Watchdogタイマ（WDT）は、マイコン（MCU）が停止または暴走していないかを見張るタイマーであり、Watchdogの意味通り「番犬」としての役割を果たす。
この記事では、Raspberry Pi Picoボードに内蔵されたWatchdogタイマをRust言語で動かしながら解説し、Watchdogの動作や活用方法、さらにRaspberry Pi Pico内の時間計測におけるWatchdogタイマの役割について具体的に理解することを目指す。
Watchdogタイマ
Watchdogタイマの基本動作
RustによるRaspberry Pi Picoの開発環境では、rp2040_halクレートにWatchdogタイマが実装されている。
後述する方法でWatchdogタイマを取得し、以下のコードを書くことで、WatchdogタイマによるMCUの監視をはじめることができる。
// Activate Watchdog with time limit of 1.05 seconds
watchdog.start(1_050.millis());ここでは制限時間を1,050ミリ秒（＝1.05秒）に指定して監視を開始した。
これは、次のような契約を意味する。
タイムアウトモード
1.05秒に１回はご飯をあげるよ。
よろしくね。
僕が寝落ちしない限りは大丈夫。
制限時間内にご飯をあげたとき
監視がはじまると、Watchdogタイマは制限時間のカウントダウンをはじめる。
この間にfeedメソッドを呼ぶことで、Watchdogへの「餌付け」を行うことができる。
watchdog.feed();watchdog.feed()
今後ともご贔屓に。
これにより、Watchdogタイマのカウントダウンが再び最初から実行される。
制限時間を超過したとき
...
ご主人が寝てる！リセットしてやる！
制限時間内にfeedメソッドが呼ばれなかった場合、WatchdogはMCUをリセット（再起動）し、プログラムを最初から実行する。
つまり、一定時間MCUからの信号がないことで、MCUの停止を検知している。
このようなWatchdogの機能をタイムアウトモードという。
ウインドウモード
Raspberry Pi PicoのWatchdogタイマには実装されていないが、以下のように、より高度な監視を行う機能も存在する。
0.05~1.05秒に１回ご飯をあげるよ。
よろしくね。
…
ゴハンデスヨ！
ありがとう？
ゴハンデスヨ！
ご主人が暴走してる！リセットしなきゃ！
こちらでは、異常に短い間隔で信号が与えられたときにMCUが暴走したと判断する機能が追加されている。
このような機能をウインドウモードという。
Watchdogタイマの利用方法
Watchdogタイマの取得
rp2040_halクレートを用いて、Watchdogタイマは以下のコードで取得できる。
let mut pac = pac::Peripherals::take().unwrap();
let mut watchdog = hal::Watchdog::new(pac.WATCHDOG);Watchdogタイマによる時間計測の開始
Watchdogタイマによる監視を行う前に、Watchdogタイマが正確な時間を刻めるように設定し、時間の計測を開始する必要がある。
enable_tick_generationメソッドを呼ぶことで、Watchdogがtickの生成を開始する（時計の針を動かしはじめる）。
// Start Watchdog tick generation at 120 MHz
watchdog.enable_tick_generation((XTAL_FREQ_HZ / 1_000_000) as u8);メソッドの引数にはWatchdogが参照するクロック（外部クリスタル）の周波数clk_refをMHz単位で表したものを与える。
Raspberry Pi Picoでは、clk_refが
const XTAL_FREQ_HZ: u32 = 12_000_000u32;に設定されているため、引数の値は12MHzとなる。
enable_tick_generationメソッドを呼ぶのではなく、Clockを取得（初期化）することによってもWatchdogによる時間計測を開始できる。
let clocks = hal::clocks::init_clocks_and_plls(
XTAL_FREQ_HZ,
pac.XOSC,
pac.CLOCKS,
pac.PLL_SYS,
pac.PLL_USB,
&mut pac.RESETS,
&mut watchdog,
)
.ok()
.unwrap();なぜならば、Clockを初期化する際に用いたinit_clocks_and_plls関数の内部で、enable_tick_generationメソッドが実行されているためである。
WatchdogとTimerの関係
Raspberry Pi PicoのTimerは、Watchdogにおけるtick生成を参照して時間の計測を行っている。
そのためWatchdogタイマを使用しない場合であっても、Timerを使用する際にはenable_tick_generationメソッドかinit_clocks_and_plls関数でWatchdogタイマにおける時間計測を開始しておく必要がある。
サンプルコード
このコードでは、Watchdogタイマによるリセットを利用して、Raspberry Pi Picoの内部LEDの点滅タイミングを変えている。
- 2秒間LEDを点灯
- 1HzでLEDを点滅（Watchdogタイマは正常に「餌付け」される）
- 5HzでLEDを点滅（Watchdogタイマへの「餌付け」を行わない）
- 1.05秒後にWatchdogタイマがリセット信号を発し、プログラムを最初から実行する（1.に戻る）
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