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Diving into the STM32 HAL----- IWDG and WWDG Timers笔记

news 来源：原创 2025/7/14 7:42:32

墨菲定律指出，任何可能出错的事情都会出错。尤其是对于嵌入式系统来说，情况尤其如此。除了硬件故障也会对软件产生影响外，即使是最仔细的设计也可能会出现一些意外情况，导致我们设备的异常行为。这可能会产生重大成本，特别是如果设备设计为在危险和关键环境中工作。

市面上几乎所有的嵌入式微控制器都提供看门狗定时器（WDT）。看门狗通常实现为自由运行、向下计数，当计数值达到零或计数器未在明确定义的临时窗口内重新加载其初始值时，这会导致 MCU 重置（在本例中我们谈论窗口式看门狗）。启用后，固件需要“不断”将看门狗计数器寄存器刷新到其初始值，否则 MCU 复位线被定时器断言为低电平，并且硬复位继续进行。

WDT 的智能管理可以帮助我们处理所有导致嵌入式固件故障情况的不需要的情况（未处理的异常、堆栈溢出、访问无效的内存位置、由于不稳定的电源导致的 SRAM 损坏、无条件循环等）。此外，如果 WDT 可以在计数器用完时警告我们，我们可以尝试恢复固件的常规活动，或者至少将设备置于安全状态。

STM32微控制器提供两个独立的看门狗定时器：独立看门狗（IWDG）和系统窗口看门狗（WWDG）。它们具有几乎相同的特性，除了其中几个特性使一个定时器在某些特定应用中比另一个定时器更合适。本章介绍如何使用 CubeHAL 来利用这两个重要且经常未得到充分利用的外设。

1、独立看门狗定时器

IWDG 是一个由低速内部（LSI）振荡器计时的 12 位降序定时器：这解释了形容词 independent 的原因，这意味着该外设不是由外设时钟馈送的，而外设时钟又由 HSI 或 HSE 振荡器生成。这是一个重要的特性，即使主时钟发生故障，IWDG 定时器也能工作：即使 CPU 停止，看门狗也会继续计数，当达到零时，它会重置 MCU。如果固件设计正确以解决此问题，则 MCU 可以使用内部振荡器（HSE）从故障 clock 中恢复。

在 STM32F0/F3/F7/L0/L4/L5/G0/G4 系列中，此定时器可以选择在窗口模式下工作。这意味着我们可以设置一个时间窗口（从 0x0 到 0xFFF 不等）来确定何时可以刷新定时器计数器。如果我们在计数器达到窗口值之前刷新定时器，那么当定时器达到零时，MCU 会以相同的方式重置。这样可以确保 “事物” 以正确的方式移动，尤其是当 MCU 完成在明确定义的时间窗口中工作的重复性任务时。

IWDG 定时器需要多长时间才能重置 MCU？以下公式确定 IWDG 定时器的更新事件：

其中 Period 范围从 0 到 4095，IWDGPSC 对应于一个专用的 3 位预分频器，范围从 2 到 8。例如，假设 LSI 时钟以 32kHz 运行，周期等于 0xFFF 且 IWDGPSC 等于 2，则 IWDG 定时器将在以下时间后下溢： UpdateEventIWDG = （2^2 ）*（4096）/ 32000 ≈ 0.5s。

IWDG 定时器还支持硬件看门狗功能。配置flash option bytes 区域的一个特殊位，使定时器在每次系统重置后自动开始计数。与常规定时器和其他微控制器架构不同，一旦 STM32 看门狗定时器启动，就无法停止它。这是在开发低功耗应用程序时需要牢记的重要限制。

1.1、使用 CubeHAL 对 IWDG 定时器进行编程

为了操作 IWDG 外设，HAL 定义了 C 结构体IWDG_HandleTypeDef，其定义方式如下：

typedef struct {IWDG_TypeDef *Instance; /* Pointer to IWDG descriptor */IWDG_InitTypeDef Init; /* IWDG initialization parameters */HAL_LockTypeDef Lock; /* IWDG locking object */__IO HAL_IWDG_StateTypeDef State; /* IWDG communication state */
} IWDG_HandleTypeDef;

为了配置 IWDG 外设，我们使用 C 结构体IWDG_InitTypeDef实例，其定义方式如下：

typedef struct {uint32_t Prescaler; /* Selects the prescaler of the IWDG */uint32_t Reload; /* Specifies the IWDG down-counter reload value */uint32_t Window; /* Specifies the window value to be compared to the down-counter */
} IWDG_InitTypeDef;

• Prescaler：此字段指定 prescaler 值，它可以采用从 2² 到 2⁸ 的所有幂。为了指定此值，CubeHAL 定义了七个不同的宏 - IWDG_PRESCALER_4、IWDG_PRESCALER_8、...、IWDG_PRESCALER_256。

• Reload：指定定时器周期，即刷新定时器时的自动重新加载值。范围可以从 0x0 到 0xFFF（默认值）。

• Window：对于提供窗口化 IWDG 的 STM32 MCU，此字段设置相应的窗口值，允许刷新定时器。范围可以从 0x0 到 0xFFF（默认值）。

要配置和启动 IWDG 定时器，我们使用 CubeHAL 函数：

HAL_StatusTypeDef HAL_IWDG_Init(IWDG_HandleTypeDef *hiwdg);

而要在它达到零之前刷新它，我们使用函数：

HAL_StatusTypeDef HAL_IWDG_Refresh(IWDG_HandleTypeDef *hiwdg);

2、系统窗口看门狗定时器

WWDG 是由 APB 时钟计时的 7 位下降计数器定时器。与 IWDG 定时器不同，WWDG 定时器设计为在给定的时间窗口内刷新，否则会触发 MCU 重置。WWDG 计时器的工作方式对于新手来说似乎有点违反直觉。让我们逐步解释它的工作原理。WWDG 是一个 7 位定时器（见下图）。

其计数器寄存器的设置范围为 0x7F 到 0x40。此值将用于在刷新时重新加载计数器寄存器（我们将此值称为 TS）。

WWDG 定时器具有这样的特性：当计数器的第 7 位（上图中的 T6）从 1 切换到 0 时，将发生系统复位。这意味着当计数器达到对应于 0111111 的值 TE = 0x3F 时，MCU 将被重置。

WWDG 由 APB 总线主时钟馈送。时钟由一个固定因子（4096）加上一个可编程因子进行预缩放，公式如下：

例如，假设 WWDGPSC = 4096·8 且 APB 时钟为 48MHz，则计数器每 682.6μS 递减 1。

如前所述，WWDG 定时器只能在给定的时间窗口内刷新：这个可编程值的范围可以从 TS 到 0x40：越接近 TS，窗口越宽。例如，如果我们使用值 TW = 0x5F 配置窗口寄存器，则只有当 WWDG 定时器的计数器从 0x5F 降至 0x40 时，我们才能刷新 WWDG 定时器。

下图清楚地显示了时间窗口的作用。如果我们尝试刷新那些灰色区域中的 WWDG 定时器，即 0x7F 和 0x60 之间，或者当计数器低于 0x3F 时，MCU 将被重置。

临时窗口持续多长时间？这由以下公式定义：

其中 Period = TS − TW 。例如，让我们假设将计数器刷新值（即 TS）设置为 0x7F，将窗口值（即 TW ）设置为 0x5F。此外，让我们假设 APB 时钟等于 48MHz，可编程预分频因子等于 8。我们有： WWDGWmin = 4096 * (2^3 ) *（0x20 + 1）/ 48000000 ≈ 22.5ms。

这表示在刷新 WWDG 计数器之前必须等待的最小超时。相反，最大超时由较低值和固定值 0x40 表示。再次使用公式，我们得到：WWDGWmax = 4096 * (2^3 ) *（0x3F + 1）/ 48000000 ≈ 43.6ms。这意味着在上次刷新后 22.5ms 之前或 43.6ms 之后刷新 WWDG 计时器将导致系统重置。

WWDG 还有另一个重要特性：当计数器达到 TI = 0x40 值时，在会导致 MCU 复位的 0x3F 值之前仅一个“滴答”，如果启用，则会触发专用 IRQ。此中断称为早期唤醒中断（EWI），可用于在极端情况下最终刷新 WWDG 定时器，或将设备置于安全状态。专用 ISR 称为 WWDG_IRQHandler（），它是 15 个 Cortex-M 异常之后的第一个 ISR。

最后，像 IWDG 定时器一样，WWDG 也支持硬件看门狗功能。

2.1、使用 CubeHAL 对 WWDG 定时器进行编程

为了操作 WWDG 外设，HAL 定义了 C 结构体WWDG_HandleTypeDef，其定义方式如下：

typedef struct {WWDG_TypeDef *Instance; /* Pointer to WWDG descriptor */WWDG_InitTypeDef Init; /* WWDG initialization parameters */HAL_LockTypeDef Lock; /* WWDG locking object */__IO HAL_WWDG_StateTypeDef State; /* WWDG communication state */
} WWDG_HandleTypeDef;

为了配置 WWDG 外设，我们使用 C 结构体WWDG_InitTypeDef实例，其定义方式如下：

typedef struct {uint32_t Prescaler; /* Select the prescaler of the WWDG */uint32_t Window; /* Specifies the window value to be compared to the down-counter */uint32_t Counter; /* Specifies the WWDG down-counter reload value */uint32_t EWIMode; /* Specifies if WWDG Early Wakeup Interupt is enable or not. This parameter can be a value of @ref WWDG_EWI_Mode */
} WWDG_InitTypeDef;

• Prescaler：此字段指定 prescaler 值，其范围可以是 1 到 8 之间的 2 的所有幂。为了指定此值，CubeHAL 定义了四个不同的宏 - WWDG_PRESCALER_1、WWDG_PRESCALER_2、...、WWDG_PRESCALER_8。

• Window：此字段设置允许刷新定时器的相应窗口值。它的范围可以从 Counter 字段（默认字段）的值到 0x3F。

• Counter：指定定时器周期，即刷新定时器时的重新加载值。范围可以从 0x7F（默认值）到 0x3F。

• EWIMode：此字段启用早期唤醒中断（EWI），它可以采用值 WWDG_EWI_ENABLE 和 WWDG_EWI_DISABLE。

要配置和启动 WWDG 计时器，我们使用 CubeHAL 函数：

L_StatusTypeDef HAL_WWDG_Init(WWDG_HandleTypeDef *hwwdg);

当 WWDG 定时器 EWI 模式启用时，我们必须实现 WWDG_IRQHandler（） ISR 并调用函数：

void HAL_WWDG_IRQHandler(WWDG_HandleTypeDef *hwwdg);

在中断触发时收到通知的正确方法包括实现回调例程：

void HAL_WWDG_EarlyWakeupCallback(WWDG_HandleTypeDef* hwwdg);

要在时间窗口内刷新 WWDG 定时器，我们使用函数：

HAL_StatusTypeDef HAL_WWDG_Refresh(WWDG_HandleTypeDef *hwwdg, uint32_t Counter);

其中 Counter 参数对应于 WWDG counter 寄存器中要重新加载的值。

最后，作为 APB clocks的 WWDT timer，我们需要使用宏 __HAL_RCC_WWDG_CLK_ENABLE（）来启用 peripheral clock。

3、检测由看门狗定时器引起的系统重置

检测系统重置何时是由 watchdog timer 过期引起的，这可能很有用。这可能有助于我们了解调试会话期间出现的问题。复位和时钟控制（RCC）外设寄存器中的两个特殊位允许检测此事件。

要检测 reset 是否是由 IWDG 计时器引起的，我们可以使用以下宏检查相应的标志：

__HAL_RCC_GET_FLAG（RCC_FLAG_IWDGRST）；

而对于 WWDG 计时器，我们可以检查另一个标志：

__HAL_RCC_GET_FLAG（RCC_FLAG_WWDGRST）；

4、在调试会话期间冻结看门狗定时器

在调试会话期间，WWDG 和 IWDG 定时器都将保持计数。这将阻止我们执行逐步调试。我们可以配置调试接口，以便在 MCU 停止时使用以下宏停止看门狗定时器：__HAL_DBGMCU_FREEZE_IWDG（）；

__HAL_DBGMCU_FREEZE_WWDG（）；

5、为您的应用选择合适的看门狗定时器

两个看门狗定时器具有相似的功能，并且都做同样的事情：如果我们在给定时间内没有刷新它们的计数器寄存器，则重置 MCU。但是什么时候用某种定时器而不是其他定时器呢？

当我们需要确保主时钟正常工作时，IWDG 计时器是首选。作为由独立 LSI 计时的 IWDG，检测此类故障很有用。此外，如果我们使用的是 RTOS，我们可以设置一个配置了最大优先级的独立线程，并使用软件定时器定期刷新 IWDG 定时器。这也有助于我们理解内核正在正确地调度线程。

当我们必须确保某些操作在固定且明确的时间窗口内执行时，WWDG 定时器必须优于 IWDG 定时器。如果该过程花费的时间更少或更多，则它将无法在临时窗口中刷新定时器，从而导致系统重置。此外，如果我们想执行关键操作（例如将机器置于安全状态或将特殊数据保存在非易失性存储器中），WWDG 是正确的选择：借助早期预警 IRQ，我们可以收到正在进行的系统重置的通知。