引 言

　　軟件的可靠性一直是一個(gè)關(guān)鍵問題。任何使用軟件的人都可能會經(jīng)歷計(jì)算機(jī)死機(jī)或程序跑飛的問題，這種情況在嵌入式系統(tǒng)中也同樣存在。由于單片機(jī)的抗干擾能力有限，在工業(yè)現(xiàn)場的儀器儀表中，常會由于電壓不穩(wěn)、電弧干擾等造成死機(jī)。在水表、電表等無人看守的情況下，也會因系統(tǒng)遭受干擾而無法重啟。為了保證系統(tǒng)在干擾后能自動恢復(fù)正常，看門狗定時(shí)器（Watchdog Timer）的利用是很有價(jià)值的。

　　1 看門狗的作用

　　看門狗定時(shí)器是一個(gè)計(jì)數(shù)器，基本功能是在發(fā)生軟件問題和程序跑飛后使系統(tǒng)重新啟動?？撮T狗計(jì)數(shù)器正常工作時(shí)自動計(jì)數(shù)，程序流程定期將其復(fù)位清零，如果系統(tǒng)在某處卡死或跑飛，該定時(shí)器將溢出，并將進(jìn)入中斷。在定時(shí)器中斷中執(zhí)行一些復(fù)位操作，使系統(tǒng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，即在程序沒有正常運(yùn)行期間，如期復(fù)位看門狗以保證所選擇的定時(shí)溢出歸零，使處理器重新啟動。

　　2 看門狗問題及相關(guān)實(shí)驗(yàn)

　　現(xiàn)今市面上流行的一些單片機(jī)，多嵌有內(nèi)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(nèi)部看門狗在工作時(shí)，多存在一定的誤差。一些工程師在設(shè)計(jì)的過程中，由于忽略了這一點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)異常。MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器公司（TI）近幾年開發(fā)的新一代單片機(jī)，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(jī)。在眾多單片機(jī)系列中，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為一顆耀眼的新星。其內(nèi)部自帶看門狗及復(fù)位電路，理論上如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。但在實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)看門狗的作用并非萬無一失，以下實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。

　　實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。

　　實(shí)驗(yàn)程序清單：

　　#include

　　void main（void）{

　　P1DIR l=0x0f; ／／設(shè)置P1．2～P1．0為輸出

　　for（;;）{

　　volatile unsigned int i;

　　WDTCTL=WDTPW+ WDTCNTCL;

　　／／復(fù)位WDT計(jì)數(shù)器

　　PIOUT==0x0t; ／／P1．0～P1．2相互異或

　　i=5000; ／／延時(shí)

　　d0（i--）;

　　while（i！=0）;

　　}

　　}

　　上述實(shí)驗(yàn)啟動后，如果程序正常運(yùn)行，LED會閃爍。缺省時(shí)，MSP430的看門狗是允許狀態(tài)，所運(yùn)行的程序會不斷地訪問看門狗。理論上，這個(gè)系統(tǒng)是不會發(fā)生啟動失敗的，因?yàn)榧词箚邮?，看門狗也應(yīng)該在數(shù)百毫秒內(nèi)啟動，復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)?；谶@種思想，對單片機(jī)的復(fù)位進(jìn)行測試。K2斷開，用K1連續(xù)產(chǎn)生。Reset信號，測試看門狗使系統(tǒng)重啟的成功率。K2閉合，則reset端高電平，理論上K1不能有效產(chǎn)生復(fù)位脈沖，觀察看門狗是否起作用。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：K2斷開，連續(xù)開關(guān)K1，上電重啟系統(tǒng)，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(xù)開關(guān)K1，平均18次失敗1次（LED不閃），且一旦失敗，將連續(xù)失敗下去，看門狗無效率占到了約5．5%。

　　另外，當(dāng)采用同樣具有內(nèi)置看門狗的其他系列單片機(jī)替代實(shí)驗(yàn)中的MSP430，啟動程序段作相應(yīng)修改時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍大致相同，這說明具有內(nèi)置看門狗的單片機(jī)面臨的問題是相同的。經(jīng)分析可能有如下原因：

　?、儆捎诳撮T狗的時(shí)鐘不獨(dú)立，計(jì)數(shù)時(shí)鐘與系統(tǒng)為同一分頻鏈路，因此看門狗不能在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)有效運(yùn)作。

　?、谟捎跁r(shí)鐘可用軟件設(shè)置，啟動失敗時(shí)，開機(jī)時(shí)鐘可能處于空檔，沒有時(shí)鐘看門狗不能生效。

　?、塾行┛撮T狗需要用軟件設(shè)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(zhuǎn)到隨機(jī)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(fù)位作保證的，因此，從理論上講，原設(shè)計(jì)存在著不合理性?；谏鲜龇治?，采用片外看門狗專用芯片TPS3823由獨(dú)立的分頻振蕩電路提供計(jì)數(shù)脈沖。實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。

　　上述電路中，TPS3823輸出定時(shí)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(jì)數(shù)器清零。在此電路中重復(fù)上述試驗(yàn)中K1、K2的相同動作，系統(tǒng)重啟成功率達(dá)到100%。

　　結(jié) 語

　　未來的內(nèi)置看門狗必須有獨(dú)立可靠的時(shí)鐘。系統(tǒng)上電后，看門狗即為允許狀態(tài)，無需軟件設(shè)置，它只能被外部硬件跳線或內(nèi)部熔絲（fuse）所禁止。目前，如果要求設(shè)計(jì)可靠性較高的嵌入式系統(tǒng)，外置看門狗是必須考慮的。內(nèi)置看門狗的另一問題是系統(tǒng)復(fù)位后，程序應(yīng)判斷是由Reset端正常上電復(fù)位，還是程序跑飛看門狗所致，由此確定現(xiàn)場數(shù)據(jù)是否應(yīng)該保留。這也是在看門狗應(yīng)用中所應(yīng)考慮的。

　　作者：上海電機(jī)學(xué)院 章銳