

專用的、外部WDT IC能夠提供多項(xiàng)功能選擇，許多廠商都可提供這種器件。有些器件，例如; MAX6752，具有“窗檢測(cè)看門狗”功能。MAX6752還可通過外部電容調(diào)節(jié)看門狗的超時(shí)周期和復(fù)位脈沖寬度，以滿足微處理器和具體應(yīng)用的要求。

MAX6369 WDT的邏輯輸入引腳可以禁止定時(shí)器工作，防止復(fù)位。它通常連接到微處理器的一個(gè)邏輯引腳，這種方式對(duì)可靠性構(gòu)成一定的威脅，因?yàn)樵诔绦蜻\(yùn)行失效時(shí)可能會(huì)意外禁止看門狗功能。大多數(shù)情況下，需要在上電過程中(處理器導(dǎo)入程序時(shí))禁止看門狗功能。MAX6369在復(fù)位后提供了一個(gè)額外的長(zhǎng)周期看門狗超時(shí)。看門狗第一次清零后恢復(fù)到常規(guī)超時(shí)周期。這種方式比從外部禁止看門狗功能或重新使能看門狗功能更加可靠。

外部看門狗定時(shí)器還可以監(jiān)測(cè)VCC電源，在電壓跌落到指定的門限以下時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。有些定時(shí)器還提供了具有去抖動(dòng)電路和ESD保護(hù)的手動(dòng)復(fù)位輸入。這種IC內(nèi)部的電壓檢測(cè)器能夠在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保持較高精度，優(yōu)于集成在處于電源失效狀態(tài)的微處理器內(nèi)部的方案。

結(jié)論

表1列舉了外部和內(nèi)部WDT的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，采用外部看門狗定時(shí)器IC相對(duì)成本較高，但可滿足高可靠性系統(tǒng)的要求。將WDT的禁止輸入連接到微處理器(可以通過軟件禁止看門狗復(fù)位)，會(huì)影響內(nèi)部看門狗定時(shí)器的可靠性。集成在微處理器內(nèi)部的看門狗定時(shí)器比較適合對(duì)可靠性要求不高的應(yīng)用，好處是能夠降低成本。

表1. 看門狗定時(shí)器比較

?	External WDTs	Internal WDTs
Pros	If properly designed, cannot be disabled from software accidentally. Clock source separate from system clock. Available with min/max watchdog-timeout period. Reset output can be connected to other system ICs that need a reset. Monitors one or more power-supply rails (the internal brownout circuit found in some microprocessors is not very accurate). Timeout period is fully adjustable by using capacitors.	Cost is essentially zero. To save debugging information, it can trigger an interrupt before resetting. Convenient to use. Sometimes a bidirectional reset pin can be connected to other system ICs that need reset. Can modify timeout when the processor changes from high speed to low speed or sleep mode. Watchdog timeout period can vary less with temperature.
Cons	Requires some cost to implement. Timeout period over temperature can vary substantially. Requires one microprocessor I/O line. Timeout must be calculated to match both high-speed and low-speed clock modes, due to microprocessor power-save feature.	Almost all can be disabled by software (thus, not as reliable).