STM32—WDG看门狗

1.WDG简介

WDG（Watchdog）看门狗
看门狗可以监控程序的运行状态，当程序因为设计漏洞、硬件故障、电磁干扰等原因，出现卡死或跑飞现象时，看门狗能及时复位程序，避免程序陷入长时间的罢工状态，保证系统的可靠性和安全性
- 比如硬件故障，我们想读取传感器的数据，结果传感器坏了，总是死等，那程序不就卡死了嘛
- 电磁干扰，这个一般出现在恶劣的环境中，我们都知道，很强的电磁干扰可能会让这些电子元器件失灵，也就是程序跑飞现象，程序不知道跑到哪个奇怪的地方了，那假设你的设备遇到了一阵强电磁干扰，有看门狗的话，干扰过后程序复位，回到证轨，没有看门狗的话，可能受到干扰，程序就永远地卡死在某个地方了
- 对于硬件故障，如果是关键的设备故障，复位也没用的话那看门狗也无法力挽狂澜，因为看门狗就是简单地复位一下
- 对于程序设计漏洞，这里主要针对的是无法预料的漏洞，而不是说，我有看门狗了，我就在程序中，写大量的死循环或者不规划程序，到处跳来跳去，然后卡死了，就用看门狗来托底，这样不太好
看门狗本质上是一个定时器，当指定时间范围内，程序没有执行喂狗(重置计数器)操作时，看门狗硬件电路就自动产生复位信号
STM32内置两个看门狗
- 独立看门狗（IWDG）：独立工作，对时间精度要求较低
  - 独立看门狗(Independent WDG)，独立运行，就是独立看门狗的时钟是专用的LSI，内部速时钟，即使主时钟出现问题了，看门狗也能正常工作，对时间精度要求较低，就是独立看门狗只有一个最晚时间界限，你喂狗间隔只要不超过这个最晚界限就行了，你说我很快地喂，疯狂地喂，连续不断地喂，那都没问题
- 窗口看门狗（WWDG）：要求看门狗在精确计时窗口起作用
  - 喂狗的时间有个最晚的界限，也有个最早的界限，必须在这个界限的窗口内喂狗，这也是窗口看门狗，窗口，的得名原因，因为对于独立看门狗来说，可能程序就卡死在喂狗的部分了或者程序跑飞，但是喂狗代码也意外执行了，或者程序有时候很快喂狗，有时候又比较慢喂狗，那这些状态，独立看门狗就检测不到了，但是，窗口看门狗是可以检测到这些问题的，因为它对喂狗的时间窗口，可以卡的很死，快了，慢了，都不行，最后，窗口看门狗使用的是APB1的时钟，它没有专用的时钟，所以不算是独立

2.独立看门狗 IWDG

2.1 IWDG框图

与定时器时基单元相似，具有预分频器、计数器、重装寄存器

预分频器之前输入时钟，是LSI，内部低速时钟，时钟频率为40KHZ，之后，时钟进入预分频器进行分频，这个预分频器只有8位，所以它最大只能进行256分频，上面这个预分频寄存器IWDG_PR，可以配置分频系数，这个PR和定时器的PSC是一个意思，它们都是Prescaler的缩写，之后后面，经过预分频器分频之后，时钟驱动递减计数器每来一个时钟，自减一个数，另外这个计数器是12位的，所以最大值是2^12-1=4095，然后，当自减到0之后，产生IWDG复位，正常运行时，为了避免复位呢，我们可以提前在重装载寄存器写一个值，IWDG_RLR，和定时器的ARR是一样的，RLR是Reloader，ARR是Auto Reloader，那当我们预先写好值之后，在运行过程中，我们在这个键寄存器里，写一个特定数据，控制电路，进行喂狗，这时重装值，就会复制到当前的计数器中，这样计数器就会回到重装值，重新自减运行了，然后，这里有个状态寄存器SR，这就是标志电路运行的状态了，其实这个SR里没什么东西就只有两个更新同步位

上面这些寄存器，位于1.8V供电区，下面主要的工作电路，都位于VDD供电区，所以下面写了看门狗功能处于VDD供电区，即在停机和待机模式时仍能常工作，一节我们也说过，独立看门狗，也是唤醒待机模式的四个条件之一

2.2 IWDG键寄存器

为什么能降低干扰呢？你看，独立看门狗工作的环境是什么?是程序可能跑飞，可能受到电磁干扰，程序做出任何操作都是有可能的，如果你只在奇存器中设置一个位，那这一位就有可能会在误操作中变成1，或者变成0，这个概率是比较大的，所以单独设置1位就来执行控制在这里比较危险，这时，我们就可以通过在整个寄存器写入一个特定值，来代替写入一个位的操作，比如，这里键寄存器是16位的，只有在键寄存器写入0xAAAA，这个特定的数，才会执行喂狗操作，这样就会降低误操作的概率，比如这时程序跑飞，胡乱地设置各个寄存器，键寄存器也受到了影响，它可能会变成0000 FFFF 1234等等等等，它可以随机变为任何数，但是它恰好变成0XAAAA这个数概率是非常小的

但是这里，还有PR、SR、和RLR三个寄存器，它们也要有防止误操作的功能，SR是只读的，这个不用保护，剩下的，对PR和RLR的写操作，可以设置一个写保护措施，然后只有在键寄存器写入5555，才能解除写保护，一旦写入其他值，PR和RLR再次被保护，这样PR和RLR，就跟随键寄存器一起被保护了起来，防止误操作，这就是键寄存器设计的用途

2.3 IWDG超时时间

独立看门狗的超时时间也就是定时器的溢出时间，上面这个公式，用的是时间计算，你用频率计算，也是一样的，超时频率，就等于LSl的频率/预分频/重装值，对应定时器的话，就是72M/(PSC+1)/(ARR+1)

那这里通过时间计算呢，LSl是输入时钟，40KHZ，FLSI就是40K，TLSI就是周期，等于40K分之一，1/40k=0.025ms，所以这里是0.025ms，每隔0.025ms，来一个输入时钟，之后输入时钟进行分频，相当于计数时间加倍，加多少倍呢，下面有个PR寄存器和分频系数的对应关系，这里并不是PR写几，就是几+1分频，它只有这几个固定的分频系数，比如PR写入2，那就是16分频，对应上面公式，计数时间就要乘16，最后，RL，就是RLR，计数目标，乘个RL+1，就是最终的超时时间了，比如RL给个99，那这样式子里的各部分值都确定好了，对吧，计算-下，0.025msx16x100，这就是当前这些参数下的超时时间，下面表里各个参数的最短时间和最长时间，为什么是这些值，大家就知道了吧，比如第一行PR写入0时，预分频为4，0.025msx4x1=0.1ms，最长时间，RL给最大0xFFF，即4095，这里RL+1是4096，0.025msx4x4096=409.6ms，对应表里的这个409.6ms

3.窗口看门狗 WWDG

3.1 WWDG框图

窗口看门狗，从功能上来说，和独立看门狗还是比较像的，大体上看只是比独立看门狗多了个最早喂狗时间的限制，但是等会学的时候你就会发现，这个窗口看门狗，无论是框图的设计，还是寄存器的分布和命名规则，或是程序的操作流程，和独立看门狗，都不是一个思路，可能是两个看门狗侧重点不一样吧

这是窗口看门狗的结构，左下角是时钟源部分，这个时钟源是PCLK1，右边这个是预分频器，它这个预分频器名字又变了，叫WDGTB，实际上和独立看门狗的PR，定时器的PSC，都是一个东西，上面这个是6位递减计数器CNT，这个计数器是位于控制寄存器CR里的，计数器和控制寄存器合二为一了，然后窗口看门狗没有重装寄存器，那如何重装计数器进行喂狗呢，这个，我们直接在CNT写入数据就行了，想写多少就写多少，之后上面这一块是窗回值，也就是喂狗的最早时间界限，最后，左边就是输出信号的操作逻辑了，什么情况下会产生复位，就由这几个逻辑门来确定

首先还是从左下角开始看，时钟来源是PCLK1，也就是APB1的时钟，这个时钟默认是36MHZ，所以就是36M的时钟进来，进来之后，还是先经过一个预分频器进行分频，这个和独立看门狗的预分频器，定时器的预分频器都是一个作用，就是灵活地调节后面计数器的时钟频率，同时预分频系数也是计算计数器溢出时间的重要参数，那接着，分频之后的时钟，驱动这个计数器进行计数，这个计数器和独立看门狗一样，也是一个递减计数器，每来一个时钟，自减一次，不过这个计数器比较特殊，从图上看，这里写了T6~T0总共是7个位，但是下面却写的是6位递减计数器，这是为什么呢？那这其实是因为这个计数器只有T5~T0，这6位是有效的计数值，最高位T6，这里用来当作溢出标志位，T6位等于1时，表示计数器没溢出，T6位等于0时，表示计数器溢出，不过对于硬件电路来说，T6位其实也是计数器的一部分，只不过是T6位被单独拎出来当作标志位了而已，比如这个寄存器初始值，我们给111 1111，那么来一个计数脉冲，值减一，变为111 1110，再来一个，变为111 1101，以此类推，不断自减，直到减为100 0000，好，减到这个数时，是一个关键节点，此时包括T6位在内的数，是1000000，转为十六进制是0x40，0x40要特别记一下，等会还会用到，也就是说，此时，如果把T6位也当做计数器的一部分，那计数器的值实际上才减一半，对吧，但是，如果我们把T6位剥离出去，当作溢出标志位，低6位，当作计数器，那此时的状态就是，标志位为1，计数器为00 0000，已经减到0了，再减一次，下一个值是什么呢？就是011 1111，这时最高位T6，由1变为0即代表计数器溢出，这时，最高位T6，就会通过这个线路产生复位信号，这就是这个计数器的工作流程和溢出条件

总结一下，就是，如果你把T6位看作是计数器的一部分，那就是整个计数器，值减到0x40之后溢出，而如果你把T6位当成溢出标志位，低6位当作计数器，那就是，低6位的计数值减到0之后溢出

接着看左边的复位信号输出部分，首先这个WDGA，是窗口看门狗的激活位，也就是使能，WDGA写入1，启用窗口看门狗，使能位作用于这个与门，它的作用，就类似于一个开关，左边是控制信号，右边是输入，上边是输出，控制信号给1，则输出等于输入，开关导通，控制信号给0，则输出等于0，与输入无关，开关断开，那开关右边，就是复位信号的来源了，这里有两个来源，用或门连接，也就是两个来源任意一个，都可以复位，其中下面这一路，来源于溢出标志位T6，当计数器溢出时T6等于0，然后输入进来，这里输入有个小圆圈，代表输入取反，所以0变为1，或门有效，输出1，当最后这个使能位给1，开启看门狗后，这个溢出信号就直接通向复位了，所以，下面这一路的意思就是T6位一旦等于0，就表示计数器溢出，就产生复位信号，那在程序正常运行状态下，我们必须始终保证T6位为1，这样才能避免复位，好，至此，下面这一块实现的功能，和独立看门狗基本是一样的，如果不及时喂狗，6位的计数器减到0后，就产生复位

接下来，喂狗的时间的最早界限，由上面这块来实现，首先，我们需要计算一个最早界限的计数值，写入到这里的W6~W0中，这些值，写入之后是固定不变的，之后这里，一旦我们执行写入CR操作时，这个与门开关就会打开，写入CR，其实就是写入计数器，也就是喂狗，在喂狗时，这个比较器开始工作，一旦它比较，我们当前的计数器T6:0>窗口值W6:0，比较结果就=1，这个1，通过或门，也可以去申请复位，这个1，通过或门，也可以去申请复位，这就是喂狗最早时间窗口的实现流程，就是喂狗的时候，我把当前计数值和我预设的窗口值进行比较，如果发现你的狗余粮还非常充足，你喂的这么频繁，那肯定有问题啊，我就给你复位一下，不让你喂太早了，那这，就是窗口看门狗的全部内容了，喂狗太晚，6位计数器减到0了，复位，喂狗太早，计数器的值超过窗口值了，复位

3.2 WWDG工作特性

递减计数器T[6:0]的值小于0x40时，WWDG产生复位
递减计数器T[6:0]在窗口W[6:0]外被重新装载时，WDG产生复位（不能提前喂狗）
递减计数器T[6:0]等于0x40时可以产生早期唤醒中断(EWI)，用于重装载计数器以避免WWDG复位
- 0x40，这时T6还是1，还没有溢出，再减一个数，变为0x3F了，才是溢出，所以说，这里的意思就是减至0x40时，产生中断，然后再减一个数，到0xBF时，产生复位，那这样，这个中断其实就是在溢出的前一刻发生，对吧，所以，这个中断也可以称作"死前中断"，马上就要溢出复位了，再提醒一下你要不要干点啥，所以在这个早期唤醒中断里我们一般可以用来执行一些紧急操作，比如保存重要数据、关闭危险设备等等，或者，还有一种写法，就是虽然超时喂狗了，但是我可以在中断里执行一些代码进行解决，或者这个任务不是很危险，超时了我就只想做一些提示，不想让它复位了，这样的话，我们就可以在这个早期唤醒中断里直接执行喂狗，阻止系统复位，然后提示一些信息就完事了
定期写入WWDG_CR寄存器（喂狗）以避免WWDG复位

纵轴是TT6:01，包含T6位的CNT，递减计数器，喂狗之后，在这个数值往下递减，如果这个计数值还很大，高于这个W[6:0]窗曰值了，你就不能急着喂狗，也就是在这一块，是不允许刷新的，之后，当计数值小于窗口值了，进入到刷新窗口，可以喂狗，当然，喂狗也不能太晚，要在减到3F之前喂，3F这个值，就是T6位刚等于0的时刻，所以下面这里，T6位，在这个时刻变为0，同时复位信号也在这个时刻产生

3.3 WWDG超时时间

超时时间，就是喂狗的最晚时间，这个和刚才独立看门狗的基本一样，这里要多乘一个4096，因为框图PCLK1进来之后，其实是先执行了一个固定的4096分频，这里框图没画出来，实际上是有的，因为36M的频率，还是太快了，先来个固定分频，给降一降，下面分频系数=2^WDGTB，当WDGTB=0时，就是1分频....，这里计算公式里，是T[5:0]，是不包含T6位的，这样的话，T[5:0]，就是减到0后，溢出，所以超时时间的公式，直接把T[5:0]拿来计算就行了

窗曰时间，就是喂狗的最旱时间，(T[5:0]- W[5:0])是计数器减到窗口值的时间，所以我们拿T[5:01-WI5:0]就可以算出窗口时间了，同时也要注意，这个W[5:0]也是不包含W6这一位的，然后上面这里从这里可以看出，计数器等于窗口值时，就已经可以喂狗了，所以这里公式后面，就不用再+1了