STM32 LibOpenCM3：WWDG 窗口看門狗計時器

前言

在上一篇中已經介紹了 WWDG 的基本概念。這一篇要接著介紹 WWDG 窗口看門狗的程式。

正文

首先一樣以 Nucleo-F446RE 做示範。

首先建立一個 PIO 的專案，選擇 Framework 為「libopencm3」，並在 src/ 資料夾中新增並開啓 main.c 檔案。

完整程式

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/**
 * @file   main.c
 * @brief  WWDG (Window watchdog) example for STM32 Nucleo-F446RE.
 */

#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/wwdg.h>
#include <libopencm3/cm3/systick.h>
#include <libopencm3/cm3/nvic.h>

#define WWDG_COUNTER (0x7F) /* WWDG_CR  -> T[6:0], 0x7F ~ 0x40. */
#define WWDG_WINDOWS (0x5F) /* WWDG_CFR -> W[6:0], T[6:0] ~ 0x40. */

#define WWDG_MS(v) (1.0 / (rcc_apb1_frequency / 1000) * 4096 * 8 * (v))

#define RCC_LED_GPIO (RCC_GPIOA)
#define GPIO_LED_PORT (GPIOA)
#define GPIO_LED_PIN (GPIO5) /* D13. */

static volatile uint32_t systick_delay = 0;

static void delay_ms(uint32_t value)
{
  systick_delay = value;
  while (systick_delay != 0)
  {
    /* Wait. */
  }
}

static void rcc_setup(void)
{
  rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_84MHZ]);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_LED_GPIO);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_WWDG);
}

static void systick_setup(void)
{
  systick_set_clocksource(STK_CSR_CLKSOURCE_AHB_DIV8);
  systick_set_reload(rcc_ahb_frequency / 8 / 1000 - 1);
  systick_interrupt_enable();
  systick_counter_enable();
}

static void wwdg_refresh(void)
{
  WWDG_CR |= WWDG_COUNTER << WWDG_CR_T_LSB;
}

static void wwdg_setup(void)
{
  WWDG_CFR |= WWDG_CFR_WDGTB_CK_DIV8 << WWDG_CFR_WDGTB_LSB; /* Set WDG prescaler to div8. */

  WWDG_CR &= ~(0x7F << WWDG_CR_T_LSB);      /* Clear T[6:0]. */
  WWDG_CR |= WWDG_COUNTER << WWDG_CR_T_LSB; /* Setup T[6:0]. */

  WWDG_CFR &= ~(0x7F << WWDG_CFG_W_LSB);      /* Clear W[6:0]. */
  WWDG_CFR |= WWDG_WINDOWS << WWDG_CFG_W_LSB; /* Setup W[6:0]. */

  WWDG_CR |= WWDG_CR_WDGA; /* Enable WWDG. */
}

static void led_setup(void)
{
  gpio_mode_setup(GPIO_LED_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_LED_PIN);
  gpio_set_output_options(GPIO_LED_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_2MHZ, GPIO_LED_PIN);
}

int main(void)
{
  rcc_setup();
  systick_setup();
  led_setup();

  gpio_clear(GPIO_LED_PORT, GPIO_LED_PIN);
  delay_ms(10);
  gpio_set(GPIO_LED_PORT, GPIO_LED_PIN);
  delay_ms(1000);

  wwdg_setup(); /* Setup and start WWDG. */

  delay_ms(WWDG_MS(WWDG_COUNTER - WWDG_WINDOWS + 1));
  wwdg_refresh();

  while (1)
  {
    gpio_toggle(GPIO_LED_PORT, GPIO_LED_PIN); /* LED on/off. */
    delay_ms(WWDG_MS((WWDG_COUNTER & 0x3F) + 1)); /* 0x3F is the mask for bit[5:0]. */
    wwdg_refresh();
  }

  return 0;
}

/**
 * @brief  SysTick handler.
 */
void sys_tick_handler(void)
{
  if (systick_delay != 0)
  {
    systick_delay--;
  }
}

分段說明

Include

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#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/wwdg.h>
#include <libopencm3/cm3/systick.h>
#include <libopencm3/cm3/nvic.h>

和 IWDG 時一樣，為了要更方便驗證 WWDG 的運作，我使用 SysTick 實現較精確的 ms 級 delay()，因此需要 systick.h 與 nvic.h。當然也需要今天的主角——wwdg.h。

RCC

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static void rcc_setup(void)
{
  rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_84MHZ]);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_LED_GPIO);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_WWDG);
}

要注意這裡與 IWDG 不同，WWDG 在 APB1 底下，所以要記得為它致能 Clock。

WWDG Timeout 計算

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#define WWDG_COUNTER (0x7F) /* WWDG_CR  -> T[6:0], 0x7F ~ 0x40. */
#define WWDG_WINDOWS (0x5F) /* WWDG_CFR -> W[6:0], T[6:0] ~ 0x40. */

#define WWDG_MS(v) (1.0 / (rcc_apb1_frequency / 1000) * 4096 * 8 * (v))

複習一下上一篇提到的基本概念。在啓用 WWDG 時有兩種情況會造成它觸發 System Reset：

  1. 當 WWDG 下數計數器的值 T[6:0] 變得小於 0x40，即 T6 位元變成 0。
  2. 在時間窗口（Window）外（即 T[6:0] > W[6:0]）時下數計數器被重新裝載（Reload）。

▲ WWDG 的 Window 示意圖。取自 RM0390 Rev 6 P.648。

▲ WWDG 的 Timeout 計算公式。取自 RM0390 Rev 6 P.648。

只要參考上面的公式就可以計算 WWDG 的 Timeout 長度。

我這裡以 WWDG_COUNTER 為名定義 T[6:0] 為 0x7F，以 WWDG_WINDOWS 為名定義 W[6:0] 為 0x5F。

再使用一個 Macro WWDG_MS() 來定義 Timeout 計算公式為 1.0 / (rcc_apb1_frequency / 1000) * 4096 * 8 * (v)。

依此設定，必須要在 T[6:0] = 0x5F~0x40 的這段時間內才可以 Refresh。T[6:0] = 0x7F~0x60 是 Window 外，T[6:0] ≦ 0x3F時代表 Timeout。

WWDG 設定

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static void wwdg_setup(void)
{
  WWDG_CFR |= WWDG_CFR_WDGTB_CK_DIV8 << WWDG_CFR_WDGTB_LSB; /* Set WDG prescaler to div8. */

  WWDG_CR &= ~(0x7F << WWDG_CR_T_LSB);      /* Clear T[6:0]. */
  WWDG_CR |= WWDG_COUNTER << WWDG_CR_T_LSB; /* Setup T[6:0]. */

  WWDG_CFR &= ~(0x7F << WWDG_CFG_W_LSB);      /* Clear W[6:0]. */
  WWDG_CFR |= WWDG_WINDOWS << WWDG_CFG_W_LSB; /* Setup W[6:0]. */

  WWDG_CR |= WWDG_CR_WDGA; /* Enable WWDG. */
}

有沒有感受到這一段程式的風格突變？

因為截止寫文章當下，LibOpenCM3 還沒有實作任何 WWDG 的相關函式，所以只好回歸最原始的暫存器操作。還好 WWDG 是個很簡單的功能，要操作的暫存器甚至比使用 GPIO 還少。

要設定的值只有四個，分別為 WDG 預除頻器的除頻值 WDGTW、T[6:0]、W[6:0]，最後再將 WDGA 設為 1 以致能 WWDG。

注意，寫入 WWDG_CR 暫存器的值必須要在 0xFF 與 0xC0 之間。由於第 7 位 WDGA 只能在 Reset 後由硬體清為 0，所以寫入 WWDG_CR 的第 7 位元一定是 1。而如果第 6 位 T6 被設定為 0 的話會立刻觸發 Reset。

WWDG Refresh

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static void wwdg_refresh(void)
{
  WWDG_CR |= WWDG_COUNTER << WWDG_CR_T_LSB;
}

Refresh 也非常單純，就是寫入 T[6:0] 讓計數器 Reload。

主程式

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int main(void)
{
  rcc_setup();
  systick_setup();
  led_setup();

  gpio_clear(GPIO_LED_PORT, GPIO_LED_PIN);
  delay_ms(10);
  gpio_set(GPIO_LED_PORT, GPIO_LED_PIN);
  delay_ms(1000);

  wwdg_setup(); /* Setup and start WWDG. */

  delay_ms(WWDG_MS(WWDG_COUNTER - WWDG_WINDOWS + 1));
  wwdg_refresh();

  while (1)
  {
    gpio_toggle(GPIO_LED_PORT, GPIO_LED_PIN); /* LED on/off. */
    delay_ms(WWDG_MS((WWDG_COUNTER & 0x3F) + 1)); /* 0x3F is the mask for bit[5:0]. */
    wwdg_refresh();
  }

  return 0;
}

主程式的部分和 IWDG 時差不多。在 WWDG 設定並啓動（wwdg_setup()）前先讓 LED off 10ms 後 on 1s，以方便觀察是否發生 Reset。

在 WWDG 啓動後等待數毫秒再進行一次 Refresh，這邊是要驗證 Window（條件 2），如果更早進行 Refresh 的話就會觸發 Reset。

主迴圈就是讓 LED 閃爍，並在一定時間後進行 Refresh，這裡是要驗證 WWDG 的 Timeout（條件 1），若更晚進行 Refresh 的話就會觸發 Reseet。

多環境程式（F446RE + F103RB）

由於 STM32F1 的部分函式不同，所以 F103RB 沒辦法直接使用上面的 F446RE 的程式。

以下列出主要的差異部分。完整的程式請看 GitHub repo。

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static void rcc_setup(void)
{
#if defined(STM32F1)
  rcc_clock_setup_in_hse_8mhz_out_72mhz();
#elif defined(STM32F4)
  rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_84MHZ]);
#endif

  rcc_periph_clock_enable(RCC_LED_GPIO);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_WWDG);
}
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static void led_setup(void)
{
  /* Set LED pin to output push-pull. */
#if defined(STM32F1)
  gpio_set_mode(GPIO_LED_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT_2_MHZ, GPIO_CNF_OUTPUT_PUSHPULL, GPIO_LED_PIN);
#else
  gpio_mode_setup(GPIO_LED_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_LED_PIN);
  gpio_set_output_options(GPIO_LED_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_2MHZ, GPIO_LED_PIN);
#endif
}

成果

這次使用 PlatformIO 的 Debug 功能來測試 WWDG 的運作。

可以看到 Refresh 前，T[6:0] 的值數到 0x5F，已經不大於 W[6:0] 了（條件 2），所以這時 Refresh 不會觸發 Reset。

在 Refresh 前，T[6:0] 的值為 0x40，還沒到下限 0x3F（條件 1），所以這時還來得及 Refresh 而不會觸發 Reset。

這裡的 delay 的最小單位是 1 ms，但實際計算 WWDG 的各項參數是會算到小數點後，這一點在實際應用上應該被考慮，例如使用 ns 級的 delay 函式。

小結

這次接續 IWDG 的內容，繼續介紹 WWDG 的用法。由於 LibOpenCM3 目前沒有實作 WWDG 的相關操作函式，所以這次是使用操作暫存器的方式來示範，但因為我幾乎沒有在直接操作暫存器，因此不確定上述的寫法是不是最好的，畢竟這種東西應該有不少細節是需要注意的，若有任何建議都歡迎提出。

另外，這次也使用了 PIO 的 Debug 功能來做程式的驗證。Debug 是非常好用的功能，尤其 Nucleo 開發板上都有 ST-Link，可以直接進行 Debug，即時查看程式的運作與 STM32 中的暫存器數值。如果還沒用過的話請一定要學習並嘗試看看。

參考資料

本文的程式也有放在 GitHub 上。
本文同步發表於 iT 邦幫忙-2022 iThome 鐵人賽。

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