第4章 IWDG介绍及应用

第四章 IWDG介绍及应用

1. IWDG简介

IWDG（Independent Watchdog，独立看门狗）是 STM32H750VBT6 的硬件级系统保护机制，用于在程序跑飞、死循环或系统卡死时强制复位 MCU，确保嵌入式系统长期运行的可靠性。其核心特点是独立于主时钟系统（由专用低速 LSI 时钟驱动），即使主时钟失效或 CPU 锁死仍能工作，是工业控制、汽车电子等关键场景的必备安全外设。

🔍 关键区别：

IWDG = 独立看门狗（LSI 时钟驱动，不可停止，简单可靠）

WWDG = 窗口看门狗（APB 时钟驱动，有窗口期限制，更精确）
IWDG 适用于基础看护，WWDG 适用于对喂狗时机有严格要求的场景

1.1 IWDG 核心特性（STM32H750VBT6）

特性	参数	说明	安全价值
时钟源	LSI (32 kHz)	内部低速时钟（独立于 HSE/HSI），典型频率 32 kHz（实际 30–34 kHz）	主时钟失效时仍可触发复位
计数器	12-bit 递减计数器	从 `IWDG_RLR` 值递减至 0 触发复位	计数范围 0x000–0xFFF（4095）
预分频器	4-bit (6 个分频系数)	分频系数：`4, 8, 16, 32, 64, 128, 256`	灵活配置超时时间（ms 级到秒级）
复位时间	T_out = (4×2^PR / LSI) × (RLR+1)	最长超时：`PR=6 (256), RLR=4095 → ≈ 32.7 秒`	适应不同系统恢复需求
写保护	关键寄存器锁	配置需先写 `IWDG_KR = 0x5555` 解锁	防止误操作导致看门狗失效
启动机制	硬件/软件启动	复位后默认关闭，需软件显式启动	避免调试时意外复位

📌 STM32H750VBT6 安全设计：

不可停止性：一旦启动，只能通过系统复位关闭（即使 CPU 锁死）
低电压容错：在 VDD > 1.65V 时仍可工作（符合功能安全标准）
双阶段保护：
1️⃣ 计数器溢出 → 触发 IWDG_PR 错误中断（可记录故障）
2️⃣ 计数器归零 → 产生系统复位（强制恢复）

1.2 工作原理详解

1.2.1 时钟与计数逻辑

graph LR A[LSI 32kHz] --> B{预分频器 PR} B -->|4/8/16/32/64/128/256| C[分频时钟] C --> D[12-bit 递减计数器] D -->|计数 > 0| E[正常运行] D -->|计数 = 0| F[系统复位]

分频计算：
- PR = 0 → 分频系数 = 4 → 时钟 = 32kHz / 4 = 8 kHz
- PR = 32 → 分频系数 = 32 → 时钟 = 32kHz / 32 = 1 kHz
超时时间公式：
T_out = (4 × 2^PR × (RLR + 1)) / LSI_Freq
示例：PR=32 (32分频), RLR=999, LSI=32kHz → T_out = (32 × 1000) / 32000 = 1 秒

1.2.2 关键状态转换

stateDiagram-v2 [*] --> DISABLED：复位后默认状态 DISABLED --> ENABLED：写 KR=0xCCCC 启动 ENABLED --> RUNNING：计数器递减 RUNNING --> RESET：计数器归零 RUNNING --> RELOAD：喂狗操作（写 KR=0xAAAA） RELOAD --> RUNNING：计数器重载 RLR 值

⚠️ 硬件强制规则：

启动后必须在计数归零前喂狗，否则触发复位
喂狗操作有最小间隔限制（需 > 4 个 LSI 周期 ≈ 125 μs）
LSI 频率偏差（±10%）导致超时时间波动，需留安全裕量

1.3 关键寄存器操作

1.3.1 核心寄存器与配置步骤

寄存器	关键位/值	功能	操作顺序
KR (Key Register)	`0x5555`	解锁 PR/RLR 配置	第一步：解锁寄存器
	`0xAAAA`	喂狗（重载计数器）	周期性操作
	`0xCCCC`	启动 IWDG	最后一步：启动看门狗
PR (Prescaler)	`0x0-0x6`	设置分频系数 (4→256)	1. 解锁后配置
RLR (Reload)	`0x000-0xFFF`	设置重载值（计数初值）	2. 配置重载值
SR (Status)	`PVU=1`	预分频器更新中	检查是否可写 PR
	`RVU=1`	重载值更新中	检查是否可写 RLR
	`WVU=1`	窗口值更新中	(IWDG 无窗口功能)

1.3.2 配置流程（寄存器级）

// 1. 解锁关键寄存器 (必须先解锁)
IWDG->KR = 0x5555;  

// 2. 配置预分频器 (PR) - 选择分频系数 32 (PR=3)
while (IWDG->SR & IWDG_SR_PVU); // 等待 PR 更新完成
IWDG->PR = 3;                   // 0b011 = 32 分频

// 3. 配置重载值 (RLR) - 1秒超时 (LSI=32kHz)
while (IWDG->SR & IWDG_SR_RVU); // 等待 RLR 更新完成
IWDG->RLR = 999;                // (32 * 1000) / 32 = 1000 → 1秒

// 4. 启动 IWDG (最后一步!)
IWDG->KR = 0xCCCC;  

// 5. 喂狗操作 (在计数归零前重复执行)
IWDG->KR = 0xAAAA;  // 重载计数值

2. IWDG使用示例-STM32IDE

2.1 STM32Cube配置

2.1.1 RCC配置

只在第一章中展示，因为后续内容一样

2.1.2 IWDG配置

屏幕截图 20250824 163854png

2.2 用户代码

2.2.1 IWDG初始化

#include "iwdg.h"

/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

IWDG_HandleTypeDef hiwdg1;

/* IWDG1 init function */
void MX_IWDG1_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN IWDG1_Init 0 */

  /* USER CODE END IWDG1_Init 0 */

  /* USER CODE BEGIN IWDG1_Init 1 */

  /* USER CODE END IWDG1_Init 1 */
  hiwdg1.Instance = IWDG1;
  hiwdg1.Init.Prescaler = IWDG_PRESCALER_64;
  hiwdg1.Init.Window = 499;
  hiwdg1.Init.Reload = 499;
  if (HAL_IWDG_Init(&hiwdg1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN IWDG1_Init 2 */

  /* USER CODE END IWDG1_Init 2 */

}

2.2.2 喂狗函数

/* USER CODE BEGIN 1 */
void iwdg_feed(void)
{
	HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg1);
}
/* USER CODE END 1 */

2.2.3 主函数测试

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "iwdg.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "bsp_init.h"
#include "stdio.h" // For printf function
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MPU_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MPU Configuration--------------------------------------------------------*/
  MPU_Config();

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

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

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

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

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  bsp_init();
  /* USER CODE END 2 */
  HAL_GPIO_WritePin(LED_BLUE_Port, LED_BLUE_Pin, RESET); // 不喂狗会熄灭，然后重新初始化
  printf("IWDG Reset Example\r\n");
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	  iwdg_feed();
	  HAL_Delay(500); // 喂狗间隔500ms
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Supply configuration update enable
  */
  HAL_PWREx_ConfigSupply(PWR_LDO_SUPPLY);

  /** Configure the main internal regulator output voltage
  */
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE0);

  while(!__HAL_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG_VOSRDY)) {}

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_LSI|RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.LSIState = RCC_LSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 240;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = 2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = 2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLRGE = RCC_PLL1VCIRANGE_2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLVCOSEL = RCC_PLL1VCOWIDE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLFRACN = 0;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2
                              |RCC_CLOCKTYPE_D3PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_D1PCLK1;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB3CLKDivider = RCC_APB3_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_APB1_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_APB2_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB4CLKDivider = RCC_APB4_DIV2;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_4) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

 /* MPU Configuration */

void MPU_Config(void)
{
  MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct = {0};

  /* Disables the MPU */
  HAL_MPU_Disable();

  /** Initializes and configures the Region and the memory to be protected
  */
  MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
  MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER0;
  MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x0;
  MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_4GB;
  MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x87;
  MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
  MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_NO_ACCESS;
  MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;
  MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_SHAREABLE;
  MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;
  MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;

  HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);
  /* Enables the MPU */
  HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);

}

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}
#ifdef USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

3. IWDG相关函数总结（HAL库）

3.1 初始化与配置

HAL_IWDG_Init(IWDG_HandleTypeDef *hiwdg)
初始化独立看门狗（IWDG），关键前提：
- 无需使能时钟（IWDG由LSI自动驱动）
- 仅需配置一次，启动后不可停止（除非系统复位）

IWDG_InitTypeDef 结构体成员说明：

成员	说明	有效范围	H750特殊值
`Prescaler`	LSI时钟预分频系数	`IWDG_PRESCALER_4` 到 `IWDG_PRESCALER_256`	推荐`IWDG_PRESCALER_32`
`Reload`	计数器重载值	0x000-0xFFF	常用0xFFF(4095)
`Window`	窗口值（IWDG不使用）	0x000-0xFFF	固定`0x0000`

超时时间计算公式（核心！）：

超时时间 = (Prescaler × (Reload + 1)) / LSI频率

H750典型配置：

// LSI ≈ 32kHz (实际26-34kHz，需校准)
hiwdg.Instance = IWDG;
hiwdg.Init.Prescaler = IWDG_PRESCALER_32;  // 32分频 → 1kHz计数时钟
hiwdg.Init.Reload = 4095;                  // 4096计数 → 超时4.096秒
HAL_IWDG_Init(&hiwdg);                     // 实际超时≈3.5-4.5秒

预分频系数对照表：

宏定义	分频值	适用场景
`IWDG_PRESCALER_4`	4	超短超时(毫秒级)
`IWDG_PRESCALER_8`	8
`IWDG_PRESCALER_16`	16
`IWDG_PRESCALER_32`	32	推荐默认值
`IWDG_PRESCALER_64`	64
`IWDG_PRESCALER_128`	128
`IWDG_PRESCALER_256`	256	最长超时(约30秒)

3.2 看门狗操作核心函数

HAL_IWDG_Refresh(IWDG_HandleTypeDef *hiwdg)
喂狗操作（必须定期调用）：
```
HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);  // 重置计数器为Reload值
```
✅ 最佳实践：在主循环关键位置调用，避免任务阻塞导致漏喂

状态与错误检测：

HAL_IWDG_GetState(&hiwdg);  // 返回值：HAL_IWDG_STATE_BUSY等
HAL_IWDG_GetError(&hiwdg);  // 获取错误代码（如HAL_IWDG_ERROR_TIMEOUT）

底层寄存器操作宏（调试用）：

__HAL_IWDG_START(&hiwdg);           // 手动启动IWDG（通常不需要）
__HAL_IWDG_RELOAD_COUNTER(&hiwdg);  // 等效于Refresh()
__HAL_IWDG_GET_COUNTER(&hiwdg);     // 读取当前计数值

3.3 高级功能与特性

低功耗模式行为：

模式	IWDG状态	注意事项
RUN	正常计数
SLEEP	继续计数	无影响
STOP0/STOP1	暂停计数	需在唤醒后立即喂狗
STOP2	暂停计数	唤醒后需重载计数器
STANDBY	完全关闭	复位后需重新配置

硬件复位特性：
- IWDG超时触发系统复位（非CPU复位）
- 可通过__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_IWDGRST)检测复位源
```
if (__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_IWDGRST)) {
    // IWDG导致的复位
    __HAL_RCC_CLEAR_RESET_FLAGS(); // 清除标志
}
```

调试模式冻结：

__HAL_DBGMCU_FREEZE_IWDG();  // 调试时暂停IWDG（JTAG连接时）
__HAL_DBGMCU_UNFREEZE_IWDG(); // 恢复计数

✅ 开发建议：调试阶段启用冻结，避免频繁复位

3.4 使用示例（完整流程）

IWDG_HandleTypeDef hiwdg = {0};

// 1. 配置IWDG参数（超时≈4.1秒）
hiwdg.Instance = IWDG;
hiwdg.Init.Prescaler = IWDG_PRESCALER_32;  // LSI/32 ≈ 1kHz
hiwdg.Init.Reload = 4095;                  // 4096计数
hiwdg.Init.Window = 0x0000;                // IWDG不使用窗口

// 2. 初始化并启动IWDG
if (HAL_IWDG_Init(&hiwdg) != HAL_OK) {
    Error_Handler();  // 初始化失败（通常因IWDG已启动）
}

// 3. 主循环中定期喂狗（示例：每2秒喂一次）
while (1) {
    // ... 业务逻辑代码 ...
    
    // 安全喂狗条件：关键任务完成且无错误
    if (critical_task_completed && !system_error) {
        HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);
    }
    
    HAL_Delay(2000);  // 间隔必须<超时时间
}

4. 关键注意事项

不可逆启动特性：

一旦调用HAL_IWDG_Init()，IWDG将永久运行直至系统复位
错误示例：在复位后多次调用Init() → 导致第二次初始化失败

LSI时钟精度问题（H750关键）：

LSI典型值	实际范围	对超时影响
32kHz	26-34kHz	超时时间偏差±15%
建议方案：

生产环境使用IWDG_PRESCALER_32 + Reload=1024（目标1秒超时）
通过RTC校准LSI：__HAL_RCC_CALCULATE_HSI48CLK_FREQ()

低功耗模式陷阱：

STOP2模式唤醒后必须立即喂狗：

HAL_PWREx_EnableInternalWakeUpLine(); // 使能内部唤醒
HAL_SuspendTick();                    // 暂停SysTick
HAL_PWR_EnterSTOP2Mode(PWR_STOPENTRY_WFE);

// 唤醒后关键操作
SystemClock_Config();                 // 重配时钟
HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);             // 立即喂狗！
HAL_ResumeTick();                     // 恢复SysTick

多任务系统喂狗策略：

// 任务1监护标志
static volatile uint8_t task1_alive = 0; 

// 任务1执行时置位
void Task1(void) {
    task1_alive = 1;
    // ... 任务逻辑 ...
}

// 主循环综合判断
if(task1_alive && task2_status_ok) {
    HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);
    task1_alive = 0;  // 清除标志
}

✅ 安全设计：只有所有关键任务正常运行才喂狗

复位源分析技巧：

void Check_Reset_Source(void)
{
    if (__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_IWDGRST)) {
        log_error("IWDG Reset! Last task: %d", last_active_task);
    }
    __HAL_RCC_CLEAR_RESET_FLAGS();
}

4.1 H750特有优化技巧

场景	解决方案	优势	实现代码
精确超时	LSI校准 + 动态调整Reload	超时误差<5%	`RCC->CSR
STOP2唤醒	唤醒后立即喂狗	避免虚假复位	`HAL_PWREx_EnableInternalWakeUpLine(); HAL_IWDG_Refresh();`
多级看门狗	IWDG(WWDG配合)	捕获不同层级故障	WWDG监控实时任务，IWDG监控整体系统
调试安全	JTAG连接时冻结IWDG	避免调试中断复位	`__HAL_DBGMCU_FREEZE_IWDG();`

避坑指南：

禁止在中断中喂狗：

中断可能永远不退出导致系统假死

正确做法：设置全局标志，主循环检查后喂狗

超时时间选择原则：

必须 > 最大任务执行时间 × 1.5

示例：系统最长任务2秒 → 超时至少设为3秒

H750复位电路特殊性：

IWDG复位会清除备份寄存器（但RTC可保留）

需通过__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_BORRST)区分电源复位

4.2 WDG工作流程图解

┌──────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│  LSI 32kHz   │→   │ 预分频器      │→  │ 计数器递减    │
└──────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘
       │                   │                   │
       ↓                   ↓                   ↓
┌──────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│ 时钟校准模块   │    │ 分频配置     │    │  超时比较     │
└──────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘
                                           │
                                           ▼
                                    ┌─────────────┐
                                    │ 系统复位      │←──(计数器=0)
                                    └─────────────┘

posted @ 2025-08-24 16:46 hazy1k 阅读(22) 评论(0) 收藏举报

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