一种嵌入式计算机系统的看门狗设计

刘宵辰，赵 刚，刘卫华

(航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)

0 引言

看门狗机制在嵌入式计算机系统中应用十分普遍，在嵌入式计算机系统中，看门狗通常用来监控处理器芯片的工作状态，防止处理器芯片工作异常从而导致系统出现故障，提高了嵌入式计算机产品的可靠性和安全性[1]。

看门狗机制可以通过软件或硬件的方式实现，在一定的时间周期内监控系统运行的情况，若系统在规定的时间周期内没有发出触发信号，则看门狗会强制系统复位，以保证系统即使受到干扰仍能够恢复正常工作[2]。看门狗的工作流程如图1所示。

图1 看门狗工作流程

看门狗电路通常应具备的功能有：使能、禁止、喂狗、狗叫中断、复位。当处理器芯片程序正常运行时，在小于狗叫时间间隔内，处理器输出一个喂狗信号，看门狗就不会产生狗叫复位信号或者中断信号。当程序执行异常时，处理器无法在小于狗叫时间间隔内输出喂狗信号，则看门狗产生狗叫复位信号或中断信号，进而使处理器发生复位或中断，最终可使处理器软件从起始位置开始执行，使软件恢复正常。软件看门狗电路集成在处理器的内部，此类看门狗虽然方便设计，但很容易失效，会发生看门狗无法启动的情况。软件看门狗失效的主要原因有：1) 很多处理器自带的看门狗需要将相应的寄存器进行配置后才能启动，若因为程序跑飞无法对寄存器进行配置，看门狗就无法启动，从而发生看门狗失效；2) 若程序执行异常，进入了死循环，但是这个死循环中却包含了喂狗操作，则看门狗不会狗叫、系统无法复位，看门狗发生失效[3]；3) 硬件损坏，在运行过程中处理器硬件发生损坏也会造成看门狗失效。一些硬件看门狗电路将RESET引脚连接到处理器的复位引脚上，当狗叫发生后，系统无法记录狗叫发生的时机，不利于故障分析。

本文设计了一种看门狗机制，采用看门狗芯片结合处理器实现，既能实现系统监控，还能对狗叫的时刻进行信息记录，通过分析记录的信息有助于故障定位[4]。

1 方案设计

1.1 基本电路

基本电路如图2所示。复位芯片的RESET引脚连接至处理器的复位引脚，WDI引脚与处理器任意一个I/O引脚(如GPIO5)相连，MR引脚与处理器另一I/O引脚(如GPIO6)连接，WDO引脚接入处理器的非屏蔽中断(NMI)输入引脚。当处理器定时翻转GPIO5引脚的高低电平，可实现看门狗芯片的喂狗操作，看门狗芯片不会发出复位信号。当处理器的程序跑飞，出现“死机”等异常情况的时候，处理器无法完成定时喂狗操作，看门狗芯片的WDO引脚将输出一个低电平信号，该低电平将触发处理器的非屏蔽中断。处理器在中断服务程序中可对此次中断进行信息记录，比如将中断发生的时间记录至NVRAM或FLASH中，还可以记录中断发生的总次数。处理器记录完信息后，将GPIO6输出一个低电平，触发看门狗芯片的手动复位功能，看门狗芯片RESET引脚产生复位信号，完成处理器的复位。

图2 看门狗电路

1.2 处理器中断服务程序设计

处理器中断服务程序所做的工作有如下三点：

1) 从NVRAM或FLASH中读取处理器进入非屏蔽中断的次数，将该次数加1后，将新的次数重新写入NVRAM或FLASH中，此外将中断发生的时间记录到NVRAM或FLASH中；

2) 实现一次看门狗喂狗操作；

3) 将指定的GPIO引脚输出一个低电平。

具体流程见图3。

图3 处理器中断服务程序流程框图

2 结语

本文设计的看门狗机制，将看门狗芯片与处理器进行了结合，不但能实现看门狗功能，避免了单一采用软件看门狗易出现看门狗失效的问题，还能对狗叫的时刻进行信息记录，通过分析记录的信息将有助于故障定位。此看门狗电路实际测试功能符合设计要求，可提高系统的安全性和可靠性，已经在实际项目中广泛使用，对其他类似的看门狗机制设计具有借鉴意义。

[1] 施伟,刘建辉.看门狗在实际应用中的问题分析及对策研究[J].世界科技研究与发展,2009,31(5):842-843.

[2] 贾鹏,曾少航,贾秀玲.M054硬件看门狗重启记录设计与应用[J].工业控制计算机,2019,32(6):63-64.

[3] 谷智明.新型纯硬件看门狗电路设计分析研究[J].无线互联科技,2019,16(7):121-122.

[4] 刘博,强凯,詹思维.PowerPC数据处理模块的看门狗设计[J].航空计算技术,2019,49(2):105-107.

[5] 胡瑞忠.英飞凌XC2336B单片机看门狗编程——基于DAVE2.0平台[J].山西电子技术,2014(6):59-60.

[6] 杜璧秀.基于DSP2812的“看门狗”设计[J].数字技术与应用,2015(1):153-153.