淺談“看門狗”的應(yīng)用及設(shè)計(jì)思路

邢 闖

咸陽(yáng)市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西 咸陽(yáng) 712000

在由單片機(jī)構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于單片機(jī)的工作常常會(huì)受到來自外界電磁場(chǎng)的干擾，造成程序的跑飛，而陷入死循環(huán)，程序的正常運(yùn)行被打斷，由單片機(jī)控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài)，發(fā)生不可預(yù)料的后果，所以出于對(duì)單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的考慮，便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測(cè)單片機(jī)程序運(yùn)行狀態(tài)的芯片，俗稱“看門狗”。

1 應(yīng)用

看門狗電路的應(yīng)用，使單片機(jī)可以在無人狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，其工作原理是：看門狗芯片和單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳相連，該I/O引腳通過程序控制它定時(shí)地往看門狗的這個(gè)引腳上送入高電平(或低電平)，這一程序語(yǔ)句是分散地放在單片機(jī)其它控制語(yǔ)句中間的，一旦單片機(jī)由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)時(shí)，寫看門狗引腳的程序便不能被執(zhí)行，這個(gè)時(shí)候,看門狗電路就會(huì)由于得不到單片機(jī)送來的信號(hào)，便在它和單片機(jī)復(fù)位引腳相連的引腳上送出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)發(fā)生復(fù)位，即程序從程序存儲(chǔ)器的起始位置開始執(zhí)行，這樣便實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的自動(dòng)復(fù)位。

看門狗是一個(gè)定時(shí)器電路，一般有一個(gè)輸入，叫喂狗，一個(gè)輸出到MCU的RST端，MCU正常工作的時(shí)候，每隔一端時(shí)間輸出一個(gè)信號(hào)到喂狗端,給 WDT 清零,如果超過規(guī)定的時(shí)間不喂狗，（一般在程序跑飛時(shí)），WDT 定時(shí)超過，就回給出一個(gè)復(fù)位信號(hào)到MCU，是MCU復(fù)位。 防止MCU死機(jī)?？撮T狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。

2 工作原理

在系統(tǒng)運(yùn)行以后也就啟動(dòng)了看門狗的計(jì)數(shù)器，看門狗就開始自動(dòng)計(jì)數(shù)，如果到了一定的時(shí)間還不去清看門狗，那么看門狗計(jì)數(shù)器就會(huì)溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。所以在使用有看門狗的芯片時(shí)要注意清看門狗。

硬件看門狗是利用了一個(gè)定時(shí)器，來監(jiān)控主程序的運(yùn)行，也就是說在主程序的運(yùn)行過程中，我們要在定時(shí)時(shí)間到之前對(duì)定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說PC指針不能回來。那么定時(shí)時(shí)間到后就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。常用的WDT芯片如MAX813，5045，IMP 813等。

軟件看門狗技術(shù)的原理和這差不多，只不過是用軟件的方法實(shí)現(xiàn)，我們還是以51系列來講，我們知道在51單片機(jī)中有兩個(gè)定時(shí)器，我們就可以用這兩個(gè)定時(shí)器來對(duì)主程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。我們可以對(duì)T0設(shè)定一定的定時(shí)時(shí)間，當(dāng)產(chǎn)生定時(shí)中斷的時(shí)候?qū)σ粋€(gè)變量進(jìn)行賦值，而這個(gè)變量在主程序運(yùn)行的開始已經(jīng)有了一個(gè)初值，在這里我們要設(shè)定的定時(shí)值要小于主程序的運(yùn)行時(shí)間，這樣在主程序的尾部對(duì)變量的值進(jìn)行判斷，如果值發(fā)生了預(yù)期的變化，就說明T0中斷正常，如果沒有發(fā)生變化則使程序復(fù)位。對(duì)于T1我們用來監(jiān)控主程序的運(yùn)行，我們給T1設(shè)定一定的定時(shí)時(shí)間，在主程序中對(duì)其進(jìn)行復(fù)位，如果不能在一定的時(shí)間里對(duì)其進(jìn)行復(fù)位，T1 的定時(shí)中斷就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。在這里T1的定時(shí)時(shí)間要設(shè)的大于主程序的運(yùn)行時(shí)間，給主程序留有一定的的裕量。而T1的中斷正常與否我們?cè)儆蒚0定時(shí)中斷子程序來監(jiān)視。這樣就夠成了一個(gè)循環(huán)，T0監(jiān)視T1，T1監(jiān)視主程序，主程序又來監(jiān)視T0，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

51系列有專門的看門狗定時(shí)器，對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行分頻計(jì)數(shù)，定時(shí)器溢出時(shí),將引起復(fù)位，看門狗可設(shè)定溢出率,也可單獨(dú)用來作為定時(shí)器使用。

凌陽(yáng)61的看門狗比較單一，一個(gè)是時(shí)間單一，第二是功能在實(shí)際的使用中只需在循環(huán)當(dāng)中加入清狗的指令就OK了。

AVR系列中，avr-libc 提供3個(gè)API 支持對(duì)器件內(nèi)部Watchdog 的操作，它們分別是：

wdt_reset() // Watchdog 復(fù)位

wdt_enable(timeout) // Watchdog 使能

wdt_disable() // Watchdog 禁止

C8051Fxxx單片機(jī)內(nèi)部也有一個(gè)21位的使用系統(tǒng)時(shí)鐘的定時(shí)器，該定時(shí)器檢測(cè)對(duì)其控制寄存器的兩次特定寫操作的時(shí)間間隔。如果這個(gè)時(shí)間間隔超過了編程的極限值，將產(chǎn)生一個(gè)WDT復(fù)位。

3 注意事項(xiàng)

大多數(shù)51 系列單片機(jī)都有看門狗,當(dāng)看門狗沒有被定時(shí)清零時(shí),將引起復(fù)位。這可防止程序跑飛。設(shè)計(jì)者必須清楚看門狗的溢出時(shí)間以決定在合適的時(shí)候，清看門狗。清看門狗也不能太過頻繁否則會(huì)造成資源浪費(fèi)。程序正常運(yùn)行時(shí)，軟件每隔一定的時(shí)間（小于定時(shí)器的溢出周期）給定時(shí)器置數(shù)，即可預(yù)防溢出中斷而引起的誤復(fù)位。

4 系統(tǒng)軟件"看門狗"的設(shè)計(jì)思路

1）看門狗定時(shí)器T0的設(shè)置。在初始化程序塊中設(shè)置T0的工作方式，并開啟中斷和計(jì)數(shù)功能。系統(tǒng)Fosc=12 MHz，T0為16位計(jì)數(shù)器，最大計(jì)數(shù)值為（2的10次方）-1=65535，T0輸入計(jì)數(shù)頻率是.Fosc/12，溢出周期為（65535+1）/1=65536（μs）。

2）計(jì)算主控程序循環(huán)一次的耗時(shí)?？紤]系統(tǒng)各功能模塊及其循環(huán)次數(shù)，本系統(tǒng)主控制程序的運(yùn)行時(shí)間約為16.6 ms。系統(tǒng)設(shè)置"看門狗"定時(shí)器T0定時(shí)30 ms（T0的初值為65536-30000=35536）。主控程序的每次循環(huán)都將刷新T0的初值。如程序進(jìn)入“死循環(huán)”而T0的初值在30ms內(nèi)未被刷新，這時(shí)"看門狗"定時(shí)器T0將溢出并申請(qǐng)中斷。

3）設(shè)計(jì)T0溢出所對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序。此子程序只須一條指令，即在T0對(duì)應(yīng)的中斷向量地址（000BH）寫入“無條件轉(zhuǎn)移”命令，把計(jì)算機(jī)拖回整個(gè)程序的第一行，對(duì)單片機(jī)重新進(jìn)行初始化并獲得正確的執(zhí)行順序。

看門狗也有對(duì)計(jì)算機(jī)危害之處。如果用看門狗軟件加密并發(fā)送到環(huán)形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)（如學(xué)校機(jī)房），將會(huì)造成每發(fā)送一次，兩臺(tái)電腦同時(shí)中毒一天，還會(huì)持續(xù)一周蔓延。如：運(yùn)行速度超慢，桌面背景變換，畫圖軟件要黑色出綠色等等。還會(huì)造成每臺(tái)電腦少幾個(gè)文件。