Reset與嵌入式系統(tǒng)應用的穩(wěn)定性

嵌入式系統(tǒng)的應用領(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)運行的穩(wěn)定性和可靠性。Reset是維護系統(tǒng)穩(wěn)定的一個關(guān)鍵因素，正確地設計復位電路，巧妙地應用復位操作，能使整個系統(tǒng)更可靠、穩(wěn)定地運行。本文結(jié)合實際項目經(jīng)驗分析Reset的相關(guān)應用與設計，展示Reset對系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要性。


引言

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

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

1 Reset方式及手段

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

總的說來，嵌入式復位方式主要分硬件復位和軟件復位。硬件復位，即采用硬件的手段、通過硬件復位信號對系統(tǒng)處理器或者外設進行復位。只要在RST端出現(xiàn)一定時間（具體看系統(tǒng)和處理器的機器周期）的復位電平信號，由CPU采樣復位信號，啟動復位時序，即可完成復位操作。硬件復位一般包括上電復位、按鍵復位、電壓監(jiān)控復位和看門狗復位等，這些復位信號，在系統(tǒng)設計時可用邏輯電路組合起來加載到系統(tǒng)的RST端。軟件復位，即通過軟件手段，在軟件框架里對系統(tǒng)復位，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)復位和芯片外復位。于是，硬件復位又分外部硬件復位和內(nèi)部硬件復位。

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

2上電復位的實現(xiàn)及穩(wěn)定性設計

2.1上電復位

上電復位（Power On Reset，POR），即系統(tǒng)上電時通過復位電路，在RST引腳提供一個足夠長時間的復位電平信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，再撤銷復位電平。在嵌入式系統(tǒng)中，上電復位是系統(tǒng)啟動初始化復位，全面而系統(tǒng)地復位處理器內(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。

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

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

2.2上電復位失效及應對措施

實際工作時，由于各方面的原因，上電復位會失效。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時由于電壓沒有滿足POR的發(fā)生條件，復位端的低電平復位信號無法再次啟動系統(tǒng)重新復位工作，此時會出現(xiàn)系統(tǒng)死機；電源二次開關(guān)時間間隔太短時，復位不可靠；當電源電壓中有浪涌現(xiàn)象時，可能在浪涌消失后不能產(chǎn)生復位脈沖。這些現(xiàn)象盡管并不頻繁，但對于某些特殊應用場景，如不能隨時進行手動復位的遠程自動控制系統(tǒng)，卻是致命的。

出現(xiàn)失效時，常采用提高復位門限來應對，使復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的最低門限。另一應對措施是延長復位信號時間，讓復位信號在電壓值恢復后維持足夠長的時間。電源穩(wěn)定后還要經(jīng)過一定的延時才撤銷復位信號，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，有設計人員在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)可靠復位。

2.3實例分析：快速開關(guān)機單片機啟動不穩(wěn)定

筆者曾經(jīng)做過一個ZigBee物聯(lián)網(wǎng)項目，采用ZigBeeSoC芯片，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括一個8051的MCU核和ZigBee收發(fā)器。調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)ZigBee模塊快速關(guān)機然后快速開機，即二次開機時不穩(wěn)定，有時啟動不正常，功能不能實現(xiàn)。在軟件里加Trace信息，發(fā)現(xiàn)當快速開關(guān)機時MCU并沒有正常啟動，沒有進入所需要的初始化和主循環(huán)。避免快速關(guān)機開機，則可以正常啟動。當嵌入式系統(tǒng)關(guān)機后立即再開機，有時不能正常工作，是因為復位不充分，這是嵌入式系統(tǒng)的共同點。

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復位電路。而工作電源VDD_3V上有20μF電容，下電時不能快速放電。添加外部RC復位電路（100 kΩ電阻和1μF電容），延長復位時間，電源穩(wěn)定后再取消復位。Reset功能在芯片上下電時更穩(wěn)定，問題得以解決。有時候電阻電容這種“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功能：在系統(tǒng)上電、瞬間欠壓時提供系統(tǒng)復位信號；系統(tǒng)突然斷電、瞬間欠壓時輸出監(jiān)測信號，以供系統(tǒng)實施保護措施，如數(shù)據(jù)保護、I/O安全設置；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，可能會造成系統(tǒng)在正常工作條件下頻繁復位。這種情況更應該監(jiān)控電源電壓，當監(jiān)測到電壓波動時，監(jiān)控芯片向處理器發(fā)送電壓異常信號，處理器響應該信號并中斷正在運行的程序，進入掉電保護子程序，設置復位狀態(tài)寄存器，避免下次上電時由于寄存器狀態(tài)錯誤而無法啟動上電復位。

電壓監(jiān)測復位，可以解決電源毛刺等造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。復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，閾值電壓和復位信號有些可通過編程修改。圖4是一個典型的電壓監(jiān)控復位芯片與微處理器的連接圖。

4看門狗復位

看門狗復位（即程序運行監(jiān)視復位）可保證程序非正常運行時能及時進入復位狀態(tài)?？撮T狗分硬件看門狗和軟件看門狗。

4.1硬件看門狗復位

硬件看門狗的基本原理是，為電路提供一個用于監(jiān)視系統(tǒng)運行的信號線，當系統(tǒng)正常運行時，應在規(guī)定的時間內(nèi)給信號線提供一個特定信號；如在規(guī)定的時間內(nèi)無這個信號，自動復位電路就認為系統(tǒng)運行不正常，并重新對系統(tǒng)進行復位。具體方式是通過處理器的定時復位計數(shù)器來實現(xiàn)。此復位電路的可靠性還與軟件有關(guān)，即將向復位電路發(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WDT電路和專用集成WDT芯片。圖5是一個看門狗芯片的工作方式圖。

4.2軟件復位

軟件復位可以節(jié)約電路板的空間和成本；軟件復位方式更靈活，更便捷。尤其是對一些功能模塊或者外設的監(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的工作情況，一旦認為功能模塊或者外設工作異常，通過設定特殊的標記，達到Reset判據(jù)時，則通過處理器強行復位并重新初始化工作異常的功能模塊或者外設，而其他功能模塊或者外設照常工作。當然，有時也需要重新復位并初始化整個系統(tǒng)，使系統(tǒng)更穩(wěn)定地運行。有些系統(tǒng)人為操作硬件復位（按鍵復位或者上下電）很不方便時，或者有些系統(tǒng)和產(chǎn)品不便于讓用戶知道其重啟時，就可采用軟件復位。

4.3實例分析：手機找網(wǎng)問題

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

在RTOS實時多任務操作系統(tǒng)軟件中，添加一任務，設置網(wǎng)絡狀態(tài)標志位來監(jiān)視網(wǎng)絡狀態(tài)，當手機沒有信號時設置某標志；通過適當?shù)呐袚?jù)，確認是否Reset，如果達到Reset條件就迅速地軟件復位，軟件重新初始化，如圖6所示。復位過程只能是“偷偷地”快速進行，不能讓用戶察覺，否則用戶體驗極為不好；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)絡正常，用戶使用正常，巧妙地緩解，當然最終還是從本質(zhì)上去解決問題。

5外設的復位及穩(wěn)定性設計

5.1外設復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。外設正常工作也需要正確的復位。有些設計直接將外設的復位引腳與處理器的復位引腳連在一起，共用一個外部硬件復位源，如圖7（a）所示。這種連接方式存在一些問題。首先，這要求復位電路有足夠的復位時間，才能保證處理器和外設都正確復位；其次，一旦外設出問題，那么處理器也需要復位，整個系統(tǒng)都需重新初始化；最后，容易產(chǎn)生非同步復位，在處理器復位后，對外設寫入命令時，可能被外設所復位掉，導致初始化出錯。

這些問題可以從硬件和軟件兩個方面來處理。硬件方面，對處理器和外設的復位分別進行復位電路設計，適當展寬復位脈沖。軟件方面，采用延時法，CPU上電后延時一段時間，等待外設復位充分，再進行外設初始化。最可靠并最具操作性的是保證外設復位的可控性，使外設的復位信號與處理器復位信號分開，由處理器的某一GPIO來控制。當處理器穩(wěn)定上電完成自身的初始化后，由處理器軟件控制外設復位，適當延時后，再對外設進行初始化，如圖7（b）所示。

外設復位的可控性，對要求特殊復位時序的外設尤其有用。不同的外設，其復位時序要求不同，具有個性與特殊性，系統(tǒng)應根據(jù)具體的復位時序要求進行個性化復位，否則可能導致外設工作不正常。

對于應用系統(tǒng)中有多個外設時，不應該如圖8（a）那樣把多個外設的復位引腳連在一起，由處理器的一個GPIO控制，進行一次外部硬件復位。通常采用如圖8（b）的連接方式，處理器完成上電復位后，分別通過不同的GPIO控制、采用不同的延時對各外設分別進行上電及復位。系統(tǒng)運行過程中，某個外設因受干擾工作不正常時，可以單獨對該外設進行復位操作，而不影響其他外設；有利于提高系統(tǒng)設計的靈活性和可靠性，能保證多個外設的可靠運行。

5.2實例分析：WiFi模塊的特殊復位信號

筆者做過一個用WiFi進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻椖?，整個系統(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，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，有時能正常啟動，有時不能正常啟動。最后，找到問題的所在點：WiFi模塊上電啟動時，沒有得到正確的復位。系統(tǒng)上電的RC復位電路產(chǎn)生的Reset信號并不能完全使系統(tǒng)穩(wěn)定，需要再加一個脈沖信號，如圖10（a）所示。WiFi模塊的Reset時序包括兩個階段：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上電復位并初始化后，由I/O控制WiFi模塊上電及復位，按需求進行了特殊復位處理，采用特殊的Reset信號和時序，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)的復位方式有上電復位、按鍵復位、電壓監(jiān)控復位和看門狗復位等很多種，正確地設計復位電路，合理并巧妙地應用各種類型的復位操作，能使整個嵌入式系統(tǒng)更可靠、更穩(wěn)定地工作。