Reset與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定性

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，干擾或者惡劣環(huán)境常影響嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。Reset是維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定的一個(gè)關(guān)鍵因素，正確地設(shè)計(jì)復(fù)位電路，巧妙地應(yīng)用復(fù)位操作，能使整個(gè)系統(tǒng)更可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)分析Reset的相關(guān)應(yīng)用與設(shè)計(jì)，展示Reset對系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要性。


引言

在嵌入式系統(tǒng)電子設(shè)備的運(yùn)行中，當(dāng)出現(xiàn)程序跑飛的情況或程序跳轉(zhuǎn)時(shí)，可用手動或自動的方法發(fā)信號給硬件特定接口，使軟件的運(yùn)行恢復(fù)到特定的程序段運(yùn)行，這一操作就是復(fù)位（Reset）；這一過程中，手動或自動發(fā)給硬件特定接口的信號，就是復(fù)位信號。為了克服系統(tǒng)由于內(nèi)因（時(shí)鐘振蕩源的穩(wěn)定性）和外因（射頻干擾）所引起的運(yùn)行不穩(wěn)定的情況，在嵌入式系統(tǒng)軟件和硬件上，必須作相應(yīng)的處理和保護(hù)。復(fù)位操作是一種行之有效的保護(hù)措施，同時(shí)復(fù)位系統(tǒng)本身也是引起嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的因素，在設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意。

本文結(jié)合筆者親身經(jīng)歷的實(shí)例來說明Reset的重要性，巧妙地運(yùn)用Reset使系統(tǒng)工作更穩(wěn)定可靠。

1 Reset方式及手段

在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，復(fù)位操作包括兩個(gè)方面——處理器本身的復(fù)位和系統(tǒng)中外設(shè)（外接功能模塊）的復(fù)位，如圖1所示。

總的說來，嵌入式復(fù)位方式主要分硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。硬件復(fù)位，即采用硬件的手段、通過硬件復(fù)位信號對系統(tǒng)處理器或者外設(shè)進(jìn)行復(fù)位。只要在RST端出現(xiàn)一定時(shí)間（具體看系統(tǒng)和處理器的機(jī)器周期）的復(fù)位電平信號，由CPU采樣復(fù)位信號，啟動復(fù)位時(shí)序，即可完成復(fù)位操作。硬件復(fù)位一般包括上電復(fù)位、按鍵復(fù)位、電壓監(jiān)控復(fù)位和看門狗復(fù)位等，這些復(fù)位信號，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可用邏輯電路組合起來加載到系統(tǒng)的RST端。軟件復(fù)位，即通過軟件手段，在軟件框架里對系統(tǒng)復(fù)位，重新初始化系統(tǒng)。

按處理器內(nèi)外來劃分，又分為芯片內(nèi)復(fù)位和芯片外復(fù)位。于是，硬件復(fù)位又分外部硬件復(fù)位和內(nèi)部硬件復(fù)位。

對于硬件復(fù)位，按復(fù)位信號電平高低又可分為高電平復(fù)位和低電平復(fù)位。高電平復(fù)位是高電平有效，并在復(fù)位脈沖的下降沿完成復(fù)位過程；低電平復(fù)位是低電平有效，并在復(fù)位脈沖的上升沿完成復(fù)位。具體用什么復(fù)位信號，視嵌入式系統(tǒng)本身而定，但大多采用低電平復(fù)位，這與TTL的功耗有關(guān)，因?yàn)門TL電路中高電平的吸收電流要遠(yuǎn)小于低電平的吸收電流。

2上電復(fù)位的實(shí)現(xiàn)及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

2.1上電復(fù)位

上電復(fù)位（Power On Reset，POR），即系統(tǒng)上電時(shí)通過復(fù)位電路，在RST引腳提供一個(gè)足夠長時(shí)間的復(fù)位電平信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，再撤銷復(fù)位電平。在嵌入式系統(tǒng)中，上電復(fù)位是系統(tǒng)啟動初始化復(fù)位，全面而系統(tǒng)地復(fù)位處理器內(nèi)的所有邏輯單元與模塊，將初始化內(nèi)部邏輯操作，如存儲器控制器、中斷控制器和I/O引腳等的配置。

上電復(fù)位是保證嵌入式系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本操作。通常處理器芯片內(nèi)部自帶上電復(fù)位電路，圖2（a）所示為某MCU（微控制器）Reset引腳示意圖，內(nèi)部自帶上電復(fù)位電路。MCU芯片上電時(shí)，片內(nèi)POR將產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位信號以初始化芯片內(nèi)的數(shù)字模塊，其時(shí)序如圖2（b）所示。

有的處理器芯片通過在片外添加RC延時(shí)電路來得到上電復(fù)位信號。RC復(fù)位電路的復(fù)位脈沖寬度由芯片要求的復(fù)位時(shí)間決定，持續(xù)時(shí)間取決于RC電路參數(shù)，電容太大復(fù)位時(shí)間很長，電容太小復(fù)位時(shí)間不夠，不足以穩(wěn)定復(fù)位。

2.2上電復(fù)位失效及應(yīng)對措施

實(shí)際工作時(shí)，由于各方面的原因，上電復(fù)位會失效。由于受到干擾、電源波動、誤操作等原因，短暫的電壓下降造成供電恢復(fù)時(shí)由于電壓沒有滿足POR的發(fā)生條件，復(fù)位端的低電平復(fù)位信號無法再次啟動系統(tǒng)重新復(fù)位工作，此時(shí)會出現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)；電源二次開關(guān)時(shí)間間隔太短時(shí)，復(fù)位不可靠；當(dāng)電源電壓中有浪涌現(xiàn)象時(shí)，可能在浪涌消失后不能產(chǎn)生復(fù)位脈沖。這些現(xiàn)象盡管并不頻繁，但對于某些特殊應(yīng)用場景，如不能隨時(shí)進(jìn)行手動復(fù)位的遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)，卻是致命的。

出現(xiàn)失效時(shí)，常采用提高復(fù)位門限來應(yīng)對，使復(fù)位門限位于處理器正常工作電壓范圍內(nèi)，且接近處理器正常工作時(shí)的最低門限。另一應(yīng)對措施是延長復(fù)位信號時(shí)間，讓復(fù)位信號在電壓值恢復(fù)后維持足夠長的時(shí)間。電源穩(wěn)定后還要經(jīng)過一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號，以防止電源開關(guān)或電源捕頭分一合過程中引起的抖動影響復(fù)位。另外，為了解決電源毛刺和電源緩慢下降（電池電壓不足）等問題引起的POR不可靠現(xiàn)象，有設(shè)計(jì)人員在RC電路中增加了二極管放電回路，在電源電壓瞬間下降時(shí)使電容迅速放電，這樣，一定寬度的電源毛刺也可令系統(tǒng)可靠復(fù)位。

2.3實(shí)例分析：快速開關(guān)機(jī)單片機(jī)啟動不穩(wěn)定

筆者曾經(jīng)做過一個(gè)ZigBee物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，采用ZigBeeSoC芯片，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括一個(gè)8051的MCU核和ZigBee收發(fā)器。調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)ZigBee模塊快速關(guān)機(jī)然后快速開機(jī)，即二次開機(jī)時(shí)不穩(wěn)定，有時(shí)啟動不正常，功能不能實(shí)現(xiàn)。在軟件里加Trace信息，發(fā)現(xiàn)當(dāng)快速開關(guān)機(jī)時(shí)MCU并沒有正常啟動，沒有進(jìn)入所需要的初始化和主循環(huán)。避免快速關(guān)機(jī)開機(jī)，則可以正常啟動。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)關(guān)機(jī)后立即再開機(jī)，有時(shí)不能正常工作，是因?yàn)閺?fù)位不充分，這是嵌入式系統(tǒng)的共同點(diǎn)。

最后發(fā)現(xiàn)，由于SoC芯片里有內(nèi)部POR，所以片外沒有加RC復(fù)位電路。而工作電源VDD_3V上有20μF電容，下電時(shí)不能快速放電。添加外部RC復(fù)位電路（100 kΩ電阻和1μF電容），延長復(fù)位時(shí)間，電源穩(wěn)定后再取消復(fù)位。Reset功能在芯片上下電時(shí)更穩(wěn)定，問題得以解決。有時(shí)候電阻電容這種“小器件”往往可以解決“大問題”。

3電壓檢測復(fù)位

為了防止系統(tǒng)在上電、突然掉電或者電網(wǎng)瞬間欠壓引起嵌入式系統(tǒng)操作失誤，更常用和有效的方法是采用具有復(fù)位信號輸出的電壓監(jiān)測電路。電壓監(jiān)測電路提供多種保護(hù)功能：在系統(tǒng)上電、瞬間欠壓時(shí)提供系統(tǒng)復(fù)位信號；系統(tǒng)突然斷電、瞬間欠壓時(shí)輸出監(jiān)測信號，以供系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)措施，如數(shù)據(jù)保護(hù)、I/O安全設(shè)置；可連接備用電源，保證備用電源的投、切控制。

對于供電系統(tǒng)的容差范圍較大、壓值精度較低的情況，或者是遇到電網(wǎng)長期工作在欠壓狀態(tài)下時(shí)，可能會造成系統(tǒng)在正常工作條件下頻繁復(fù)位。這種情況更應(yīng)該監(jiān)控電源電壓，當(dāng)監(jiān)測到電壓波動時(shí)，監(jiān)控芯片向處理器發(fā)送電壓異常信號，處理器響應(yīng)該信號并中斷正在運(yùn)行的程序，進(jìn)入掉電保護(hù)子程序，設(shè)置復(fù)位狀態(tài)寄存器，避免下次上電時(shí)由于寄存器狀態(tài)錯(cuò)誤而無法啟動上電復(fù)位。

電壓監(jiān)測復(fù)位，可以解決電源毛刺等造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。復(fù)位電路可以采用分立元件搭建，目前常用專用集成電路芯片，閾值電壓和復(fù)位信號有些可通過編程修改。圖4是一個(gè)典型的電壓監(jiān)控復(fù)位芯片與微處理器的連接圖。

4看門狗復(fù)位

看門狗復(fù)位（即程序運(yùn)行監(jiān)視復(fù)位）可保證程序非正常運(yùn)行時(shí)能及時(shí)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)?？撮T狗分硬件看門狗和軟件看門狗。

4.1硬件看門狗復(fù)位

硬件看門狗的基本原理是，為電路提供一個(gè)用于監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行的信號線，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)給信號線提供一個(gè)特定信號；如在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無這個(gè)信號，自動復(fù)位電路就認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行不正常，并重新對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。具體方式是通過處理器的定時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。此復(fù)位電路的可靠性還與軟件有關(guān)，即將向復(fù)位電路發(fā)出脈沖的程序放在何處，在哪里插入“喂狗”指令，需作優(yōu)化。

硬件看門狗復(fù)位主要有三種形式：使用內(nèi)部帶WDT功能單元的電路，外部增設(shè)WDT電路和專用集成WDT芯片。圖5是一個(gè)看門狗芯片的工作方式圖。

4.2軟件復(fù)位

軟件復(fù)位可以節(jié)約電路板的空間和成本；軟件復(fù)位方式更靈活，更便捷。尤其是對一些功能模塊或者外設(shè)的監(jiān)控，借鑒硬件看門狗思想，采用軟件看門狗更有優(yōu)越性。用軟件來監(jiān)測功能模塊或者外設(shè)的工作情況，一旦認(rèn)為功能模塊或者外設(shè)工作異常，通過設(shè)定特殊的標(biāo)記，達(dá)到Reset判據(jù)時(shí)，則通過處理器強(qiáng)行復(fù)位并重新初始化工作異常的功能模塊或者外設(shè)，而其他功能模塊或者外設(shè)照常工作。當(dāng)然，有時(shí)也需要重新復(fù)位并初始化整個(gè)系統(tǒng)，使系統(tǒng)更穩(wěn)定地運(yùn)行。有些系統(tǒng)人為操作硬件復(fù)位（按鍵復(fù)位或者上下電）很不方便時(shí)，或者有些系統(tǒng)和產(chǎn)品不便于讓用戶知道其重啟時(shí)，就可采用軟件復(fù)位。

4.3實(shí)例分析：手機(jī)找網(wǎng)問題

筆者做過一個(gè)功能手機(jī)（feature phone）項(xiàng)目，由于手機(jī)平臺剛推出，平臺不太穩(wěn)定，軟件存在一些Bug，尤其是底層Layer1部分。手機(jī)找不到網(wǎng)，或者手機(jī)有網(wǎng)但過一段時(shí)間又沒有網(wǎng)的現(xiàn)象，發(fā)生概率很小，很難Debug.當(dāng)時(shí)軟件找了很長時(shí)間的Bug，并把問題反饋給平臺廠商，但沒能及時(shí)給出解決方法。情急之下，只好做了應(yīng)急之便，采用軟件復(fù)位的方法來救急。

在RTOS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)軟件中，添加一任務(wù)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)標(biāo)志位來監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)手機(jī)沒有信號時(shí)設(shè)置某標(biāo)志；通過適當(dāng)?shù)呐袚?jù)，確認(rèn)是否Reset，如果達(dá)到Reset條件就迅速地軟件復(fù)位，軟件重新初始化，如圖6所示。復(fù)位過程只能是“偷偷地”快速進(jìn)行，不能讓用戶察覺，否則用戶體驗(yàn)極為不好；要保持用戶界面，底層快速重啟，不知不覺地完成重啟。重啟后，網(wǎng)絡(luò)正常，用戶使用正常，巧妙地緩解，當(dāng)然最終還是從本質(zhì)上去解決問題。

5外設(shè)的復(fù)位及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

5.1外設(shè)復(fù)位的特殊性與可控性

嵌入式系統(tǒng)通常有LCD顯示、攝像頭和無線通信模塊等外設(shè)。外設(shè)正常工作也需要正確的復(fù)位。有些設(shè)計(jì)直接將外設(shè)的復(fù)位引腳與處理器的復(fù)位引腳連在一起，共用一個(gè)外部硬件復(fù)位源，如圖7（a）所示。這種連接方式存在一些問題。首先，這要求復(fù)位電路有足夠的復(fù)位時(shí)間，才能保證處理器和外設(shè)都正確復(fù)位；其次，一旦外設(shè)出問題，那么處理器也需要復(fù)位，整個(gè)系統(tǒng)都需重新初始化；最后，容易產(chǎn)生非同步復(fù)位，在處理器復(fù)位后，對外設(shè)寫入命令時(shí)，可能被外設(shè)所復(fù)位掉，導(dǎo)致初始化出錯(cuò)。

這些問題可以從硬件和軟件兩個(gè)方面來處理。硬件方面，對處理器和外設(shè)的復(fù)位分別進(jìn)行復(fù)位電路設(shè)計(jì)，適當(dāng)展寬復(fù)位脈沖。軟件方面，采用延時(shí)法，CPU上電后延時(shí)一段時(shí)間，等待外設(shè)復(fù)位充分，再進(jìn)行外設(shè)初始化。最可靠并最具操作性的是保證外設(shè)復(fù)位的可控性，使外設(shè)的復(fù)位信號與處理器復(fù)位信號分開，由處理器的某一GPIO來控制。當(dāng)處理器穩(wěn)定上電完成自身的初始化后，由處理器軟件控制外設(shè)復(fù)位，適當(dāng)延時(shí)后，再對外設(shè)進(jìn)行初始化，如圖7（b）所示。

外設(shè)復(fù)位的可控性，對要求特殊復(fù)位時(shí)序的外設(shè)尤其有用。不同的外設(shè)，其復(fù)位時(shí)序要求不同，具有個(gè)性與特殊性，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)具體的復(fù)位時(shí)序要求進(jìn)行個(gè)性化復(fù)位，否則可能導(dǎo)致外設(shè)工作不正常。

對于應(yīng)用系統(tǒng)中有多個(gè)外設(shè)時(shí)，不應(yīng)該如圖8（a）那樣把多個(gè)外設(shè)的復(fù)位引腳連在一起，由處理器的一個(gè)GPIO控制，進(jìn)行一次外部硬件復(fù)位。通常采用如圖8（b）的連接方式，處理器完成上電復(fù)位后，分別通過不同的GPIO控制、采用不同的延時(shí)對各外設(shè)分別進(jìn)行上電及復(fù)位。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，某個(gè)外設(shè)因受干擾工作不正常時(shí)，可以單獨(dú)對該外設(shè)進(jìn)行復(fù)位操作，而不影響其他外設(shè)；有利于提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和可靠性，能保證多個(gè)外設(shè)的可靠運(yùn)行。

5.2實(shí)例分析：WiFi模塊的特殊復(fù)位信號

筆者做過一個(gè)用WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻?xiàng)目，整個(gè)系統(tǒng)如圖9所示，SoC處理器模塊采集到的數(shù)據(jù)通過UART傳送給WiFi模塊，WiFi模塊再通過2.4 GHz無線信號傳送給無線WiFi AP，最后經(jīng)以太網(wǎng)口傳送給PC，由PC把無線AP獲取的數(shù)據(jù)保存到硬盤。

調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)前端部分工作不穩(wěn)定，WiFi模塊啟動不穩(wěn)定，各次啟動現(xiàn)象不一致，有時(shí)能正常啟動，有時(shí)不能正常啟動。最后，找到問題的所在點(diǎn)：WiFi模塊上電啟動時(shí)，沒有得到正確的復(fù)位。系統(tǒng)上電的RC復(fù)位電路產(chǎn)生的Reset信號并不能完全使系統(tǒng)穩(wěn)定，需要再加一個(gè)脈沖信號，如圖10（a）所示。WiFi模塊的Reset時(shí)序包括兩個(gè)階段：大于20 ms的上電Reset和大于1 ms的硬件脈沖信號。微處理器SoC上電復(fù)位并初始化后，由I/O控制WiFi模塊上電及復(fù)位，按需求進(jìn)行了特殊復(fù)位處理，采用特殊的Reset信號和時(shí)序，如圖10（b）所示，模塊可以穩(wěn)定啟動，工作正常，問題解決。

結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)的復(fù)位方式有上電復(fù)位、按鍵復(fù)位、電壓監(jiān)控復(fù)位和看門狗復(fù)位等很多種，正確地設(shè)計(jì)復(fù)位電路，合理并巧妙地應(yīng)用各種類型的復(fù)位操作，能使整個(gè)嵌入式系統(tǒng)更可靠、更穩(wěn)定地工作。