引 言
軟件的可靠性一直是一個關鍵問題。任何使用軟件的人都可能會經歷計算機死機或程序跑飛的問題,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,在工業現場的儀器儀表中,常會由于電壓不穩、電弧干擾等造成死機。在水表、電表等無人看守的情況下,也會因系統遭受干擾而無法重啟。為了保證系統在干擾后能自動恢復正常,看門狗定時器(Watchdog Timer)的利用是很有價值的。
1 看門狗的作用
看門狗定時器是一個計數器,基本功能是在發生軟件問題和程序跑飛后使系統重新啟動。看門狗計數器正常工作時自動計數,程序流程定期將其復位清零,如果系統在某處卡死或跑飛,該定時器將溢出,并將進入中斷。在定時器中斷中執行一些復位操作,使系統恢復正常的工作狀態,即在程序沒有正常運行期間,如期復位看門狗以保證所選擇的定時溢出歸零,使處理器重新啟動。
2 看門狗問題及相關實驗
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。但是這些內部看門狗在工作時,多存在一定的誤差。一些工程師在設計的過程中,由于忽略了這一點,導致系統出現異常。MSP430系列單片機是美國德州儀器公司(TI)近幾年開發的新一代單片機,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。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發手段,已成為一顆耀眼的新星。其內部自帶看門狗及復位電路,理論上如果程序跑飛,可用看門狗將其復位。但在實際使用過程中,發現看門狗的作用并非萬無一失,以下實驗證明了這一點。
實驗電路如圖1所示。
實驗程序清單：
#include
void main(void){
P1DIR l=OxOf; ／／設置P1．2～P1．O為輸出
for(;;){
volatile unsigned int i;
WDTCTL=WDTPW+ WDTCNTCL;
／／復位WDT計數器
PIOUT==OxOt; ／／P1．0～P1．2相互異或
i=5000; ／／延時
d0(i--);
while(i!=O);
}
}
上述實驗啟動后,如果程序正常運行,LED會閃爍。缺省時,MSP430的看門狗是允許狀態,所運行的程序會不斷地訪問看門狗。理論上,這個系統是不會發生啟動失敗的,因為即使啟動失敗,看門狗也應該在數百毫秒內啟動,復位整個系統。基于這種思想,對單片機的復位進行測試。K2斷開,用K1連續產生。 Reset信號,測試看門狗使系統重啟的成功率。K2閉合,則reset端高電平,理論上K1不能有效產生復位脈沖,觀察看門狗是否起作用。
3 實驗結果與分析
實驗結果如下：K2斷開,連續開關K1,上電重啟系統,平均155次失敗1次(LED不閃),即看門狗失效概率0．6%;K2閉合,連續開關K1,平均18次失敗1次(LED不閃),且一旦失敗,將連續失敗下去,看門狗無效率占到了約5．5%。
另外,當采用同樣具有內置看門狗的其他系列單片機替代實驗中的MSP430,啟動程序段作相應修改時,實驗結果仍大致相同,這說明具有內置看門狗的單片機面臨的問題是相同的。經分析可能有如下原因：
①由于看門狗的時鐘不獨立,計數時鐘與系統為同一分頻鏈路,因此看門狗不能在系統出現問題時有效運作。
②由于時鐘可用軟件設置,啟動失敗時,開機時鐘可能處于空檔,沒有時鐘看門狗不能生效。
③有些看門狗需要用軟件設置或啟動,因此啟動失敗后,初始化程序沒有激活,CPU可能跳轉到隨機代碼,使看門狗被禁止。這樣的看門狗是需要有可靠的上電復位作保證的,因此,從理論上講,原設計存在著不合理性。基于上述分析,采用片外看門狗專用芯片TPS3823由獨立的分頻振蕩電路提供計數脈沖。實驗電路如圖2所示。
上述電路中,TPS3823輸出定時溢出信號給Reset端。程序段中,CPU要不斷地通過I／O口輸出喂狗信號,使看門狗計數器清零。在此電路中重復上述試驗中K1、K2的相同動作,系統重啟成功率達到100%。
結 語
未來的內置看門狗必須有獨立可靠的時鐘。系統上電后,看門狗即為允許狀態,無需軟件設置,它只能被外部硬件跳線或內部熔絲(fuse)所禁止。目前,如果要求設計可靠性較高的嵌入式系統,外置看門狗是必須考慮的。內置看門狗的另一問題是系統復位后,程序應判斷是由Reset端正常上電復位,還是程序跑飛看門狗所致,由此確定現場數據是否應該保留。這也是在看門狗應用中所應考慮的。