Was ist ein Watchdog-Timer?
Ein Watchdog-Timer (WDT) ist eine elektronische Schaltung, die anormale Vorgänge verschiedener Geräte, die von einem Programm gesteuert werden, erkennt und ein WDT-Unterbrechungssignal ausgibt.
Watchdog-Timer sind im Allgemeinen in Mikrocontroller eingebaut, die Steuerprogramme ausführen.
Anwendungen von Watchdog-Timern
Eine Vielzahl von Geräten wird von Mikrocontrollern gesteuert, von digitalen Geräten wie Smartphones, Haushaltsgeräten wie Klimaanlagen, Industrieanlagen wie Robotern bis hin zu Automobilen.
Da der Inhalt des Betriebs solcher mit Mikrocontrollern ausgestatteten Geräte je nach ihrem Verwendungszweck festgelegt ist, arbeiten sie nach einem festen, fehlerbereinigten Programm. In seltenen Fällen, die bei der Fehlersuche nicht vorhergesehen wurden oder aufgrund von Fehlfunktionen von Peripheriegeräten kann es jedoch zu einem abnormalen Verhalten des Systems kommen.
Im Falle eines abnormalen Betriebs unter der Kontrolle des Mikrocontrollers muss das System in seinen normalen Zustand zurückgesetzt werden. Insbesondere der anormale Betrieb von Mikrocontrollern, die Fahrzeuge, Flugzeuge und Industrieanlagen steuern, kann zu schweren Unfällen führen.
Watchdog-Timer können in solchen Fällen eingesetzt werden, um einen anormalen Betriebszustand zu erkennen und eine Unterbrechung an den Mikrocontroller zu senden, um ihn zurückzusetzen und so das System in seinen normalen Zustand zurückzubringen.
Funktionsweise des Watchdog-Timers
Der Watchdog-Timer zählt eine vorher festgelegte Zeit und wenn er innerhalb dieser Zeit ein Rücksetzsignal vom Zentralprozessor erhält, beginnt er wieder von vorne zu zählen. Wird innerhalb dieser Zeit kein Rücksetzsignal empfangen, wird der Mikrocontroller als in einem anormalen Zustand befindlich betrachtet, und das WDT-Unterbrechungssignal wird an die Unterbrechungsschaltung ausgegeben, um den Mikrocontrollerbetrieb zurückzusetzen.
Softwareseitig ist das Programm so konzipiert, dass das WDT-Reset-Signal periodisch ausgegeben wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der Watchdog-Timer zurückgesetzt wird, solange das Programm wie vorgesehen arbeitet, und dass jede Abweichung vom vorgesehenen Zustand den Watchdog-Timer nicht zurücksetzt und als Anomalie erkannt wird.
Neben der digitalen Einstellung der Timerzeit gibt es auch eine analoge Methode zur Einstellung der Timerzeit, bei der die Einstellzeit durch Veränderung der externen Kapazität angepasst werden kann.
Auswahl eines Watchdog-Timers
Watchdog-Timer sind in der Regel in Mikrocontrollern eingebaut, aber wenn die erforderliche Zuverlässigkeit des Systems sehr hoch ist, sollte eine externe Konfiguration gewählt werden.
Der Watchdog-Timer ist ein System zur Erkennung von abnormalem Verhalten des Mikrocontrollers. Wenn er also in den Mikrocontroller eingebaut ist, kann er keine Anomalien erkennen, wenn diese auftreten, bevor der Watchdog-Timer aktiviert wird.
In Systemen wie z. B. Flugzeugen, in denen ein anormaler Betrieb zu einem schweren Unfall führen könnte, muss ein externer Watchdog-Timer in Verbindung mit dem Mikrocontroller verwendet werden, um einen ausfallsicheren Schutz im Falle von Mängeln zu gewährleisten.
Weitere Informationen zu Watchdog-Timer
Betriebsarten des Watchdog-Timers
Der Watchdog-Timer verfügt über drei Betriebsmodi zur Erkennung verschiedener Anomalien im Mikrocontroller:
1. Timeout-Modus
Dies ist der Standardmodus: Wenn innerhalb einer bestimmten Zeitspanne kein Reset-Signal vom Mikrocontroller eingeht, wird letzterer als in einem anormalen Zustand befindlich betrachtet und ein Interrupt-Signal ausgegeben.
Obwohl es sich hierbei um eine Standardbetriebsart handelt, kann sie nicht zur Erkennung eines anormalen Zustands verwendet werden, wenn z. B. während der WDT-Reset-Verarbeitungsroutine eine Endlosschleife auftritt, da der Watchdog-Timer periodisch zurückgesetzt wird.
2. Fenstermodus
Der Fenstermodus ist ein Modus, der auch anormale Zustände wie die oben beschriebene Endlosschleife erkennt. Zusätzlich zu den grundlegenden Funktionen des Timeout-Modus kann ein anormaler Zustand erkannt werden, wenn ein Signal mehr als die angegebene Anzahl von Eingängen innerhalb einer bestimmten Periode (Doppelimpuls) erfolgt.
Im Fenstermodus wird wie im Timeout-Modus ein Interrupt-Signal nicht nur bei Überschreiten der oberen Timer-Grenze ausgegeben, sondern auch, wenn eine untere Grenze gesetzt ist und innerhalb dieser unteren Grenze ein Reset-Signal empfangen wird.
Auf diese Weise wird der Zustand zwischen dem unteren und dem oberen Grenzwert (Fenster) als normal angesehen, was bedeutet, dass die Einstellung dieser Werte und die Rücksetzverarbeitung im Programm sorgfältig festgelegt werden müssen, aber auch eine fortgeschrittene Anomalienerkennung ermöglicht. Watchdog-Timer im Fenstermodus sind notwendig für Systeme, bei denen Menschenleben auf dem Spiel stehen, und für Anwendungen, die eine höhere Sicherheit erfordern.
3. Q&A-Modus
Im Q&A-Modus werden vorgegebene Daten an den Watchdog-Timer gesendet, der dann entscheidet, ob das vom Mikrocontroller gesendete Signal mit dem erwarteten übereinstimmt und ob es normal oder abnormal ist.
Da diese Art der Verarbeitung je nach Bedarf im Programm durchgeführt wird, ist eine hochpräzise Erkennung von Anomalien möglich, aber der Schwierigkeitsgrad beim Schreiben des Programms ist hoch.