嵌入式开发中的软、硬件看门狗

本文从原理、异同、举例来说明硬件软件看门狗怎么选择：

一、 硬件看门狗的原理
硬件看门狗是利用一个定时器电路，其定时输出连接到电路的复位端，程序在一定时间范围内对定时器清零(俗称“喂狗”)，因此程序正常工作时，定时器总不能溢出，也就不能产生复位信号。
如果程序出现故障，不在定时周期内复位看门狗，就使得看门狗定时器溢出产生复位信号并重启系统。
我们以ADI公司的ADM6316看门狗芯片为例。

图1 ：看门狗芯片功能框图

该看门狗芯片的主要功能有：
1. 可以监控主电源VCC，26种复位阈值选项：2.5 V至5 V，以100 mV递增;
2. 4种复位延迟选项：1 ms、20 ms、140 ms、1120 ms（最小值）;
3. 4种看门狗喂狗超时选项：6.3 ms、102 ms、1600 ms、25.6 s（典型值）;
4. 支持手动复位输入;
5. 复位输出级：推挽低电平有效,开漏低电平有效,推挽高电平有效;
复位功能说明：
该芯片内置复位功能。设备上电时，芯片的VCC电压一旦到达开启阈值电压Vth，延迟定时器启动，经过延迟时间Trp，复位信号RESET或者/RESET即可输出，实现设备的延迟上电复位；芯片同时会监测VCC的电压，一旦VCC跌落到Vth以下，经过延迟时间Rrd后，复位信号输出电平翻转，实现设备的复位。

图2 ：复位功能时序图

看门狗功能说明：
该芯片内置看门狗功能，设备上电时，芯片的VCC电压一旦到达开启阈值电压Vth，延迟定时器启动，经过延迟时间Trp，复位信号RESET或者/RESET即可输出，实现设备的延迟上电复位；当喂狗信号WDI收到第一个脉冲电平时，就出发芯片内部的定时器，软件必须在Twd时间内输出喂狗信号WDI，否则复位信号/RESET将会在定时时间TWd到达时，进行复位，设备重新复位。

图3：看门狗功能时序图

二、 软件看门狗的原理
软件看门狗原理上一样，只是将硬件电路上的定时器用处理器的内部定时器代替，这样可以简化硬件电路设计，一般是将一个芯片中的定时器来作为看门狗，通过程序的初始化，写入初值，并启动定时器。程序按时对定时器赋初值（或复位），以免它饿了。
这种看门狗是可以被禁用的（只要停止这个定时器即可），好比对那只要咬你的狗来个“葵花点穴手”， 大部分CPU都内置看门狗，硬件原理可参考各芯片数据手册。
优点：可以通过程序改变初始时间，也可以随时禁用。
缺点：需要初始化，如果程序在初始化、启动完成前跑飞或在禁用后跑飞，看门狗就无法复位系统，这样看门狗的作用就没有了，系统恢复能力降低。

图4：软件看门狗功能示意图

三、 软、硬件看门狗的主要异同
学习了上述的软硬件看门狗，我们总结一下两者的异同。
两者相同点如下：
1) 都是通过定时器实现；定时时间到没有喂狗就进行复位。
2) 都是需要在规定的时间内喂狗。
3) 两者都是靠软件进行喂狗。
两者的主要差异如下：
1) 附加功能：硬件看门狗芯片一般还附带了延迟复位和电源检 测的功能，软件则没有。
2) 屏蔽方法：软件看门狗很容易屏蔽关闭，只需修改其中的寄存器，而硬件看门狗一旦启动不断电就停不下来。
3) 启动方式：软件看门狗很容易启动，只需修改其中的寄存器。硬件一般是收到第一个喂狗信号后就启动。
4) 初始化：硬件看门狗上电后收到第一个喂狗脉冲就完成了初始化，软件看门狗则需要配置相关的寄存器（或者调用相关的看门狗子程序）。

四、 一个软件看门狗搞不定的案例
项目组研发一款户外远程采集器，应用场景包括偏僻的郊外，对可靠性要求很高，出现故障后或者远程升级后能够自动复位重启。为了节省成本，该产品采用主芯片内置的看门狗功能。主芯片其他资源初始化完成后，再初始化看门狗功能。产品批量后，远程升级过程中，大概有5%的概率设备升级后变砖，需要人工断电后再上电才能恢复正常。
经过研发人员分析，软件的看门狗的流程如下图，一小部分设备，在升级程序过程，出现了死机的问题，程序还没有运行到初始化看门狗的阶段，看门狗无法生效，导致设备处于一直死机的状态，人工断电重启后恢复正常。

图5：软件看门狗流程图

经过改良升级，研发人员使用了硬件看门狗，上电瞬间就依赖上拉电阻形成的高脉冲开启看门狗，看门狗的延迟最迟喂狗时间为1.8S，评估升级+初始化时间最迟为1.2S，所以该看门狗芯片满足要求，一旦1.8S内应用程序还无法喂狗，则复位重启，问题得以解决。

图6：硬件看门狗流程图

五、 总结
软件和硬件的看门狗的最主要差异在于开启看门狗的时机，软件看门狗必须初始化（配置）看门狗才能使用，如果软件看门狗是厂商提供的SDK中的一个API接口，开发者又没有能力修改底层的uboot、内核，无法在uboot、内核阶段开启和喂狗，开启看门狗的时机就很晚了，程序就有可能还没有跑到看门狗初始化就挂了，中间的各种幺蛾子都不受控，就像上述的案例。
而硬件看门狗开启则不受软件的约束，设备上电就可以依赖上拉电阻提供的高脉冲开启看门狗，只要软件不及时喂狗，就复位，这个是无条件的。所谓一分钱一分货，在电子产品也是适用的。
当然，如果你能说服驱动工程师，能够在主芯片上电第一时间，就初始化和开启软件看门狗，理论上，软件看门狗也可以做的和硬件看门狗一样可靠。