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MCU 应用与监控功能的探讨 多执行绪、即时且多工的嵌入式系统具有相当的复杂性，因此也越来越难察觉细小元件是否出错。 由於有许多例行的服务作业都在某种程度上独立进行，因此某些作业在运作时，其他作业可能处於锁定、失效或正在执行一些无谓的程式码。　　 正因为如此，嵌入式系统设计人员更难以在某些低度服务的例行作业或失控核心导致故障时，保护整个系统。　　 本文探讨先进监控功能的演进需求，以及工程师可用来确保达到 MCU 可靠操作的技术，并检视须由硬体和软体分别在外部和内部改善的缺失，并且查看监控元件范例。 　　 简易防护　　 从 4 位元到先进的 32 位元，甚至更上一级的机器都需要监控功能。 我们时常可见简易型处理器在有潜在危险的情况中运作。 例如，节流阀控制的回路仅需在本机安装简易的混合式讯号 8 位元微控制器，即可提供稳定的闭回路控制。 然後就可透过汽车的 CAN 汇流排接收命令，并将远端汽车电脑的所有处理卸载。 然而，若此简易型处理器故障，整个节流阀就会失效。　　 几乎所有的现代化微控制器皆含有一些基本的监控功能，有可能是专属的监控硬体模块，或是能执行软体控制式监控功能的一般用途计时器。 这些都会跟处理器中的系统时脉进行同步。　　 由於处理器越来越精细，处理器本身内部的时脉架构与时脉分配也会更加精密。 振荡器尤其容易受到 ESD 的冲击，例如，若时脉停摆，同步监控功能就无法发挥作用。　　 R/C 振荡器和时间常数或许过於传统，但却能提供独立的时脉和重设机制，因此能当作备用或备援方案使用。 同样地，备援的内部和外部振荡器来源也可提供某种程度上的动力，以便在遭遇严重故障时继续监控电路。 时脉是否可选择性整合就跟时脉在树状中的位置一样重要（图 1）。 　　 　　系统时脉与备援 R/C 振荡器结合示意图 　　 　　图 1：系统时脉结合备援 R/C 振荡器，即可达到省电，并且在系统时脉受损时为监控功能提供可靠的独立备援时脉。 请注意此处两个 R/C 振荡器的使用方式。 　　 同样地，这也适用於低电压侦测电路。 即便使用内部电压参考、比较器和侦测器也可达到基本的精密度，外部电路或许能提供更高的解析度和更精密的电压位准选择性。 例如，若电压故障模式软体中含有写入 EEPROM 的步骤，您可能会想要早点跳脱低电压侦测器阈值，以便在依序关机前让电容电荷有足够的时间执行 EEPROM 写入。 现代电压侦测器能达到低至 0.05 V 的电压解析度，因此能精准使用所有能量。 通常这比微处理器内部的解析度都还要高。　　 另外也要注意最大逾时设定本身并非永远有效。 多数监控机制基本上皆采用可重复触发、单稳态多谐振荡器（可重复触发单稳态）功能。 若软体或硬体周期时脉未在最大的允许时间范围内重设计时器，监控元件就会跳脱并重置处理器（或开始故障复原服务例行作业）。　 此外也要注意最短时间需求。 例如，若服务例行作业与 60 Hz 电源线零交叉时脉同步，脉冲则需间隔 8.33 ms。 若提前到达，就必须处理杂讯或故障情况，通常也会出现安全性事件。　　 多重处理器和多核心设计会有特殊情况。 必须设定个别监控元件监控各个处理器或核心，并依据该处理器当时核心运作的独特情况进行监控。 也就是说，针对多核心环境中的核心所进行的软体开发，必须纳入特定监控条件，指出特定码块的故障。 此外，监控元件应采用阶层式报告。 每个核心应回报至更高一层的监控元件，然後再汇整来自所有次核心与流程的所有故障模式。 监控管理元件是较高阶的系统功能，必须与主任务管理元件合作，将码块分配到特定核心。 此外也必须跟外部监控系统密切合作。 有线 OR 类型的多重监控模块可轻松进行扩充，采用核心特定的 I/O 进行回报（图 2）。 可以是 FPGA 或 CPLD 内部的独立逻辑模块，透过简单扩充，即可处理多重处理器和模块。 暂存器可汇集所有报告模块的独立状态，以便试验并复原个别核心。 如您所知，复原例行作业现在更加复杂，就如同如何重新启动一个核心，但让系统其他部分继续运作一样。 　　 　　监控阶层的顶端层级示意图 　　 　　图 2：监控阶层的顶端能使用可扩充的有线式 OR 功能，让所有微处理器或核心以其各自速率进行回报。 各个单稳态元件应让其监控的流程编程到时间间隔内。 每个码块皆在内部纳入监控参数。 　　 具有特殊监控功能的元件　　 有不少微处理器都具备独特或不同的功能，以便进行监控。 以 Maxim 的 16 位元 MaxQ 系列为例，其结合多种弹性计时器以及智慧电路，可增进使用性。 Maxim 的 MAXQ2000-RBX+ 等元件则具有第二层警示。 若未获得服务，且 MAXQ2000 的 WDT 超限，则会用额外的 512 个系统时脉周期触发中断