第3版-基于CPLD的看门狗模块设计及实现

基于CPLD的智能看门狗设计与实现Referance to the design and relization of CPLD intellective watchdog邹国民Zou Guomin（江西联创通信有限公司，江西南昌330096）Jiangxi Lian Chuang Communication Corporation,Jiangxi Nanchang 330096)摘要：智能看门狗是基于CPLD技术，使用VHDL语言实现的，具有功能灵活可变、参数设置方便、使用简单快捷等优点。

由于CPLD具有可反复擦写/编程特性，为看门狗的设计和调试提供方便。

关键词：智能看门狗；CPLD；VHDLAbstract：Intellective watchdog is relized by VHDL language and bases on CPLD technology which has overriding advantages of flexible and variable function ,simple and dirrect convenient parameter setting.it is more convenient to design and debug the intellective dog with the specificity of reversal erasing and programming.Keywords: Intelligence watchdog；CPLD；VHDL1概述1.1特种行业嵌入式产品设计看门狗的重要性在煤炭、石油和化工等行业，运行着各类嵌入式通信产品。

为保障生产活动平稳有序开展，要求嵌入式产品具备极高的可靠性，在持续不断电情况下，产品能够长期稳定运行。

尤其在煤矿井下，产品可靠性显得尤为关键，当井下发生事故时，如因通信产品无法正常工作导致事故抢险不及时，将产生严重后果。

嵌入式系统经过几十年的发展，CPU运行速度越来越快，内存、闪存空间越来越多、硬件平台越来越复杂，软件代码越来越庞大。

根据可靠性建模理论分析，产品的可靠性与产品复杂程度关系成反比，产品越复杂，可靠性系数越低；为了克服复杂嵌入式产品所带来的可靠性问题，防止嵌入式产品主CPU因无法正常运行导致通信中断等问题，嵌入式产品设计时应采用看门狗机制。

所谓看门狗机制是指：系统设计中通过软件或硬件方式在一定的周期内监控系统的运行状况。

如果在规定时间内没有收到来自系统的触发信号,则系统会强制复位,以保证系统在受到干扰时仍然能够维持正常的工作状态。

1.2通用看门狗使用时存在的不足通用看门狗大致分为两种，第一种是CPU内置看门狗，第二种是外置看门狗。

内置看门狗使用时可能存在工作不可靠问题，外置看门存在参数设置不灵活、使用步骤繁杂和无法设置多个时间周期等问题。

2通用看门狗弊端详细分析2.1CPU内置看门狗弊端主流的处理器(如POWERPC 、ARM等)均自带看门狗模块，如果使用得当，能在系统软件崩溃时恢复运行。

但也存在系统崩溃时看门狗不起作用的例外情况，如系统硬件CPU 产生了一个严重错误，CPU进入了异常模式，造成看门狗失效，系统无法自行恢复运行，此时只有重新上电系统才能正常启动。

假设这些嵌入式产品安装在野外或煤矿井下等无人值守之地，会造成长时间通信中断故障，给日常生产调度、事故抢险等活动带来不利影响。

2.2外置看门狗芯片不足外置看门狗芯片是器件厂商根据嵌入式系统通用要求设计的一款通用芯片，芯片种类繁多，按编程方式分：有引脚编程方式和电容编程方式两种；按启动延时分为：有普通启动延时和长时间启动延时两种；按喂狗检测方式分：有单向检测方式和窗口检测方式两种。

下面以引脚编程式看门狗为例简单介绍看门狗的工作过程。

引脚编程式看门狗芯片外部设有编程引脚，CPU通过控制编程引脚设置看门狗基本参数：喂狗周期、启动延时时长和关闭看门狗等。

下面详细分析下看门狗工作流程：图 1 看门狗工作流程看门狗工作流程如图1所示，工作流程分为4个阶段。

a)第一阶段：bootrom启动阶段该阶段bootrom程序通过CPU的GPIO将WDI设置为高电平，然后再设置启动延迟时长，由于复杂嵌入式bootrom 完成的任务较多，启动时间较长，一般设置启动延迟时长大于60s。

b)第二阶段：bootrom结束时刻该阶段bootrom程序运行结束，系统硬件资源即将由操作系统接管。

此时应设置喂狗周期。

喂狗周期间隔时间与系统负荷有关，任务数量较多，喂狗周期间隔时间越长。

一般设置喂狗周期间隔时间为100ms～5s，如喂狗周期太短，将无形中增加CPU 工作负荷，浪费CPU 资源。

如周期太长，故障出现时将无法及时恢复系统，延长系统中断时间。

c)第三阶段：操作系统启动后，用户程序运行阶段该阶段操作系统启动成功，用户程序开始喂狗。

看门狗实时监控用户程序喂狗情况，如果喂狗间隔超过设定的喂狗周期，看门狗WDO引脚输出低电平信号，提示CPU 的喂狗信号异常。

d)第四阶段：复位系统如第三阶段CPU 运用程序喂狗失败，看门狗则复位系统，系统又开始新一轮循环运行。

上述四个阶段中，看门狗运行于CPU配合较紧密，CPU在不同的运行阶段均需要参与看门狗设置或激活工作，使用较为繁琐。

另外，看门狗启动延迟时长可设范围较短，一般不超过180s，而现今嵌入式系统软件比较庞大，量产时Flash编程的时间可能会超过180s，在此情况下，导致CPU长时间没有喂狗产生系统复位引起Flash编程异常，给产品生产、维护和升级带来不利影响。

3智能看门狗设计详述智能看门狗可以较好的解决上述问题，智能看门狗是基于CPLD技术及VHDL语言实现，其具有功能灵活可变、参数设置方便、使用简单快捷等优点。

由于CPLD具有可反复擦写/编程特性，为看门狗的设计/调试提供极大方便。

3.1智能看门狗的工作流程智能看门狗工作流程如图2所示。

N图 2 智能看门狗工作流程a)第一阶段：上电阶段主要步骤如下1）在上电阶段，看门狗不断监测CPU是否使能看门狗开关，如果没有使能，进入步骤2，如果看门狗已使能则进入第二阶段。

2）看门狗判断系统是否处于初次上电状态，如果系统是处于初次上电状态，则进入步骤3；否则进入步骤4。

3）看门狗判断上电时间是否大于T_start，如果上电时间小于T_start则进入步骤1，如果上电时间大于T_start，说明系统CPU上电后长时间没有使能看门狗，CPU工作异常，看门狗使系统进入复位状态；T_start是系统初次上电时至CPU正常启动看门狗的时间，这个时间一般比较长，通常设定在180S-1023S之间，在T_start时间段内，用户可以执行烧写系统软件等耗时比较长的操作。

4）系统是处于非初次上电状态。

所谓非初次上电是指：系统已运行了较长时间，最近一段时刻内，CPU曾经重新启动，但重新启动不是由手动复位和重新上电引起。

在此期间，看门狗判断此次启动时间是否大于T_restart，如果上电时间小于T_restart,则进入步骤1，如果上电时间大于T_restart，说明CPU 重新启动后长时间没有使能看门狗，CPU 工作异常，看门狗使系统进入系统复位状态。

T_restart是系统发生异常时，CPU开始重新启动至CPU正常启动后使能看门狗的时间，这个时间通常设定在30S至60S，在T_restart时段内，系统完成bootrom启动，内核启动等操作。

b)第二阶段：用户程序喂狗在用户程序喂狗之前，系统已经完成了bootrom启动，内核启动等操作，并已经使能了看门狗。

此时，在用户程序相关任务或函数中定时喂狗即可，喂狗周期为Twdt。

根据系统复杂程度不同，应合理设置喂狗周期，Twdt一般设定在1ms至5s之间，另外，智能看门狗具有窗口检测功能，会检测喂狗间隔是否在窗口期。

如设定Twdt为10ms，喂狗窗口期则为8ms～12ms之间，如果喂狗信号间隔周期在此窗口期内，则判定此次喂狗信号有效；反之，如果喂狗信号间隔周期不在此窗口期内，则判定此次喂狗信号无效。

3.2智能看门狗VHDL代码-- watchdog.vhdLIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY watchdog ISGENERIC (RST_TIME:Integer :=10;FEED_Clye:Integer :=1000);PORT(start : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);clk : IN STD_LOGIC;feeddog : IN STD_LOGIC;rstin : IN STD_LOGIC;flag : OUT STD_LOGIC;rstout : OUT STD_LOGIC);END watchdog;ARCHITECTURE behave of watchdog ISTYPE state_wtdogtype IS ('0','1');SIGNAL state_wtdog : state_wtdogtype;TYPE watchdog_rstype IS (notactive,active);SIGNAL watchdog_rst : watchdog_rstype;SIGNAL power_flag : watchdog_rstype;SIGNAL feeddog_delay : STD_LOGIC;BEGINRESET_PROC: PROCESS(clk)--VARIABLE cnt : STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0):= "0000000000000000";V ARIABLE cnt :INTEGER RANGE 0 TO 1024;V ARIABLE cnt_1s :INTEGER RANGE 0 TO 1000;BEGINIF rstin = '0' THEN --Resetcnt := 0;cnt_1s:=0;rstout <= '0'; --state_wtdog <= '0';watchdog_rst <= notactive;flag <= '0';power_flag <= active;ELSIF rising_edge(clk) THENfeeddog_delay <= feeddog;IF start = "10101010" THENstate_wtdog <= '1'; --Enable WDTflag <= '1';power_flag <= notactive; --上电标志去激活ELSIF start = "01010101" THENstate_wtdog <= '0'; --Disenable WDTflag <= '0';END IF;IF watchdog_rst= active THENcnt := cnt + 1;rstout <= '0';cnt_1s := 0;power_flag <= notactive;--cnt:=0;state_wtdog <= '0';flag <= '0';IF cnt > RST_TIME THENrstout <= '1';watchdog_rst <= notactive;cnt :=0;END IF;END IF;IF state_wtdog = '1' THENIF (feeddog = '1' AND feeddog_delay = '0')THENcnt := 0;ELSIF (feeddog = '0' AND feeddog_delay = '1' AND cnt <10) THENwatchdog_rst <= active;cnt:=0;ELSIF cnt > FEED_Clye THENwatchdog_rst <= active;cnt:=0;ELSEcnt := cnt + 1;END IF;ELSEIF watchdog_rst= notactive THENrstout <= '1';END IF;cnt_1s :=cnt_1s+1;IF cnt_1s = 1000 THENcnt :=cnt+1;cnt_1s := 0;-- IF cnt = 1023 THEN --1023SIF(((cnt = 50)AND(power_flag = notactive))OR((cnt = 1023)AND(power_flag = active))) THENwatchdog_rst <= active;cnt:=0;END IF;END IF;END IF;END IF;END PROCESS;END behave;4结束语综上所述，智能看门狗除具备通用看门狗的基本功能外，还具有以下特点：1)可单独设置初次上电启动时间，为生产人员烧写程序提供足够时间；2)系统启动完成后CPU只执行使能看门狗开关、喂狗两个操作，无需进行繁杂设置；3)如需要改变看门狗Twdt、Trestart、Tstart时间参数，只要修改CPLD 相关VHDL代码，十分方便；智能看门狗是作者根据特种行业嵌入式产品实际应用环境，为方便产品生产、维护、调试、提高产品可靠性而进行特殊设计的模块，其具有便于产品生产调试、设置灵活和使用简单等特点，该模块已经在煤炭通信行业、冶金通信行业广泛应用。