在由單片機構(gòu)成的微型計算機系統(tǒng)中，由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，造成程序的跑飛，而陷入死循環(huán)，程序的正常運行被打斷，由單片機控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作，會造成整個系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài)，發(fā)生不可預(yù)料的后果，所以出于對單片機運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測的考慮，便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測單片機程序運行狀態(tài)的芯片，俗稱“看門狗”（watchdog）

　　其作用是使單片機可以在無人狀態(tài)下實現(xiàn)連續(xù)工作，其工作原理是：看門狗芯片和單片機的一個I/O引腳相連，該I/O引腳通過程序控制它定時地往看門狗的這個引腳上送入高電平（或低電平），這一程序語句是分散地放在單片機其他控制語句中間的，一旦單片機由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段 進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)時，寫看門狗引腳的程序便不能被執(zhí)行，這個時候，看門狗電路就會由于得不到單片機送來的信號，便在它和單片機復(fù)位引腳相連的引腳上送出一個復(fù)位信號，使單片機發(fā)生復(fù)位，即程序從程序存儲器的起始位置開始執(zhí)行，這樣便實現(xiàn)了單片機的自動復(fù)位。

　　單片機看門狗電路的作用

　　看門狗的作用： 看門狗定時器是一個計數(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狗計數(shù)器正常工作時自動計數(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，該定時器將溢出，并將進(jìn)入中斷。在定時器中斷中執(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行期間，如期復(fù)位看門狗以保證所選擇

　　的定時溢出歸零，使處理器重新啟動。軟件的可靠性一直是一個關(guān)鍵問題。任何使用軟件的人都可能會經(jīng)歷計算機死機或程序跑飛的問題，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。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，看門狗定時器（Watchdog Timer）的利用是很有價值的。

　　現(xiàn)今市面上流行的一些單片機，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，多存在一定的誤差。一些工程師在設(shè)計的過程中，由于忽略了這一點，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)異常。MSP430系列單片機是美國德州儀器公司（TI）近幾年開發(fā)的新一代單片機，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。在眾多單片機系列中，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，以下實驗證明了這一點。實驗電路如圖1所示。

　　試驗程序清單：

　　#include《msp430x12.h》

　　void main（void）{

　　p1dir l=0x0f; //設(shè)置p1.2-.p1.0為輸出

　　for（;;）{

　　volatile unsigned int i;

　　wdtctl=wdtpw+wdtcncl;

　　//復(fù)位wdt

　　piout==0x0t;

　　i=5000;

　　do（i--）

　　while（i！=0）;

　　}}

　　上述實驗啟動后，如果程序正常運行，LED會閃爍。缺省時，MSP430的看門狗是允許狀態(tài)，所運行的程序會不斷地訪問看門狗。理論上，這個系統(tǒng)是不會發(fā)生啟動失敗的，因為即使啟動失敗，看門狗也應(yīng)該在數(shù)百毫秒內(nèi)啟動，復(fù)位整個系統(tǒng)?；谶@種思想，對單片機的復(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。

　　實驗結(jié)果與分析

　　實驗結(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替代實驗中的MSP430，啟動程序段作相應(yīng)修改時，實驗結(jié)果仍大致相同，這說明具有內(nèi)置看門狗的單片機面臨的問題是相同的。經(jīng)分析可能有如下原因：

　　①由于看門狗的時鐘不獨立，計數(shù)時鐘與系統(tǒng)為同一分頻鏈路，因此看門狗不能在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時有效運作。

　　②由于時鐘可用軟件設(shè)置，啟動失敗時，開機時鐘可能處于空檔，沒有時鐘看門狗不能生效。

　　③有些看門狗需要用軟件設(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由獨立的分頻振蕩電路提供計數(shù)脈沖。實驗電路如圖2所示。

　　上述電路中，TPS3823輸出定時溢出信號給Reset端。程序段中，CPU要不斷地通過I／O口輸出喂狗信號，使看門狗計數(shù)器清零。在此電路中重復(fù)上述試驗中K1、K2的相同動作，系統(tǒng)重啟成功率達(dá)到100%。

　　未來的內(nèi)置看門狗必須有獨立可靠的時鐘。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。

　　看門狗系統(tǒng)設(shè)計技巧

　　外部看門狗是嵌入式系統(tǒng)工程師工具箱里重要且關(guān)鍵的工具，然而為了捕捉到故障，且預(yù)防故障的發(fā)生，看們狗必須設(shè)計得當(dāng)。因此設(shè)計一個看門狗系統(tǒng)時應(yīng)考慮以下5個秘訣。

　　技巧1—監(jiān)測心跳

　　一個外部看門狗須具備的最簡單功能是監(jiān)測由主應(yīng)用處理器產(chǎn)生的一個定期“心跳（Heartbeat）”信號，以及在心跳異常時發(fā)出一個錯誤信號。心跳監(jiān)測可做為兩種不同的用途：首先，在經(jīng)過已在軟件執(zhí)行的功能檢查之后，微控制器（MCU）應(yīng)該只是生成心跳，以確保軟件的正常工作。第二，如果系統(tǒng)的實時響應(yīng)已受到損害，心跳應(yīng)該要能顯示出來。

　　為軟件功能和實時響應(yīng)監(jiān)測心跳，可透過一個使用簡單，“啞巴（Dumb）”的外部看門狗。外部看門狗應(yīng)該有沿著一個心跳必須出現(xiàn)的窗口的能力調(diào)派一個心跳周期，心跳窗口的作用是當(dāng)系統(tǒng)的實時響應(yīng)受到損害時，允許看門狗進(jìn)行檢測。而在該功能或?qū)崟r檢查失敗的情況下，看門狗會試圖透過應(yīng)用處理器的重置來恢復(fù)系統(tǒng)。

　　技巧2—采用一個低效能MCU

　　簡易基于定時器的外部看門狗可在相對低成本的狀況下監(jiān)控心跳，但這會嚴(yán)重限制看門狗系統(tǒng)的能力和恢復(fù)的可能性。其實，低效能微控制器就可以做為外部看門狗的定時器，所以何不為看門狗增添一些智能且采用微控制器呢？微控制器的固件（Firmware）可被開發(fā)用來滿足增加許多功能的心跳監(jiān)測窗口所需。

　　一個“聰明”的看門狗有時被稱為監(jiān)督者或安全看門狗，且已在不同的產(chǎn)業(yè)，如汽車領(lǐng)域?qū)嶋H使用了許多年；另外，通?；谖⒖刂破鞯目撮T狗以被主要用于安全關(guān)鍵應(yīng)用。目前開發(fā)工具已相當(dāng)可用且硬件成本也低，這樣的設(shè)計具成本效益，且在其他的應(yīng)用中亦是如此。

　　技巧3—監(jiān)督關(guān)鍵的系統(tǒng)功能

　　使用一個小微控制器作為看門狗的決定，可開啟看門狗該如何使用的無限可能。其中可賦予智能看門狗的第一個角色通常是監(jiān)督的重要系統(tǒng)功能，如系統(tǒng)電流或傳感器狀態(tài)?？撮T狗如何能監(jiān)督電流的一個例子是，采取一個電流的獨立測量，并提供監(jiān)測值給應(yīng)用處理器，之后，應(yīng)用處理器可比較看門狗與自身讀取到的數(shù)值。若是兩者之間有分歧，則系統(tǒng)將執(zhí)行故障樹（FaultTree）此一被應(yīng)用程序視為適當(dāng)?shù)姆绞健?/p>

　　技巧4—觀察一個信道

　　有時嵌入式系統(tǒng)可像個看門狗且應(yīng)用處理器也可以如期工作，但外部的檢查員是處于非響應(yīng)的狀態(tài)。在這樣的狀態(tài)下，綁定智能看門狗到一個信道如通用異步收發(fā)器（UART）是可行的。當(dāng)看門狗被連接到信道時，不僅可以監(jiān)控通道流量，還可以接收對看門狗而言的特定指令。

　　在這方面一個很好的例子是專為小型衛(wèi)星設(shè)計的看門狗，其可監(jiān)視飛行器計算機和地面基地臺間的無線電通信。如果飛行器計算機變得不響應(yīng)無線電，看門狗將接收到一個命令，然后執(zhí)行并重置飛行器計算機。

　　技巧5—考慮外部定時重置功能

　　采用一個微控制器執(zhí)行看門狗，會有額外功能增加其復(fù)雜性，以及一個新軟件單元到系統(tǒng)的設(shè)計，因此，系統(tǒng)中看門狗的問題無疑是由工程師的頭腦來監(jiān)看。在看門狗自行“放大假”的情況下，其將如何恢復(fù)？

　　選擇之一是使用前面討論的啞巴外部看門狗定時器。智能看門狗會由啞巴看門狗的定時器，使其從被重置的狀況下生成心跳；另一個選擇是讓應(yīng)用處理器的行為就像個看門狗。這里須小心思考，給予最佳的方式以確保兩個處理器如預(yù)期地保持正常狀態(tài)。

　　簡單設(shè)計確?？撮T狗可行性

　　智能看門狗的目的是監(jiān)測系統(tǒng)和主微控制器，以確保它們依預(yù)期運作。在系統(tǒng)設(shè)計中，看門狗可允許其所支持的非常多功能，開發(fā)者需要牢記，增加智能看門狗復(fù)雜度的可能性，且看門狗本身須包含潛在的故障模式和錯誤。更重要的是，看門狗的設(shè)計應(yīng)保持簡單與采用最小的必要功能集，將可確保其可被徹底測試和驗證。

　　看門狗技術(shù)及其抗干擾措施

　　隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，以MCS-51單片機為核心所構(gòu)成的單片機應(yīng)用系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，如水泥生料配料系統(tǒng)、電子皮帶秤給料控制、各種現(xiàn)場智能測量儀表等。但其工作現(xiàn)場條件惡劣，干擾多而且幅度大，嚴(yán)重影響著應(yīng)用系統(tǒng)的正常運行與可靠性，甚至使應(yīng)用系統(tǒng)計算機進(jìn)入死循環(huán)而癱瘓，通常稱為程序“跑飛”。由此引出的計算機可靠性問題，一直是人們研究的重要課題。

　　采用屏蔽、濾波、退耦、隔離、接地等措施能有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力，但很難在強干擾發(fā)生時消除因程序“跑飛”而死機情況的發(fā)生。“看門狗”技術(shù)能在程序“跑飛”時實現(xiàn)自我診斷并使系統(tǒng)恢復(fù)運行，是單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾的有力武器。當(dāng)然，它是以系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計開發(fā)的合理和成熟為條件的，否則將掩蓋系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程中的人為缺陷與不足。

　　“看門狗”技術(shù)及其對干擾的抑制

　　1、程序“跑飛”對系統(tǒng)的攻擊

　?。?）程序計數(shù)器PC的值被攻擊，成為一隨機拼合的數(shù)據(jù)。

　?。?）系統(tǒng)設(shè)置的控制字與標(biāo)志參數(shù)因“跑飛”后可能被訪問而被攻擊。

　?。?）數(shù)據(jù)存儲器RAM內(nèi)容被攻擊等。

　　2、 “看門狗”技術(shù)

　　“看門狗”源于“Watch dog、Watch dog timer”，或稱定時監(jiān)視技術(shù)，其本質(zhì)是一可復(fù)位的定時器，其原理如圖1、2所示。

　　在程序正常運行時，計算機通過程序以周期T1向定時器發(fā)送脈沖觸發(fā)定時器（或通過軟件以T1為周期初始化定時器），而由定時脈沖控制的定時器動作時間為T2（T3），在T1＜T2（T3）時，定時器不會動作，處于休眠狀態(tài)。當(dāng)計算機受到強干擾等作用破壞后，程序計數(shù)器PC中內(nèi)容不再是程序的正確代碼，而可能為一隨機拼合的數(shù)據(jù)，這樣會使取指不正確，必然導(dǎo)致程序運行混亂“跑飛”，進(jìn)入死循環(huán)而死機。反過來由于程序脫離正常循環(huán)，也使定時器觸發(fā)脈沖丟失，在經(jīng)過T2（T3）時間后，“看門狗”定時器被激活，向CPU發(fā)出Reset信號使其復(fù)位，將“跑飛”的程序從PC=0000H開始，納入正常軌道。但有些生產(chǎn)過程是不能從頭開始的，應(yīng)用程序均是一循環(huán)體，且在開始處均有初始化程序，包含各種寄存器、指針、變量、控制字等。此時狀態(tài)不能反應(yīng)“跑飛”時的狀態(tài)，有時還有人身、設(shè)備等方面的安全危險。在這種情況下，程序“跑飛”后應(yīng)設(shè)法找到出錯時的斷點，此時就可以采用二級“看門狗”的方式。由程序設(shè)計時優(yōu)先級設(shè)置為最高級的定時器一先發(fā)出中斷請求信號，CPU響應(yīng)中斷轉(zhuǎn)向中斷處理程序，進(jìn)而恢復(fù)系統(tǒng)。第二級“看門狗”電路只有在第一級未起作用時經(jīng)過T3才起動Reset信號。

　　3、 “看門狗”技術(shù)的實施方法

　?。?）在系統(tǒng)構(gòu)成時選用芯片內(nèi)帶有“看門狗”電路的單片機，如ATMEL公司的89C52等。

　?。?）選配專門的“看門狗”電路，如美國Xicor公司的X25043/45、MAXIM公司的MAX813L等，它們均可構(gòu)成獨立的“看門狗”電路。

　?。?）采用計數(shù)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、定時器等器件構(gòu)成。在圖3中用4060構(gòu)成了一個二級“看門狗”電路。

　　因/I/N/T/O中斷入口0003H處僅有0003H～000AH單元可為中斷服務(wù)程序所用，很可能容納不下中斷服務(wù)程序，故應(yīng)在其內(nèi)安排一條JMP Watch dog指令。由于“跑飛”，PC值在響應(yīng)中斷前已被破壞，在響應(yīng)中斷后，該內(nèi)容自動被壓入堆棧，故一定要用兩條POP A指令將無用內(nèi)容彈出，以便為中斷返回時由堆棧給PC賦予“跑飛”處的正確值，這一點在設(shè)計中斷服務(wù)程序時尤其要引起重視。通過對P1.0取反，恢復(fù)對4060的觸發(fā)脈沖。在中斷服務(wù)中應(yīng)安排被破壞數(shù)據(jù)的診斷、修復(fù)以及查找“跑飛”處的地址正確入口，并在返回前將其壓棧。當(dāng)執(zhí)行RETI時，“跑飛”處斷點地址入口自動彈棧到PC，恢復(fù)正常運行。P1.0取反指令在何處插入應(yīng)通過計算指令周期讓兩條CLR P1.0指令間隔小于定時器的定時時間T1＜T2，可取T2=（1.5～2）T1。

　?。?）利用8031片內(nèi)定時器/計數(shù)器 8031片內(nèi)有兩個十六位的定時器/計數(shù)器，可用定時器T0。在應(yīng)用程序?qū)0初始化時，將其定時時間T2設(shè)置得比應(yīng)用程序循環(huán)體執(zhí)行時間T1長，可取：T2=（1.5～2）T1。當(dāng)程序正常時，T0不會溢出，“跑飛”時溢出，定時器/計數(shù)器控制寄存器TCON的TF0（TCON.5）由8031內(nèi)部硬件置位TF0=1，發(fā)出中斷信號。設(shè)8031采用12MHz晶振，經(jīng)定時器內(nèi)部12分頻后得1MHz的定時時鐘，對應(yīng)定時時間1μs，最長可定時約65.5ms，如應(yīng)用程序循環(huán)時間T1=10ms，則可取T2=2T1=20ms，定時器的初值X可由下式確定：

　?。?16-X）×1μs=20ms

　　X=45536D=B1EOH

　　定時器的初始化程序：

　　MOV TLO，#OEOH

　　MOV THO，#OB1H；定時器/計數(shù)器T0寫入初值

　　MOV TMOD，#O1H；設(shè)置定時器/計數(shù)器工作方式1

　　SETB TRO；　　　起動定時器/計數(shù)器T0

　　在應(yīng)用程序的系統(tǒng)初始化時用下面指令設(shè)定T0優(yōu)先級：

　　SETB EA；　　　開放中斷

　　SETB ETO；　　允許T0中斷

　　SETB PTO；　　置T0中斷優(yōu)先級最高

　　T0中斷服務(wù)流程與/I/N/T/O中斷服務(wù)流程（見圖4）相比，其中斷入口為000BH，去掉P1.0取反的指令，其余相同?？績?yōu)先級別最高的中斷將控制權(quán)重新奪回交給CPU，使系統(tǒng)恢復(fù)正常。

　　6

　　4、 斷點的查找與恢復(fù)

　　斷點的查找與恢復(fù)是人們最關(guān)注的問題，我們的方法是擴展一外部數(shù)據(jù)存儲器，用以存儲“跑飛”前斷點（或接近斷點）的PC之值以及一些重要的變量、指針及控制字的值。利用正常工作時P1.0向“看門狗”發(fā)送的觸發(fā)脈沖經(jīng)反向、延時等作為外部擴展RAM的片選信號以T1為周期定時對外部RAM中內(nèi)容進(jìn)行刷新。當(dāng)“跑飛”后因觸發(fā)脈沖丟失而避免了外部RAM被攻擊，保證其內(nèi)容的可靠性。隨著T1的減少，被恢復(fù)的值就愈趨近斷點值，但要非常準(zhǔn)確找到斷點，還值得人們研究。在中斷響應(yīng)時由于P1.0恢復(fù)了輸出觸發(fā)脈沖，故可將斷點值讀出。

　　結(jié)束語

　　“看門狗”是對付“跑飛”的有力手段，在生產(chǎn)過程中由于特定的生產(chǎn)條件使得“看門狗”技術(shù)有其相當(dāng)?shù)淖饔?。我們在對某水泥廠微機配料系統(tǒng)的技術(shù)改造過程中采用了二級“看門狗”技術(shù)，該系統(tǒng)運行兩年多來經(jīng)受住了各種強干擾的考驗，取得了令人滿意的效果。

　　對于“跑飛”后的診斷、恢復(fù)，尤其是如何更準(zhǔn)確地找到程序“跑飛”斷點，對被損數(shù)據(jù)加以恢復(fù)等方面盡管有許多軟件可以利用，但還是值得人們多加關(guān)注的問題。