MCU：STM32 - WatchDog - 世界尽头号

WatchDog 简介

在 MCU 中，看门狗（WatchDog）就是定期的查看芯片内部的情况，一旦发生错误就向芯片发出重启信号的电路。看门狗命令在程序的中断中拥有最高的优先级。防止程序跑飞。也可以防止程序在线运行时候出现死循环。

基本原理

看门狗是一种监控系统的运行状况的手段，通过软硬件结合的方式实现对系统运行状况的监控。稳定运行的软件会在执行完特定指令后进行喂狗，若在一定周期内看门狗没有收到来自软件的喂狗信号，则认为系统故障，会进入中断处理程序或强制系统复位。系统上电后根据不同的工作模式可以选择使能看门狗的时机，若看门狗被使能则计数器开始计数，如果在设定的时间内没有及时喂狗则会发生看门狗超时。看门狗主要由寄存器、计数器和狗叫模块构成:通过寄存器对看门狗进行基本设置，计数器计算狗叫时间，狗叫模块决定看门狗超时后发出的中断或复位方式。

STM32 WatchDog

STM32 系列芯片通常内置了两个看门狗定时器：独立看门狗（IWDG）和窗口看门狗（WWDG），以提供可靠的系统保护。

IWDG

独立看门狗（IWDG）是STM32中常用的看门狗，它是一个独立的硬件模块，可以在系统内部独立运行。通过配置IWDG定时器的计数器和预分频器，可以设置看门狗的定时时间。当看门狗定时器计数器达到预设的值时，会产生看门狗超时事件，触发系统复位。

WWDG

窗口看门狗（WWDG）是另一种类型的看门狗，它允许在特定的时间窗口内更新计数器值，以避免触发复位。WWDG可以通过设定窗口和计数器的值来进行配置，并在每次更新计数器时，确保计数器值位于设定的窗口范围内。如果计数器超出窗口范围，将触发看门狗复位。

为什么需要看门狗？

防止系统死锁：在某些情况下，嵌入式系统可能会陷入无限循环或死锁状态，导致系统停止响应。看门狗能够监测系统的运行状态，如果系统在预定的时间内没有及时更新看门狗定时器，就会触发复位操作，使系统重新启动并恢复正常运行。
处理软件故障：在开发嵌入式软件时，可能会出现编程错误、内存溢出、任务优先级错误等问题，导致系统运行不正常。看门狗可以监测系统是否持续运行，并在软件故障时进行复位，以恢复系统到初始状态。
应对外部干扰：嵌入式系统可能受到外部干扰，如电源波动、电磁干扰等。这些干扰可能导致系统崩溃或运行不正常。看门狗可以检测这些异常情况，并在系统无响应时采取措施，以确保系统的稳定性和可靠性。
提高系统可靠性：通过引入看门狗，系统可以在出现故障时自动恢复，减少系统停机时间。这对于需要连续运行和高可靠性的应用非常重要，如工业控制、汽车电子、医疗设备等领域。

IWDG 功能框图剖析

独立看门狗时钟

独立看门狗的时钟由独立的 RC振荡器 LSI提供，即使主时钟发生故障它仍然有效，非常独立。LSI的频率一般在 30~60KHZ之间，根据温度和工作场合会有一定的漂移，我们一般取 40KHZ，所以独立看门狗的定时时间不一定非常精确，只适用于对时间精度要求比较低的场合。

计数器时钟

递减计数器的时钟由 LSI经过一个 8位的预分频器得到，我们可以操作预分频器寄存器 IWDG_PR 来设置分频因子，分频因子可以是：[4,8,16,32,64,128,256,256]：

分频因子 $=4 * 2^PRV$
计数器时钟 $CK_CNT= 40/ (4 * 2^PRV)$ ，一个计数器时钟，计数器就减一。
例如， $PRV=3$ ， $\text{分频因子}=4 * 2^PRV=4 * 2^3=32$ ，正对应 IWDG_PR 里 PR[2:0]=011 。

计数器

独立看门狗的计数器是一个 12 位的递减计数器，最大值为 0XFFF，当计数器减到 0时，会产生一个复位信号:IWDG_RESET，让程序重新启动运行，如果在计数器减到 0 之前刷新了计数器的值的话，就不会产生复位信号，重新刷新计数器值的这个动作，我们俗称喂狗。

重装载寄存器IWDG_RLR

重装载寄存器是一个12位的寄存器，里面装着要刷新到计数器的值，这个值的大小决定着独立看门狗的溢出时间，取值范围为：0-0XFFF。超时时间 Tout = (4 * 2^prv) / 40 * rlv =（分频因子 /40） * rlv，单位是ms，prv是预分频器寄存器的值，rlv是重装载寄存器的值。

键值寄存器

键值寄存器IWDG_KR可以说是独立看门狗的一个控制寄存器，主要有三种控制方式，往这个寄存器写入下面三个不同的值有不同的效果。

通过往键值寄存器写 0XCCC 来启动看门狗是属于软件启动的方式，一旦独立看门狗启动，它就关不掉，只有复位才能关掉。

状态寄存器

状态寄存器 SR只有位 0：PVU和位 1：RVU有效，这两位只能由硬件操作，软件操作不了。RVU：看门狗计数器重装载芯河半导体值更新，硬件置 “1”表示重装载值的更新正在进行中，更新完毕之后由硬件清零。PVU: 看门狗预分频值更新，硬件置“1”指示预分频值的更新正在进行中，当更新完成后，由硬件清零。所以只有当 RVU/PVU等于 0 的时候才可以更新重装载寄存器/预分频寄存器。

IWDG 操作

设置好看门狗的计数值，如果计数到0，则产生复位，但是程序在Systick的中断处理函数中通过不断的对看门狗计数器重新写计数值，从而避免了程序复位。否则，会导致独立看门狗计数到0，程序复位（从头开始运行）。

STM32CubeMX 配置与代码应用

打开 STM32CubeMX 软件，创建或打开工程项目。
在 Pinout & Configuration 界面中，展开 “System Core” 选项，并选择 IWDG 或 WWDG。
配置看门狗的参数，包括计数器时钟分频器（counter clock prescaler）、递减计数器重新加载值（down-counter reload value）等。

通常在 Main.c 文件中的 While 主循环中添加如下语句，进行喂狗操作：

while (1)
{
    HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);   // 重载看门狗计数器，俗称 "喂狗"，以防止看门狗超时复位系统
    /* USER CODE END WHILE */
    /* 在此进行其他任务的代码编写即可，
    请注意看门狗的刷新时间与其他代码的工作时间之间的配置，
    防止过于频繁复位或长时间不刷新喂狗。 */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
}