STM32F4独立看门狗和窗口看门狗的配置、原理和使用

发表于 2025-6-12 14:13

前言
本文详细介绍了独立看门狗和窗口看门狗的配置方法、内部原理和使用方法，对初学者有很大的帮助。全文九千五百多字，耗时一整天的时间。如果您对这一块知识存在一些疑惑，相信看完也会收获满满。

什么是看门狗
说它是看门狗，是比喻说法。设想一下，你家养了一只大狼狗，拴在门旁边。你每天都需要去喂狗，要不然一旦超过了喂狗的时候，比如你一整天都不喂狗，它肯定大声地犬吠，搞得你不得安宁。是不是？它的大声犬吠会使得你原本的工作学习被打断，无法继续下去。所以你一旦养了狗，就需要去不间断的去喂狗。
当然上面的说法希望你能理解看门狗的含义，没有要教大家怎么养狗的意思，哈哈哈……
看门狗本质上就是递减计数器。一旦我们使用了看门狗，就必须间隔一段时间去喂狗。这在我们的程序中是写好的逻辑。当程序出现故障了，或者卡死了，那就肯定会影响喂狗的时间。看门狗超时之前还没喂狗，那么就会引发复位，程序重新开始运行。这样就增加了我们的代码的安全性。所以看门狗是属于功能安全范畴的。

独立看门狗IWDG
独立看门狗，所谓“独立”，就是说，它完全独立于其他外设，就连时钟源都是自己使用一个内部的低速时钟，所以即便主频时钟出问题了，它也可以正常工作。

独立看门狗的原理
独立看门狗是一个12位递减计数器，减到0就触发复位。先来看一下时钟：

上图是STM32CubeIDE里面，关于时钟的配置部分截图。可以看到IWDG的时钟是由一个32KHz的内部低速时钟LSI提供的，而且没有“中间商”，你都不需要去使能这个时钟，它直接提供给看门狗。
接下来我们谈一下分频的事。什么是分频？
直白的说，就是输入的时钟太快了，我想把它的频率变慢了再使用！
够直白，是吧，我希望大家都可以明白。
那么分频之后的时钟频率，就是原时钟频率除以分频值。打比方，如果我选择4分频，那么IWDG实际使用的频率是32KHz/4=8KHz。
那么周期是多少？1/8KHz=0.125ms。也就是说，时钟跳动一个周期用时0.125ms。那么下一个参数就可以讲下了。
重装载计数值是什么？就是计数器从什么数值开始递减计数。比如说按默认值4095来算，那么打开看门狗之后，不喂狗，多久就会触发复位？
一个周期0.125ms，计数了4095个周期，那么算一下，二者相乘，结果是：511.875ms。也就是说，必须在511.875ms以内把狗喂了，要不然，复位伺候！
那么我想把计时器溢出时间改为1秒，那怎么办？
灵活的调节这两个参数就可以了。明显，预分频值越大，时钟越慢，一个周期耗时越长，对我们增加溢出时间越有利。你看，上面的例子，已经把重装载值设置成最大了，溢出时间也就是半秒，达不到1秒的预期。那就把预分频值改大试试呗。比如预分频设置成64分频，重装载值改为500。计算一下，500*（64/32）=1000ms，也就是1秒。
补充一下看门狗的喂狗时间（也就是看门狗溢出时间）的计算方式为：

其中：
Tout 为看门狗溢出时间（单位为 ms）；
prer 为看门狗时钟预分频值（IWDG_PR 值），范围为 0~7；
rlr 为看门狗的重装载值（IWDG_RLR 的值）；

下面是IWDG的寄存器：

关键字寄存器IWDG_KR
这个寄存器可以实现启动看门狗、喂狗、使能对PR、RLR寄存器的访问等功能。

预分频器寄存器
这个寄存器设置预分频系数。

重载寄存器
这个寄存器设置计数器重载值。就是将这个寄存器的值重新加载到计数器的初值中。

状态寄存器
这个寄存器就是告诉我们PR和RLR寄存器的值是否“生效”。

独立看门狗的配置
独立看门狗的配置简单，如下图：

首先，在左边选择IWDG，之后可以打勾Activated，最后下面有两个配置参数。
第一个：IWDG counter clock prescaler，即预分频系数，它有以下选项：

也就是说，至少4分频，默认参数就是4，最大可以256分频。
第二个参数是：IWDG down-counter reload value，即重装载值，这个参数可以手动输入。

由此可以知道，最大就是0xFFF，换算成十进制就是4095，回头看一下配置界面，默认就是4095。默认就是最大值。
我们保留这些默认配置，就可以说配置结束了。

独立看门狗的使用
前面我们配置完成了，那么就可以生成代码了。
在main函数中，初始化了独立看门狗。

MX_IWDG_Init();

在函数内部，有如下的操作。

其实函数的逻辑很清晰，不需要解释，都是我们配置的值。进HAL_IWDG_Init()函数看看。

HAL_StatusTypeDef HAL_IWDG_Init(IWDG_HandleTypeDef *hiwdg)
{
  uint32_t tickstart;

  if (hiwdg == NULL)
  {
return HAL_ERROR;
  }

  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_IWDG_ALL_INSTANCE(hiwdg->Instance));
  assert_param(IS_IWDG_PRESCALER(hiwdg->Init.Prescaler));
  assert_param(IS_IWDG_RELOAD(hiwdg->Init.Reload));
  /* Enable IWDG. LSI is turned on automatically */
  __HAL_IWDG_START(hiwdg);

  /* Enable write access to IWDG_PR and IWDG_RLR registers by writing 0x5555 in KR */
  IWDG_ENABLE_WRITE_ACCESS(hiwdg);

  /* Write to IWDG registers the Prescaler & Reload values to work with */
  hiwdg->Instance->PR = hiwdg->Init.Prescaler;
  hiwdg->Instance->RLR = hiwdg->Init.Reload;

  /* Check pending flag, if previous update not done, return timeout */
  tickstart = HAL_GetTick();

  /* Wait for register to be updated */
  while (hiwdg->Instance->SR != 0x00u)
  {
if ((HAL_GetTick() - tickstart) > HAL_IWDG_DEFAULT_TIMEOUT)
{
   return HAL_TIMEOUT;
}
  }

  /* Reload IWDG counter with value defined in the reload register */
  __HAL_IWDG_RELOAD_COUNTER(hiwdg);

  /* Return function status */
  return HAL_OK;
}

代码量不大，前面的断言就不看了。 __HAL_IWDG_START(hiwdg);
一进来直接就把IWDG使能了，还没设置内部参数呢，亲。可能是因为IWDG超时时间很长的缘故吧，所以他敢这么写。
/* Enable write access to IWDG_PR and IWDG_RLR registers by writing 0x5555 in KR */ IWDG_ENABLE_WRITE_ACCESS(hiwdg);
这里先使能了对下面的寄存器的写操作。注释说的很明白，就是下面的IWDG_PR和IWDG_RLR寄存器不是直接可以写操作的，需要在KR寄存器里写0x5555，之后才能写。

hiwdg->Instance->PR = hiwdg->Init.Prescaler;
hiwdg->Instance->RLR = hiwdg->Init.Reload;
这两行代码是对参数的设置。设置完还不行，必须等到参数已经“起效”了，这里说的比较直白。还有个寄存器，hiwdg->Instance->SR这个寄存器有两个位，都为0，就说明刚才设置进去的值“起效”了。

最后，__HAL_IWDG_RELOAD_COUNTER(hiwdg);很贴心的喂了一次狗。
接下来我们就要完善喂狗的逻辑了。
比如我们在主函数中设置每隔一段时间（不超过1秒）调用一下这个函数：

HAL_StatusTypeDef HAL_IWDG_Refresh(IWDG_HandleTypeDef *hiwdg)
{
  /* Reload IWDG counter with value defined in the reload register */
  __HAL_IWDG_RELOAD_COUNTER(hiwdg);

  /* Return function status */
  return HAL_OK;
}

显然里面的代码和刚才初始化函数最后执行的一样。至此，独立看门狗讲解完毕。
不过，从实际的使用出发，IWDG可以与定时器配合着，在定时器中断处理函数中去喂狗；或者在RTOS中，在一个周期任务中喂狗。

窗口看门狗WWDG
窗口看门狗，顾名思义，就是在一个像窗口一样的时间范围内喂狗，不在这个时间窗口内喂狗，就会触发复位。说到底，跟独立看门狗一样，也是一个向下的计数器。

窗口看门狗的原理
关于窗口看门狗，我们先看一张图，这张图看明白，对我们理解窗口看门狗至关重要。

一眼望去，这不就是递减计数器吗？对，没错！减到0就复位？不是的！还没减到0就复位，具体是减到0x3F的时候就会触发复位。·这就是“窗口下限值”。也就是说，喂狗一定要赶在计数器递减到0x3F之前！那么“窗口上限值”在哪里？就是W[6:0]所决定的。W[6:0]是7位的窗口值，是我们用户可以自由设置的，但也有条件，要大于0x3F，否则没有窗口了。也要小于0x7F，因为它最大也就是这个数字了。
那么回到图上，如果计数器的值大于W[6:0]的值，不允许喂狗，否则会引发复位！如果计数器的值在W[6:0]和0x3F之间，没错！可以喂狗，这也是正确的喂狗时机。一旦到了0x3F，那就复位伺候！
那么图上的T6位怎么理解？T[6:0]是计数器的计数值，它在不断变化，当你把0x3F换成二进制，就知道这里的Bit6等于0，也就是T6位等于0了。而前一个数0x40，就是T6位等于1的最后时刻。
你是否会问：“如果能在计数器减到0x40这个最后时刻触发中断，是不是我们可以在复位之前把狗喂了？”没错，WWDG的设计师也是这样认为。这叫Early wake-up interrupt，中文叫“提前唤醒中断”。

只要我们将此位置位，即可使能中断，在中断处理函数中喂狗。所以你看出来区别了。IWDG没有中断，WWDG是有中断的。
下面顺便讲一下寄存器：

需要强调一下，T[6:0]的数值是在自由运行状态的，即便我们禁止WWDG，它也会自动递减。找到参考手册原文与大家分享：

关于WWDG，还有一幅图，一定要拿出来讲解一下，要不然还会感觉意犹未尽。

首先，上面有W[6:0]，是窗口值，下面有T[6:0]，是计数值。二者通过比较器连接，输出的结果是T[6:0]大于W[6:0]吗？换句话说，高于窗口上限值了吗？如果高于了上限值，输出1。同时，如果这时候写了CR寄存器，也就是喂狗了，那么就会使得“与”门输出1。因为在窗口外喂狗了，这会引发复位的！下一步是一个“或”门，直接将结果输出到最终的“与门”。而另一个判断的条件是当前WWDG使能了吗？肯定使能了，是吧，我们都操作到现在了。看门狗都没使能就没得聊了。所以就引发了Reset。
另一方面，T6连接了一根线并“取反”，连接到了“或门”，也就是说，T6一旦等于0，取反后得到1，就直接输出1到最终的”与门“，引发Reset。
以上就是对这幅图的讲解，相信你看明白了。

最后说明一下WWDG的超时时间计算公式：

其中：
Twwdg： WWDG 超时时间（单位为 ms）
Fpclk1： APB1 的时钟频率（单位为 Khz）
WDGTB： WWDG 的预分频系数
T[5:0]：窗口看门狗的计数器低 6 位。

窗口看门狗的配置
关于配置，稍稍比独立看门狗复杂一丢丢，但也很简单。

左边选择WWDG，之后上面勾选Activated，下面设置参数。

对于这些参数，简单介绍一下：
WWDG counter clock prescaler：预分频值。由于WWDG的时钟源是PCLK1，就是下图中标出来的时钟源。

而我们需要在WWDG里面设置预分频值，前面讲过预分频的含义，就不赘述了。
WWDG window value：窗口值。在WWDG中需要在窗口的上限和下限值之间去喂狗。而上限值就是这个窗口值，下限值是固定的，就是0x3F。所以窗口值要比0x3F大，比0x7F小。为啥要比0x7F小？因为W[0:7]最大也就是0x7F。
WWDG free-running downcounter value：自由运行的递减计数器的初值。通常设置一个比较大的值，因为T[0:7]最大也即是0x7F，所以设置成0x7F。
Early wakeup interrupt：是否使能提前唤醒中断。

最后一个参数就是NVIC配置，使能NVIC中断。打勾使能即可。

窗口看门狗的使用
代码生成之后，我们看到在main函数中，初始化阶段，调用了WWDG的初始化。

MX_WWDG_Init();

这个函数内部的操作如下图：

同样，我们看一下HAL_WWDG_Init()函数的细节。

HAL_StatusTypeDef HAL_WWDG_Init(WWDG_HandleTypeDef *hwwdg)
{
  /* Check the WWDG handle allocation */
  if (hwwdg == NULL)
  {
return HAL_ERROR;
  }

  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_WWDG_ALL_INSTANCE(hwwdg->Instance));
  assert_param(IS_WWDG_PRESCALER(hwwdg->Init.Prescaler));
  assert_param(IS_WWDG_WINDOW(hwwdg->Init.Window));
  assert_param(IS_WWDG_COUNTER(hwwdg->Init.Counter));
  assert_param(IS_WWDG_EWI_MODE(hwwdg->Init.EWIMode));

#if (USE_HAL_WWDG_REGISTER_CALLBACKS == 1)
  /* Reset Callback pointers */
  if (hwwdg->EwiCallback == NULL)
  {
hwwdg->EwiCallback = HAL_WWDG_EarlyWakeupCallback;
  }

  if (hwwdg->MspInitCallback == NULL)
  {
hwwdg->MspInitCallback = HAL_WWDG_MspInit;
  }

  /* Init the low level hardware */
  hwwdg->MspInitCallback(hwwdg);
#else
  /* Init the low level hardware */
  HAL_WWDG_MspInit(hwwdg);
#endif

  /* Set WWDG Counter */
  WRITE_REG(hwwdg->Instance->CR, (WWDG_CR_WDGA | hwwdg->Init.Counter));

  /* Set WWDG Prescaler and Window */
  WRITE_REG(hwwdg->Instance->CFR, (hwwdg->Init.EWIMode | hwwdg->Init.Prescaler | hwwdg->Init.Window));

  /* Return function status */
  return HAL_OK;
}

可以看到里面只做了两件事，就是写操作了两个寄存器。一个是CR，另一个是CFR。关于这两个寄存器，我们在原理部分有讲解，大家可以回顾一下。
接下来我们要做的是：重新定义函数void HAL_WWDG_EarlyWakeupCallback(WWDG_HandleTypeDef *hwwdg)
这个函数是窗口看门狗的Early wake-up 中断触发之后，调用的喂狗函数。所以需要在这里喂狗。比如：

void HAL_WWDG_EarlyWakeupCallback(WWDG_HandleTypeDef *hwwdg)
{
HAL_WWDG_Refresh(hwwdg);
}

没错，里面唯一的一行代码就是喂狗的操作。

接下来为了大家更深入的理解，我调试了一下，配合着寄存器的值，我们看一下在中断中喂狗的流程。

程序继续运行，进入中断处理函数内部。

没错，最后T[0:7]变成0x7F，说明我们喂狗成功了。
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