为何看门狗定时器对IoT至关重要

　　物联网 （IoT） 设计非常重视安全性，却往往忽视了另一方面的重要性，即开发足够稳健的系统，无需人工干预系统也能从故障自动恢复。 为确保这种稳健性，设计人员应该仔细研究普通的看门狗定时器 （WDT），目前这种设备各种各样，从简易型，到集成智能型，不一而足。

　　本文首先回顾内外部 WDT 的基本原理，然后介绍部分最新款的 WDT 设备，以及如何使用它们以确保系统稳健性。

　　为何看门狗定时器对 IoT 至关重要

　　在系统现场部署了数十亿个 IoT 设备的情况下，如果发生故障，技术人员不可能及时进行维修。 因此，IoT 系统必须能够自动检测故障并从中恢复，而无需任何人工干预。

　　看门狗具备多种不同的形状和尺寸，但通常可分为简易定时器、窗口式定时器和智能电子狗三种类型。 看门狗可作为硬件和软件用于微控制器内部，也可作为硬件用于微控制器外部，甚至还能够与硬件和软件元器件集成，用作独立的微控制器。 总而言之，不论是采用哪一种看门狗解决方案，唯一的目的都是监视和恢复系统。 为此，设计人员需要考虑各种看门狗的独特性能和设计挑战，以确保稳健的 IoT 系统设计。

　　内部看门狗基本原理

　　内部看门狗定时器属于硬件外设，几乎是所有单片微控制器的一个组成部分，可与板载外设和系统时钟进行交互（图 1）。 默认情况下，内部看门狗定时器设置为禁用。启用看门狗之前，开发人员需要设置预定义周期。 如果软件锁定，或出现影响软件运行的硬件故障，看门狗定时器将超时，并强制微控制器复位。 在此过程中，看门狗定时器将清除错误，并允许微控制器重新初始化系统。

　　图 1： 看门狗定时器包含在大多数微控制器中，例如 Texas Instrument 的 MSP430G2210，并且可在软件锁定时复位处理器。 （图片： Texas Instruments）

　　内部看门狗定时器虽然原理简单，但如果要正确执行，却需要花费很多心思。 例如，专为看门狗开发的软件不能简单地将看门狗定时器盲目清零。 该软件应该在清零看门狗之前，对系统执行检查，以确保所有任务和硬件都正常工作。

　　在开发内部看门狗解决方案时，开发人员应该尝试采纳下列几项建议：

　　切勿出于任何原因禁用看门狗。 事实上，在选择微控制器时，应确保看门狗一旦启用之后，就无法再被禁用。

　　切勿在周期性中断期间，在未进行软件功能检查的情况下对看门狗清零。

　　确保看门狗定时器为独立的看门狗。 独立的看门狗具有单独的时钟，能够检测系统时钟是否已停止。

　　使用具有窗口式看门狗特性的看门狗。 这类看门狗需要等待一段最短时间后才能被清零。 如果在窗口启动前尝试清零，看门狗将进行系统复位。 这样可防止失控软件超驰看门狗计时器。

　　内部看门狗朝着建立稳健的嵌入式系统迈开了重要的一步，但其本身并未提供一个非常稳固的解决方案。 要真正提高稳健性，开发人员需要考虑外部看门狗。

　　使用外部看门狗增强稳健性

　　无论开发人员在内部看门狗实施过程中如何谨慎细致，内部看门狗都无法始终万无一失。 许多实施都存在缺陷，共享系统时钟和设有禁用选项就是其中两个例子。

　　当系统需要在现场自行工作时，使用外部看门狗可带来诸多优势，例如：

　　执行硬件系统复位，以确保重新启动微控制器电源，进而重新启动内部外设电源。

　　将看门狗与微控制器振荡器电路分离。

　　为监视系统提供一个完全独立的进程。

　　所有这些优势都有助于实现系统的稳健性，但使用外部 WDT 仍然存在少许不足。 其中包括因增设 IC 引起的硬件成本增加，以及系统复杂性提高。 然而，正如我们所见，综合所有考虑因素时，这些缺陷都显得微不足道。 现在，我们来检验如何设计一个简单稳健的外部看门狗电路（图 2）。

　　图 2： 示例外部看门狗电路监视微控制器的特性和状态，而微控制器具有自己的内部看门狗定时器。 （使用 Digi-Key Scheme-it® 绘制的示意图）