就像一只住在名媛手提包中叫不停的小狗，看門狗定時器(watchdog timer)也時常被認為是不必要的多此一舉。然而，若將兩者一視同仁，是對看門狗的極大侮辱。不同于「手提包小狗」，看門狗具有關鍵的監(jiān)控功能，能夠幫助您監(jiān)控系統(tǒng)里外的故障情形，并在故障發(fā)生時采取行動。

什么是看門狗定時器？

簡單來說，看門狗定時器是一種若在特定時間范圍內(nèi)未從處理器接收到周期性脈沖訊號，就會發(fā)出重設輸出訊號的裝置。其中一種應用這種裝置的方法，是透過來自處理器的數(shù)字訊號輸出(GPIO)回饋給外部看門狗定時器的看門狗輸入(WDI)，如圖1所示。TPS3851便是具有整合看門狗定時器的監(jiān)控器，能夠監(jiān)控微控制器的電源軌，并透過外部方式監(jiān)控從微控制器(MCU)發(fā)出的數(shù)字脈沖。

圖1 TPS3851所提供的看門狗監(jiān)控。

處理器周期性地向看門狗定時器發(fā)送一個脈沖，以表示系統(tǒng)軟件的正常運作。若看門狗定時器在規(guī)定的時間范圍(稱為看門狗超時)內(nèi)未接收到此脈沖，看門狗定時器將發(fā)出重設輸出訊號。該重設輸出訊號可以用于通知系統(tǒng)處理器出現(xiàn)了停機或凍結(jié)的情況，或重設處理器本身。圖2所示為在看門狗超時期間內(nèi)接收的脈沖，以及在超過看門狗超時之后所接收的脈沖。

圖2 標準看門狗定時器的運作。

為何看門狗定時器如此重要？

看門狗定時器提供一種警報系統(tǒng)的機制，或重設一個軟件歷經(jīng)凍結(jié)或停機的處理器。盡管沒有人會刻意設計會凍結(jié)的軟件，但優(yōu)秀的系統(tǒng)設計人員還是會為故障做準備——因為未雨綢繆總是好的。若缺少這種監(jiān)控，處理器可能會無限期地凍結(jié)，并導致更多的系統(tǒng)故障。像是TPS3851具有可調(diào)整超時間間隔的外部看門狗定時器，能夠在幾毫秒內(nèi)辨識這些軟件凍結(jié)，并適當?shù)刂卦O系統(tǒng)或處理器。因為要手動重設這些系統(tǒng)是不實際、甚至幾乎是不可能的，因此這項功能在嵌入式或遠程系統(tǒng)中更有其必要性。

如何在嵌入式系統(tǒng)運用看門狗定時器？

有兩種主要的方式能夠來實作看門狗定時器：

---使用具有整合看門狗功能的處理器。許多微控制器如MSP430F5529系列具有整合看門狗的功能。它的價值在于非常容易實作，且不需要使用其他IC。然而，有一個重要的告誡：由于程序代碼問題而導致的MCU故障可能無意中使看門狗定時器喪失功用，因此整合看門狗可能不會總是按預期的方式運作。同樣地，雖然軟件以內(nèi)部看門狗能夠偵測所有凍結(jié)或停機的方式編寫，但是，采取額外的步驟以冗余方式監(jiān)控看門狗輸入可以幫助解決程序代碼中不可預見的錯誤。

---使用具有看門狗定時器的電壓監(jiān)控器。像是TPS3851或TPS3110具有看門狗定時器功能的監(jiān)控器能夠以外部冗余方式監(jiān)控電源電壓和看門狗訊號。若處理器的內(nèi)部看門狗未能偵測到錯誤或缺失的脈沖，外部看門狗定時器將能發(fā)揮其他方式無法達到的偵測層級。

原則上，看門狗定時器的功能不會過于復雜；然而，其在維持系統(tǒng)可靠性的重要性也不容小覷，尤其是在系統(tǒng)發(fā)生錯誤、但是人為的系統(tǒng)重設是困難甚至是不能實現(xiàn)的情況下。

探索看門狗定時器的應用

接下來，本文將說明為什么應該在應用中使用看門狗定時器、窗口式看門狗定時器如何運作，以及看門狗定時器的一些特性，如何讓它們成為許多不同應用的絕佳附加功能。

為什么要應用中使用看門狗定時器？

看門狗定時器在許多應用中都占有一席之地，如無人機、電網(wǎng)計量、馬達控制…等。對于這些不同的應用，看門狗定時器提供相同的基本功能：透過對處理器的監(jiān)控偵測出錯誤運作并發(fā)出相應的訊號。

然而，監(jiān)控的使用可能依據(jù)應用類型而有所不同。例如，期望有人能夠在距離地表幾百英呎的無人機中手動重設其處理器是不切實際的。在智慧儀表中，同樣的問題可能導致裝置無法讀取或記錄信息，位于遠程位置的儀表和傳感器也會遇到軟件故障的狀況，導致系統(tǒng)無法讀取和記錄信息，并且也沒有人能夠手動重設的情形。控制馬達和其他機械零組件的系統(tǒng)中的程序代碼故障尤其令人緊張，因為這些系統(tǒng)的故障可能對正在操作和在附近的人員造成身體上的傷害。好在使用看門狗定時器可以增加冗余來攔截這些錯誤，有助于防止這些問題的發(fā)生。

窗口式看門狗定時器如何運作？

圖3所示的窗口式看門狗定時器是一種特殊的看門狗定時器，其不僅監(jiān)控在看門狗超時結(jié)束(即看門狗上部邊界)前處理器所發(fā)送的訊號是否失敗，它還能監(jiān)控處理器是否在看門狗超時窗口開始前發(fā)送看門狗輸入端(WDI)訊號(即看門狗下部邊界)。此功能如圖4所示。

圖3 監(jiān)控微控制器的窗口式看門狗定時器。

圖4 窗口式看門狗功能。

不同于只檢查脈沖是否在超時結(jié)束前抵達的標準看門狗定時器。監(jiān)控早期WDI訊號能夠偵測并制止不理想的超頻，是相當有用的功能。

看門狗定時器的附加功能有哪些？

窗口式看門狗定時器只是看門狗定時器眾多功能中的一種附加功能。幾個其他附加功能能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)健性和功能性：

---可調(diào)整式看門狗超時：不同的系統(tǒng)和應用對于其WDI訊號需要不同的超時周期。外部電容和SET接腳可以用在看門狗超時中幾毫秒到1分鐘不等的調(diào)整。

---看門狗定時器的關閉功能：有些看門狗定時器能夠透過接腳在裝置上的使用而被關閉。這在系統(tǒng)初始化和除錯的過程中，不想重設處理器時非常實用。