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S3C2440的看门狗:从原理到实验

2020-9-1 10:33:29  903 看门狗 看门狗定时器 S3C2440
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看门狗定时器(Watchdog)

相信大家都看过中国移动前些时间做的一个广告,从城市到山村,到青藏高原,在哪儿都有中国移动的网络,到哪儿都能打电话,由此可以联想到中国移动在全国有无数个信号基站,很多基站建设在环境比较恶劣的地方,我们来思考一个问题?假如,有一天某个基站出了问题不能正常工作了,毫无疑问,移动的工作人员会带各种检测设备去进行修理,如果是出现非硬件故障(如用户电话服务突然巨增,造成繁忙死机或电磁干扰造成CPU运行出错等),导致基站服务器出现异常死机,工作人员只需要进行一个操作,重启一下即可。如果该基站安装在青藏高原上,这样一次上去,成本是很大的。退一步讲,这种情况虽然成本很高,但是还是可以修复的,如果这种情况出现在月球探测器身上,问题就更严重了。因此针对这种特殊情况的设备,我们期待有一种设备能够在机器出现非正常情况下进行自动重启来恢复工作状态,使用看门狗定时器就可以完美解决这个问题了。

看门狗WatchDog的名字形象的描述了它的工作原理,看门狗每隔一段时间(比如:3个小时)它就会饥饿,每次饥饿时都叫,如果不想让它叫,只要我们保证在3个小时内喂狗一次就行。因此我们要及时的对看门狗控制器执行喂狗操作。
看门狗定时器内部有一个递减计数器,当该计数器递减为0的时候,就会自动重启控制器(如下图所示),如果我们写有这样的程序,该程序在定时器计数器递减为0之前,将其递减计数器重新设置一下(喂狗),那么就不会产生重启操作。假如机器设备出现异常情况下如死机,CPU执行出错,程序跑飞等情况,CPU就会陷入非正常的执行流程,就不会去执行重置计数器的程序,当计数器递减为0时,会产生复位控制器信号,机器就会重新启动,恢复正常执行流程。这样的设计原理就解决了很多环境恶劣的情况下,对服务器进行重启的任务。上面的重置倒计数的操作通常叫做“喂狗”。
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1、看门狗定时器的用途
(1)用于解决远程控制器在出现电磁干扰,噪声,系统错误等外界条件造成的系统死机等不正常运行的问题
(2)它不仅可以产生复位信号,还可以通过设置,产生定时的中断信号
看门狗定时器从单片机时代就开始广泛使用,是嵌入式产品中的一大特色,很明显上述用途如果我们都用不到,就没有必要打开看门狗的功能,在miniOS操作系统里我们不使用它来定时产生中断,也不用它来自动重启异常的开发板(因为出现异常的可能性几乎可以忽略),因为实现miniOs的第一步就是关闭看门狗,在开始裸板驱动之前,先来了解S3C2440 看门狗定时器。


1、看门狗的工作原理
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名词解释:
PCLK(Peripherals clock): APB(Advanced Peripherals  Bus)高级外围设备总线上外设的工作时钟频率,它主要为开发板上的外围低速设备提供工作时钟,如串口,I2C等,
8-bit Prescaler:8位分频器,由程序来控制对PCLK进行分频,它由WTCON寄存器来控制设置。
MUX:多路复合器,它支持多种时钟源,通过设置它来选择一种时钟频率,看门狗控制器里会产生四种时钟频率,分别是1/16,1/32,1/64,1/128的已分频时钟,可以通过WTCON寄存器第3,4位进行选择设置。
WTCNT:看门狗递减寄存器,一旦看门狗使能,WTCNT里的数据(由WTDAT寄存器在使能之前设置)就开始在输入时钟频率下递减。
Interrupt:中断信号,由WTCON寄存器的第2位控制是否产生中断信号。
Reset Signal Generator:Reset信号产生器,默认情况下当递减寄存器里的倒计数为0时,会产生通过Reset信号产生器产生Reset信号,让控制器重启,可以由WTCON寄存器的第0位进行设置。
当看门狗使能时,外围时钟PCLK为看门狗定时器的输入时钟,MINI2440在没有开启时钟时,采用外部晶振(又叫高频振荡器,它每秒钟产生固定频率时钟)提供的12MHz输入时钟频率,PCLK首先进入8位分频器Prescaler,其对PCLK进行分频,可以理解为对PCLK的除法运算,这样PCLK的时钟频率就变成PCLK/Prescaler value,其中分频器Prescaler的值可以在一定范围内自定义,然后经过分频的时钟经过除数因子选择器,这是在分频器的基础上再次对时钟信号进行降频,通过除数因子选择器,选择一个除数因子,然后经过MUX复合器,这时输入时钟变成PCLK/ Prescaler value/除数因子,得到我们想要的输入时钟, 每个时钟周期都会将看门狗定时计数器WTCNT里的值减1,当计数器WTCNT里的值变为0时开始执行超时操作,首先,判断看门狗控制寄存器里bit2 WTCON[2]设置情况,如果为1则产生中断信号,引起系统中断,如果为0不做任何操作,进入复位信号产生器,如果WTCON[0]位为1,则产生控制器复位信号,否则不做任何操作。每次超时操作之后,看门狗WTCON会自动加载看门狗数据寄存器WTDAT里的用户设置值,继续执行递减操作。

下表是看门狗定时器控制寄存器 (WTCON)
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下表是看门狗定时器数据寄存器 (WTDAT)
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注:WTDAT寄存器用于指定计数寄存器的初始值,也就是它的超时时间,系统上电之后硬件自动的将0x8000的初始值载入到WTCNT里,在发生了第一次超时操作时,WTDAT的值才会载入到WTCNT寄存器。
下表是看门狗定时器计数寄存器 (WTCNT)
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通过对上面寄存器描述分析,可以得出以下结论:
/通过设置WTCON[5]来设置看门狗定时器的使能
/在开启看门狗定时器后,通过设置WTCON[15:8]和[4:3]位来设置看门狗控制器的工作时钟频率,具体看门狗的递减时间间隔可以通过下面的公式算出:

t_watchdog  = 1/( PCLK / (Prescaler value + 1) / Division_factor )

注: t_watchdog:看门狗控制器递减时间间隔(单位秒)
     PCLK:APB总线工作时钟(单位Hz)
     Prescaler value: 8位分频器预设值
     Division_factor:除数因子
/通过设置WTCON[2] 和WTCON[0]位,来使能产生中断和复位信号
/通过设置WTDAT来设置计数值

3、看门狗实验


MINI2440在没有初始化系统时钟时,整个开发板由一个12MHz的外部晶振提供频率,PCLK工作频率也是12MHz,WTCON[15:8]设置为74,除数因子选择16,通过上面公式可以计算出,看门狗控制器递减时间间隔0.1毫秒。将WTCNT里的值设置为0x2710(十进制10000),那么看门狗会每过一秒钟产生一次超时。
  1. ; 关闭看门狗实验

  2. ldr r0, = 0x53000000                       ; WTCON寄存器地址加载到r0

  3. mov r1, #0                                        ; r1 = 0

  4. str r1, [r0]                                         ; 将r1里的值存到r0里地址里
复制代码
通过分析前面的寄存器的设置位可知,只要设置WTCON[5]为0即可,上述代码里,直接将整个WTCON寄存器里的位设置为0。
开启看门狗实验:
  1. WTCON               EQU          0x53000000        ; 看门狗控制寄存器

  2. WTCNT               EQU          0x53000008        ; 看门狗计数寄存器



  3.          AREA  WATCHDOG_ENABLE,CODE,READONLY

  4.          ENTRY

  5.            ; 设置看门狗控制寄存器

  6.            ldr r0, =WTCON                                      ; 加载WTCON寄存器地址

  7.          ; 0x4a21 = [15:8]=74, [5]=1, [0]=1

  8.          ldr r1, =0x4a21                               ; 将0x4a21保存到r1里

  9.          str r1, [r0]                                        ; 将r1里的值存入r0指向的地址

  10.          ; 设置看门狗计数寄存器,该寄存器的值在上电后被加载, 1秒超时

  11.          ldr r2, = WTCNT                            ; 加载WTCNT寄存器地址

  12.            ldr r3, =0x2710                               ; 将0x2710保存到r1里

  13.          str r3, [r2]                                                ; 将r3里的值存入r2指向的地址



  14.            IMPORT LED_on                             ; 引入led_on符号

  15.          bl led_on                                         ; 调用led_on代码



  16. loop

  17.            B loop                                             ; 死循环

  18.          END
复制代码
程序开始定义两个常量地址,分别是WTCON,WTCNT的地址,ENRTY后面是程序的正文部分,首先通过ldr指令加载WTCON的地址到r0里,将0x4a21这个数加载到r1里,0x4a21是我们通过设置WTCON [15:8]=74 [7:6]=0,[5]=1,[4:1]=0, [0]=1得到的16进制数,将其值存入到r0地址里,这样WTCON里就是我们设置各位的值,然后同样道理再将0x2710存到WTCNT数据寄存器里,设置数据寄存器的值为0x2710。
为了看到看门狗的重启效果,我们加入了一个小程序,用来点亮led灯,将上述代码在ADS下编译完后,通过H-JTAG烧写到NORFLASH里可以看到每过1秒钟,开发板的led灯就闪一下。
知识扩展

开启了看门狗之后,控制器会定时的复位,为了防止不停的复位,就要进行“喂狗”操作,喂狗操作相对比较简单,只要在WTCNT里的计数减为0之前,将其值重置一个非0的数值即可,看下面的函数:feed_dog(该代码仅供读者参考,光盘源码中没有给出具体例子)
  1. ; 喂狗程序

  2. feed_dog

  3.            ldr r0, =WTCNT

  4.            ldr r1, =0x2710

  5.            str r1, [r0]

  6.            mov pc, lr
复制代码
喂狗程序对喂狗的时机必须要合适,否则在定时器还没来得及发生中断调用watchdog已经超时了,也将引起系统复位重启,通常系统里会开启另外一个时钟来为整个系统服务,它会定时的“告知”系统,在看门狗定时器超时之前,自动的调用喂狗程序。


S3C2440全套中文手册.pdf

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龙航 2020-9-3 17:54:25
感谢分享,学习学习,真的太棒了,写的很详细
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efans_7b6de7 2020-11-21 19:51:04
学习了,资料不错
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