14. 独立看门狗

kurome / 2023-08-10 / 原文

一、什么是独立看门狗

独立看门狗（Independent watchdog，简称 IWDG）本质上是一个能产生 系统复位 的 定时器。该定时器是一个 12 位 的 递减计数器，当计数器的值减到 0 的时候，就会产生一个复位信号。如果在计数没减到 0 之前，重置计数器的值的话，那么就不会产生复位信号，这个动作我们称为喂狗。独立看门狗的时钟由 独立的 RC 振荡器 提供，功能由 VDD 电压域供电，在停止模式和待机模式下仍然可以工作。

独立看门狗主要用于检测外界电磁干扰，或硬件异常导致跑飞问题。它主要应用于在一些需要高稳定性的产品中，并且对时间精度要求较低的场合。独立看门狗是异常处理的最后手段，不可依赖，应在程序设计时尽量避免异常的发生。

二、独立看门狗框图

从 IWDG 框图整体认知就是，IWDG 有一个输入（时钟 LSI），经过一个 8位的可编程预分频器提供时钟给一个 12位递减计数器，满足条件就会输出一个复位信号。IWDG 内部输入/输出信号如下表：

信号名称	信号类型	说明
LSI	数字信号	LSI 时钟
IWDG 复位	数字信号	IWDG 复位信号输出

STM32F103 的独立看门狗由内部专门的 40KHz 低速时钟（LSI）驱动，即使主时钟发生故障，它也仍然有效。这里需要注意独立看门狗的时钟是一个内部 RC 时钟，所以并不是准确的 40Khz，而是在 30~60KHz 之间的一个可变化的时钟，只是我们在估算的时候，以 40KHz 的频率来计算，看门狗对时间的要求不是很精确，所以，时钟有些偏差，都是可以接受的。

启动 IWDG 后，LSI 时钟会自动开启；

LSI 时钟频率并不精确，F1 用 40KHz；

三、独立看门狗的工作原理

独立看门狗就是一个 12位的递减计数器，当计数器的值从某个值一直减到 0 的时候，系统就会产生一个复位信号，即 IWDG_RESET。如果在计数没减到 0 之前，刷新了计数器的值的话，那么就不会产生复位信号，这个动作就是我们经常说的喂狗。

CPU 必须及时喂狗，否则系统复位重启！

四、独立看门狗寄存器介绍

4.1、键寄存器(IWDG_KR)

在键寄存器（IWDG_KR）中写入 0xCCCC，开始启用独立看门狗；此时计数器开始从其复位值 0xFFF 递减计数。当计数器计数到末尾 0x000 时，会产生一个复位信号（IWDG_RESET）。无论何时，只要键寄存器 IWDG_KR 中被写入 0xAAAA，IWDG_RLR 中的值就会被重新加载到计数器中从而避免产生看门狗复位。

IWDG_PR 和 IWDG_RLR 寄存器具有 写保护功能。要修改这两个寄存器的值，必须先向 IWDG_KR 寄存器中写入 0x5555。将其他值写入这个寄存器将会打乱操作顺序，寄存器将重新被保护。重装载操作（即写入 0xAAAA）也会启动写保护功能。

4.2、预分频寄存器(IWDG_PR)

该寄存器用来设置看门狗时钟（LSI）的分频系数，最低为 4，最高为 256，该寄存器是一个 32 位的寄存器，但是我们只用了 低 3 位，其他都是保留位。

4.3、重装载寄存器(IWDG_RLR)

该寄存器用来保存重装载到计数器中的值。该寄存器也是一个 32 位寄存器，只有 低 12 位 是有效的。

4.4、状态寄存器(IWDG_SR)

五、独立看门狗溢出时间计算

IWDG 溢出时间计算公式：\(T_{out} = \frac{psc * rlr}{f_{IWDG}}\)

其中，\(T_{out}\) 是看门狗溢出时间；\(f_{IWDG}\) 是看门狗的时钟源频率，一般为 40KHz；\(psc\) 是看门狗预分频系数；\(rlr\) 是看门狗重装载值；

寄存器设置分频系数的方法：\(psc = 4 * 2^{prer}\)，\(prer\) 是 IWDG_PR 的值；即用寄存器设置 IWDG 溢出时间的计算公式为：\(T_{out} = \frac{(4 * 2 ^{prer}) * rlr}{f_{IWDG}}\)

独立看门狗超时时间 40KHz 的输入时钟（LSI）：

预分频系数	PR[2:0]	最短时间（ms） RL[11:0] = 0x00	最长时间（ms） RL[11:0] = 0xFFF
/4	0	0.1	409.6
/8	1	0.2	819.2
/16	2	0.4	1638.4
/32	3	0.8	3276.8
/64	4	1.6	6553.6
/128	5	3.2	13107.2
/256	（6 或 7）	6.4	26214.4

这些时间是按照 40KHz 时钟给出。实际上，MCU 内部的 RC 频率会在 30KHz 到 60KHz 之间变化。此外，即使 RC 振荡器的频率是精确的，确切的时序仍然依赖于 APB接口时钟与 RC 振荡器时钟之间的相位差，因此总会有一个完整的 RC 周期是不确定的。通过对 LSI 进行校准可获得相对精确的看门狗超时时间。

六、独立看门狗配置步骤

IWDG 在 HAL 库中的驱动代码在 stm32f1xx_hal_iwdg.c 文件及其头文件 stm32f1xx_hal_iwdg.h 中。

6.1、IWDG工作参数初始化

【1】、HAL_IWDG_Init() 函数

HAL_IWDG_Init() 函数是 IWDG 的初始化函数，它主要用于 取消 PR/RLR 寄存器的写保护，设置 IWDG 预分频系数和重装载值，启动 IWDG，其声明如下：

/**
  * @brief  Initialize the IWDG according to the specified parameters in the
  *         IWDG_InitTypeDef and start watchdog. Before exiting function,
  *         watchdog is refreshed in order to have correct time base.
  * @param  hiwdg  pointer to a IWDG_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified IWDG module.
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_IWDG_Init(IWDG_HandleTypeDef *hiwdg);

函数参数：

hiwdg 是 IWDG 句柄，IWDG_HandleTypeDef 结构体类型，定义如下：

/**
  * @brief  IWDG Handle Structure definition
  */
typedef struct
{
  IWDG_TypeDef                 *Instance;  /*!< Register base address    */

  IWDG_InitTypeDef             Init;       /*!< IWDG required parameters */
} IWDG_HandleTypeDef;

Instance：指向 IWDG 寄存器基地址。

#define IWDG                ((IWDG_TypeDef *)IWDG_BASE)

Init：IWDG 初始化结构体，用于配置计数器的相关参数。IWDG_InitTypeDef 这个结构体类型定义如下：

/**
  * @brief  IWDG Init structure definition
  */
typedef struct
{
  uint32_t Prescaler;  /*!< Select the prescaler of the IWDG.
                            This parameter can be a value of @ref IWDG_Prescaler */

  uint32_t Reload;     /*!< Specifies the IWDG down-counter reload value.
                            This parameter must be a number between Min_Data = 0 and Max_Data = 0x0FFF */

} IWDG_InitTypeDef;

Prescaler：预分频系数，IWDG_PRESCALER_4 到 IWDG_PRESCALER_256。

/** @defgroup IWDG_Prescaler IWDG Prescaler
  * @{
  */
#define IWDG_PRESCALER_4                0x00000000u                                     /*!< IWDG prescaler set to 4   */
#define IWDG_PRESCALER_8                IWDG_PR_PR_0                                    /*!< IWDG prescaler set to 8   */
#define IWDG_PRESCALER_16               IWDG_PR_PR_1                                    /*!< IWDG prescaler set to 16  */
#define IWDG_PRESCALER_32               (IWDG_PR_PR_1 | IWDG_PR_PR_0)                   /*!< IWDG prescaler set to 32  */
#define IWDG_PRESCALER_64               IWDG_PR_PR_2                                    /*!< IWDG prescaler set to 64  */
#define IWDG_PRESCALER_128              (IWDG_PR_PR_2 | IWDG_PR_PR_0)                   /*!< IWDG prescaler set to 128 */
#define IWDG_PRESCALER_256              (IWDG_PR_PR_2 | IWDG_PR_PR_1)                   /*!< IWDG prescaler set to 256 */

Reload：重装载值，范围：0 到 0x0FFF。

函数返回值：

HAL_StatusTypeDef 枚举类型的值。

/**
  * @brief  HAL Status structures definition
  */
typedef enum
{
  HAL_OK       = 0x00U,
  HAL_ERROR    = 0x01U,
  HAL_BUSY     = 0x02U,
  HAL_TIMEOUT  = 0x03U
} HAL_StatusTypeDef;

6.2、喂狗

【1】、HAL_IWDG_Refresh() 函数

HAL_IWDG_Refresh() 函数是独立看门狗的喂狗函数，即写入 0xAAAA 到 IWDG_KR，用于把重装载寄存器的值重载到计数器中，喂狗，防止IWDG复位。其声明如下：

/**
  * @brief  Refresh the IWDG.
  * @param  hiwdg  pointer to a IWDG_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified IWDG module.
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_IWDG_Refresh(IWDG_HandleTypeDef *hiwdg);

函数参数：

hiwdg 是 IWDG 句柄，IWDG_HandleTypeDef 结构体类型。这里，我们使用它的 Instance 成员，Instance 成员的取值为：

#define IWDG                ((IWDG_TypeDef *)IWDG_BASE)

函数返回值：

HAL_StatusTypeDef 枚举类型的值。

/**
  * @brief  HAL Status structures definition
  */
typedef enum
{
  HAL_OK       = 0x00U,
  HAL_ERROR    = 0x01U,
  HAL_BUSY     = 0x02U,
  HAL_TIMEOUT  = 0x03U
} HAL_StatusTypeDef;

七、程序设计

IWDG 初始化函数：

IWDG_HandleTypeDef hiwdg;

void IWDG_Init(void)
{
  hiwdg.Instance = IWDG;			// 独立看门狗
  hiwdg.Init.Prescaler = IWDG_PRESCALER_32;	// 设置IWDG分频系数
  hiwdg.Init.Reload = 1250;			// 重装载值
  hiwdg.Init.Window =IWDG_WINDOW_DISABLE;	// 关闭窗口功能
  HAL_IWDG_Init(&hiwdg);			// 初始化IWDG
}

独立看门狗的时钟源频率为 40KHz，预分频系数设置为 32 分频，根据溢出时间公式：\(T_{out} = \frac{psc * rlr}{f_{IWDG}}\) 可知，当 IWDG 的重装载值为 1250 时，溢出时间约为1s；

喂狗函数：

HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);	// 喂狗

配置串口工作参数函数和串口底层初始化函数请在串口通信篇章查看；

main() 函数：

int main(void)
{
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* Initialize all configured peripherals */
  IWDG_Init();
  USART1_Init();

  printf("独立看门狗开始工作！\r\n");
  
  while (1)
  {
    HAL_Delay(1000);
    HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);
    printf("你已经进行了喂狗！\r\n");
  }
}