數(shù)據(jù)處理模塊的看門狗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘 要：看門狗是實(shí)現(xiàn)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的一種措施，能夠有效提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。針對(duì)HKSP6102處理器在嵌入式計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用，分析了通用看門狗的設(shè)計(jì)方法及其特點(diǎn)；最后介紹了數(shù)據(jù)處理模塊的看門狗設(shè)計(jì)方法，基于微處理器監(jiān)測(cè)電路和可編程看門狗定時(shí)器兩種方式的組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：看門狗；嵌入式計(jì)算機(jī)；監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP274" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）01-0050-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.01.012

0" " 引言

HKSP6102處理器是一款以PPC460處理器為核心，集成浮點(diǎn)處理單元、二級(jí)Cache，對(duì)外提供以太網(wǎng)、EBC等外設(shè)接口的高性能、低功耗的單核處理器，廣泛應(yīng)用于各類嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中[1]。

在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常采用看門狗來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，提高產(chǎn)品可靠性?？撮T狗是一種系統(tǒng)錯(cuò)誤事件的檢測(cè)響應(yīng)機(jī)制，通過(guò)軟件或硬件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未收到來(lái)自系統(tǒng)軟件的喂狗信號(hào)，則認(rèn)為系統(tǒng)軟件發(fā)生故障[2]，進(jìn)入中斷處理程序或系統(tǒng)強(qiáng)制復(fù)位，以保證系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)能夠及時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行[3-4]。

本文給出了一種數(shù)據(jù)處理模塊的看門狗電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。首先介紹了數(shù)據(jù)處理模塊的系統(tǒng)架構(gòu)，以HKSP6102為主控芯片，配置多種接口電路；然后分析了通用看門狗的設(shè)計(jì)方法及其特點(diǎn)；最后詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)處理模塊看門狗的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1" " 數(shù)據(jù)處理模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)處理模塊的處理器、CPLD、存儲(chǔ)單元等核心器件均采用國(guó)產(chǎn)元器件，操作系統(tǒng)采用天脈操作系統(tǒng)。采用一片HKSP6102處理器作為主控芯片，PPC406內(nèi)核配置主頻400 MHz，存儲(chǔ)資源配置：SDRAM、FLASH和NVSRAM。硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)處理器EBC總線的邏輯譯碼、中斷控制以及看門狗定時(shí)器、RS422控制、PCI控制等功能。數(shù)據(jù)處理模塊提供2路百兆以太網(wǎng)接口、2路RS422串行接口用于模塊的調(diào)試維護(hù)，提供1路PCI總線、1路SPI總線接口，實(shí)現(xiàn)與從設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。

2" " 看門狗設(shè)計(jì)

通用看門狗大致分為兩類：處理器內(nèi)置看門狗和外置看門狗[5]。

2.1" " 處理器內(nèi)置看門狗

主流的處理器（如PowerPC、ARM等）內(nèi)部均集成了看門狗模塊。HKSP6102處理器集成的看門狗模塊，具有32位計(jì)數(shù)器、定時(shí)周期可配置、狗叫中斷模式/復(fù)位模式可配置、計(jì)時(shí)精度高的特點(diǎn)，如果使用得當(dāng)，可在系統(tǒng)軟件崩潰時(shí)恢復(fù)運(yùn)行。但看門狗模塊可能會(huì)因處理器異常而被意外禁用，導(dǎo)致看門狗功能失效，需重新上電恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行[5]。

2.2" " 外置看門狗

2.2.1" " 微處理器監(jiān)測(cè)電路

微處理器監(jiān)測(cè)電路用于監(jiān)測(cè)微處理器系統(tǒng)中的電壓，同時(shí)提供復(fù)位、看門狗等功能。微處理器監(jiān)測(cè)電路的看門狗設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

#WDO：看門狗輸出端即狗叫中斷源，接入處理器的GPIO或CPLD中斷控制邏輯中。在看門狗定時(shí)周期內(nèi)未接收到喂狗信號(hào)，模塊看門狗使能有效。

WDI：看門狗輸入端，接收看門狗喂狗信號(hào)，由看門狗喂狗寄存器控制。喂狗信號(hào)通過(guò)軟件置位寄存器值，初始化寄存器，使看門狗重新開始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)喂狗操作。如果WDI保持高電平或低電平超過(guò)看門狗的定時(shí)周期1.6 s，#WDO將產(chǎn)生中斷信號(hào)。

看門狗電路的默認(rèn)定時(shí)周期為1.6 s，可以通過(guò)SWT管腳接外接電容的方式來(lái)設(shè)定看門狗的定時(shí)周期。外接電容的容值范圍為4.7～20 nF。SWT外接片外電容C（單位為nF）時(shí)，看門狗定時(shí)周期T（單位為ms）的計(jì)算公式為：

T=2.1C

硬件看門狗電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，依賴于微處理器監(jiān)測(cè)電路，僅具有基礎(chǔ)的看門狗功能。微處理器監(jiān)測(cè)電路參數(shù)設(shè)置不靈活，定時(shí)周期配置需進(jìn)行硬件變更，且定時(shí)周期精度因受限于配置電容的容值而較低。

2.2.2" " 可編程看門狗定時(shí)器

可編程看門狗定時(shí)器由CPLD/FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)，定時(shí)周期可配置?？删幊炭撮T狗定時(shí)器支持8位、16位、32位的數(shù)據(jù)訪問，支持狗叫產(chǎn)生中斷或復(fù)位。系統(tǒng)軟件通過(guò)總線對(duì)邏輯內(nèi)部的看門狗寄存器進(jìn)行訪問，完成初始化參數(shù)配置、使能、喂狗等操作，實(shí)現(xiàn)看門狗定時(shí)器的正常工作?？撮T狗定時(shí)器超時(shí)產(chǎn)生看門狗中斷，中斷信號(hào)發(fā)送處理器，處理器對(duì)中斷信號(hào)進(jìn)行處理，同一時(shí)刻看門狗定時(shí)器重新計(jì)時(shí)；如果處理器未對(duì)中斷信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)由延時(shí)邏輯作用觸發(fā)自動(dòng)復(fù)位。可編程看門狗定時(shí)器設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

可編程看門狗定時(shí)器設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，但具有功能豐富、配置靈活、使用簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)?？删幊炭撮T狗定時(shí)器除硬件看門狗的基本功能外，還具有看門狗狗叫次數(shù)配置、看門狗定時(shí)周期支持軟件配置、定時(shí)周期精度高、空中狀態(tài)看門狗自使能等功能。

3" " 數(shù)據(jù)處理模塊看門狗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理模塊配置有一路看門狗，為外置看門狗，通過(guò)微處理器監(jiān)控電路和可編程看門狗定時(shí)器組合實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理模塊看門狗設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

3.1" " 可編程看門狗定時(shí)器

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊的看門狗功能。系統(tǒng)軟件可通過(guò)EBC總線，對(duì)看門狗寄存器進(jìn)行訪問。首先看門狗進(jìn)行初始化，通過(guò)EBC總線完成分頻因子、狗叫上限等參數(shù)的配置；之后當(dāng)前看門狗定時(shí)寄存器開始遞減計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器逐一遞減至0后，看門狗定時(shí)超時(shí)產(chǎn)生看門狗中斷，并在狗叫上限寄存器中置“1”，不產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，同一時(shí)刻看門狗定時(shí)寄存器的值被重新載入，開始新一輪的遞減計(jì)數(shù)；當(dāng)狗叫次數(shù)達(dá)到上限后，觸發(fā)自動(dòng)復(fù)位。

看門狗寄存器定義如表1所示。

當(dāng)數(shù)據(jù)處理模塊處于空中狀態(tài)時(shí)，上電30 s后看門狗自使能，使能寄存器置“0”，且不能被禁止?？撮T狗使能前支持定時(shí)周期配置，使能后支持喂狗操作。地面狀態(tài)，數(shù)據(jù)處理模塊上電后，看門狗使能寄存器置“1”，可通過(guò)軟件配置定時(shí)周期、使能或關(guān)閉看門狗和喂狗操作。看門狗喂狗寄存器，在超時(shí)值內(nèi)完成喂狗，使看門狗內(nèi)部定時(shí)器初始化重新開始計(jì)數(shù)。狗叫上限寄存器，當(dāng)看門狗狗叫次數(shù)達(dá)到上限后，自動(dòng)復(fù)位。

3.2" " 微處理器監(jiān)測(cè)電路

實(shí)現(xiàn)對(duì)可編程看門狗定時(shí)器的監(jiān)控?？删幊炭撮T狗定時(shí)器喂狗信號(hào)接入看門狗輸入端WDI。當(dāng)CPLD工作異常未進(jìn)行喂狗操作時(shí)，微處理器監(jiān)測(cè)電路#WDO管腳產(chǎn)生狗叫信號(hào)，接入#MR管腳，微處理器監(jiān)測(cè)電路產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊復(fù)位重加載。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

本文基于數(shù)據(jù)處理模塊的基本架構(gòu)，詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)處理模塊的看門狗設(shè)計(jì)方法——微處理器監(jiān)測(cè)電路和可編程看門狗定時(shí)器組合應(yīng)用?；谖⑻幚砥鞅O(jiān)測(cè)電路的硬件看門狗實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定；基于CPLD的可編程看門狗定時(shí)器具有良好的通用性、擴(kuò)展性，功能豐富且配置靈活。兩種方式可以靈活組合應(yīng)用，能夠滿足系統(tǒng)需求，有效提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

[參考文獻(xiàn)]

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[3] 劉博，強(qiáng)凱，詹思維.PowerPC數(shù)據(jù)處理模塊的看門狗設(shè)計(jì)[J].航空計(jì)算技術(shù)，2019，49（2）：105-107.

[4] 王鵬，田海波，吳科，等.自主可控DCS分散處理單元軟看門狗的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶，2023，30（4）：7-11.

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收稿日期：2024-09-03

作者簡(jiǎn)介：趙彬智（1994—），男，山西人，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用。