干货分享 |  硬件和软件看门狗的异同

阿甘 2019-03-06 17:13:00

说到提高系统的可靠性,刚入门的工程师都知道,增加一个看门狗是重要的手段。看门狗又分软件看门狗和硬件看门狗,但是很多人可能没有深入了解其中的区别,工作中可能都遇到这样的PK:




A


这个主芯片已经内置看门狗了,把外置的硬件看门狗干掉,给我省一块钱。


B


为什么我的程序已经有软件看门狗了,出现严重故障还不复位。


C


都是你这个硬件看门狗,把我程序重启了,我要把你屏蔽了。

软件和硬件看门狗什么区别?

学完这篇文章,上述的问题就迎刃而解了。


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、 软件看看看门狗的原理

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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