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。
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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。
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