基于ARM IP的看门狗设计与功能验证

看门狗是一个定时器， ARM提供了一个32位向下计数的看门狗IP，它会不断地计数。通过软件可以设置计数值，计数到某一设定值重新开始计数，这一过程也被称为喂狗，如果没有正常喂狗，说明出现系统故障，看门狗模块立即产生一个复位信号，复位整个SOC系统，使系统恢复正常运行，从而提高了系统的稳定性。本文基于ARM提供的看门狗计数器IP，提供了一种将其集成到SOC系统的方法，同时基于软件平台验证IP功能的正确性。
在系统运行时，可能会在外界的干扰下，出现程序跑飞的情况，看门狗的出现就是为了解决这种故障。看门狗是一个独立于系统的计数器，即它的时钟和系统时钟不是同一个时钟，在看门狗时钟的驱动下，计数器会不断地计数，并且每隔一段时间会重置计数器（喂狗），然后重新开始计数，若没有接收到喂狗信号，说明系统出现故障，就要发送给系统发送复位信号，使系统重启。APB watchdog IP由ARM提供，是一个基于32位重装载寄存器的向下计数器，计数值在每个使能的看门狗时钟上升沿减1，可以通过设置计数器值产生中断和复位。
当看门狗计数值减到0时，计数停止，并产生复位请求。在下一个被使能的看门狗时钟沿，重装载寄存器使计数器重新装载数值，然后重新开始向下计数。如果在计数器下一次达到0时中断未被清除，看门狗模块将再一次启动复位信号。看门狗复位的流程如图1所示。

1.1硬件平台
本设计基于图2系统完成硬件平台搭建，硬件平台基于ARM官方IP，核心处理器为ARM Cortex-M3，它是一款低成本低功耗的处理器内核,最多支持240个中断。处理器与外设之间的通信采用了AMBA3协议规范，它支持AHB（高级高性能总线）和APB（高级外设总线）协议，各模块之间的通信与互连均基于AHB和APB协议。其中ITCM是一块存放程序代码的SRAM，它是只读的。DTCM是存放堆栈以及运算中间结果的SRAM。AHB-TO-APB将AHB协议转换为APB协议，使内核能够对APB外设进行访问。UART是串口通信单元。AHB-DECODE是AHB外设的地址译码逻辑单元，译码的目的是根据内核发出的地址某个外设进行访问。DEFAULT-SLAVE是无效地址单元，当内核发出一个未选中任何单元的地址时，DEFAULT-SLAVE会被访问。AHB-SLAVE-MUX和APB-SLAVE-MUX分别是AHB外设多路选择器和APB外设多路选择器，它们的作用是选择某个外设与内核进行数据交互，其中APB-SLAVE-MUX内部还集成了APB译码逻辑。ICODE、DCODE和SYS-BUS是内核的三条总线。
看门狗外设模块被集成到APB总线上，通过对其进行地址编码，可被Cortex-M3内核访问，看门狗会产生的中断和复位信号给内核，通过这种交互方式，内核可对系统故障做出响应，即重启系统。需要注意的是，硬件平台是后续验证工作的基础，若平台搭建错误，大概率会导致验证无法正常进行。

1.2功能验证
验证外设是任何SOC设计当中不可或缺的一环，如何让外设工作起来是我们必须去考虑的。外设一般由IP商提供，RTL代码不需要太多增减，外设几乎都是可以正常工作。而如何让外设的硬件电路运行起来、充分发挥功能，则需要软件的配合，验证的目的是通过软件对外设进行访问，使其正常工作。功能验证的步骤如图3所示。

搭建硬件系统，将所需外设模块添加到系统中，完成SOC系统的搭建。
编写验证代码，写软件代码的目的是控制外设的相关寄存器，写代码其实就是一个给寄存器赋值的过程，通过软件控制了寄存器，进而控制了外设。外设根据寄存器的不同赋值会体现不同功能，然后我们要通过仿真和上板查看功能是否符合预期。
行为级仿真，写好软件之后，将生成的hex文件路径添加到系统的BRAM中，就开始行为级仿真，仿真波形要结合软件来看，如果能将软件正确执行，就可以往下走了。
上板验证，通过了行为级仿真不代表验证成功，仿真终归是个模拟过程，和真正电路的运行还有差别，所以必须有上板这一过程，将比特流文件下载到开发板上之后，打开串口调试助手，查看上板结果是否符合预期。

1.3验证程序
对于本例程，程序主要执行复位和中断功能，若能正确使系统复位，说明验证通过。程序采用不断循环的形式，若看门狗计数器初值设置较大，减到0所需的时钟周期大于循环周期，则无法复位系统，若初值设置较小，则会不断复位系统。程序流程如图4所示：