多任務看門狗監(jiān)控原理和實現(xiàn)

在嵌入式系統(tǒng)中為提高微型機系統(tǒng)的可靠性和安全性, 常用的方法就是使用“看門狗”?？撮T狗分硬件看門狗和軟件看門狗。硬件看門狗采用“看門狗”電路, 通過定時器, 對微型機任務即“喂狗”在運行時間上加以約束, 任務必須在最大指定時間范圍內完成, 否則重啟系統(tǒng)。軟件看門狗采用處理器內部定時器, 把任務的理論最大運行時間作為時間約束, 如果該任務超過了這個時間跨度, 則強制退出本次任務。上述看門狗采用的是單任務的順序機制, 容易實現(xiàn)。在多任務系統(tǒng)中情況稍為復雜, 如果每個任務都像單任務系統(tǒng)那樣,只要有一個任務正常工作并定期“喂狗”,看門狗定時器就不會溢出, 而只有所有任務都出現(xiàn)問題時, 定時器才會溢出。重慶師范大學葉幫利老師曾在Windows系統(tǒng)中探討和解決了這個問題[ 1 ] , 在嵌入式系統(tǒng)中也有人曾談到過[ 2 ] , 但是卻沒有具體實現(xiàn)方法的敘述。

文中把u C / O S - I I 操作系統(tǒng)移植到PHILIPS 公司生產的LPC2132 內核中,基于系統(tǒng)的消息機制和優(yōu)先級權限, 設置了一個優(yōu)先級最高的任務作為監(jiān)視器對微型機上運行的所有任務進行監(jiān)控, 只要一個任務出現(xiàn)故障, 該監(jiān)視任務就延遲喂狗, 使定時器溢出, 重啟系統(tǒng), 以保障微型機及所有任務處于長期穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

1 . 1 硬件和開發(fā)環(huán)境簡介

把uC/OS-II操作系統(tǒng)移植到LPC2132的開發(fā)板中。LPC2132 是一個支持實時仿真和跟蹤的32 位ARM7TDMI-STM 核微處理器,帶64kB 高速FLASH存儲器,4 個通信接口, 2 個32 位定時器, 1 個10 位8 路ADC,2 個硬件接口,47 個GPIO 以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷, 完全能滿足一般應用程序及擴展的需求。

uC/OS-II 是一個搶占式多任務實時操作系統(tǒng), 其源代碼公開、可移植性強, 有著易用性、易開發(fā)性和普及性的特點。uC/OS- Ⅱ最多可以管理64 個任務, 這些任務通常都是一個無限循環(huán)的函數(shù)。在目前的版本中, 保留了優(yōu)先級為0 、1 、2 、3 、OS_LOWEST_PRIO-3、OS_LOWEST_PRIO-2 、O S _ L O W E S T _ P R I O - 1 、OS_LOWEST_PRIO 的任務,所以用戶可以同時擁有5 6 個任務, 足以滿足用戶設計的各種要求。

1 . 2 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

在多任務系統(tǒng)中, 往往希望有一個任務出問題時把該任務重啟, 而不重啟整個系統(tǒng), 以達到不影響其他關鍵任務運行的目的, 在多次重啟該任務無效時再重啟系統(tǒng)。當系統(tǒng)的主程序出現(xiàn)錯誤或者系統(tǒng)硬件出現(xiàn)問題時重啟系統(tǒng)?；谝陨戏治鲈O計的看門狗主要實現(xiàn)以下功能。

( 1 ) 當某個任務出現(xiàn)異常時, 由軟件看門狗重啟該任務。

( 2 ) 當多次重啟某一任務失敗時, 重啟系統(tǒng)。

( 3 ) 當操作系統(tǒng)本身出現(xiàn)異常時, 或者系統(tǒng)硬件出現(xiàn)異常時, 由軟件看門狗或者是硬件看門狗重新啟動微處理器。

結合LPC2132 內置硬件看門狗和uC/O S - Ⅱ操作系統(tǒng), 設置了一個優(yōu)先級別最高的任務作為監(jiān)視器監(jiān)視各應用任務是否正常運行, 該監(jiān)視器稱為軟件看門狗。該任務對每個被監(jiān)視任務都設定一個計時器, 被監(jiān)視任務在設定的時間內對對應的定時器定時清零, 稱為“喂軟狗”。在被監(jiān)視的任務都正常工作的情況下, 軟件看門狗對內置硬件看門狗定時器周期性清零,稱為“喂狗”。如果被監(jiān)視任務群某個任務出現(xiàn)故障, 不能在設置的時間內對軟件看門狗“喂軟狗”, 與之對應的定時器溢出,系統(tǒng)內核發(fā)送指令, 把該任務的堆棧地址指到其起始地址, 復位該任務, 如果在設定的次數(shù)內不能夠有效啟動該任務, 則延時“喂狗”, 硬件看門狗計數(shù)器溢出, 重啟系統(tǒng)。另外當監(jiān)視器任務本身出現(xiàn)故障時,也不能及時對看硬件看門狗定時器清零,重啟系統(tǒng)。

3 . 1 應用任務與軟件看門狗之間的通信

在多任務軟件看門狗與各應用任務間之間進行信息傳遞時, 每個應用任務都會對監(jiān)視器發(fā)送運行狀態(tài)消息, 監(jiān)視器任務也要對每個任務發(fā)送消息。在應用任務較多的情況下, 如果采用信箱進行通訊, 會造成大量無效操作, 也使得編程變得繁瑣, 所以在監(jiān)視器任務中采用消息隊列來實現(xiàn)與各應用任務間的消息傳遞, 而在各應用任務中設置兩個信箱, 一個用來對監(jiān)視器消息隊列發(fā)送消息, 一個用來接收監(jiān)視器任務消息隊列發(fā)送的消息。當某個應用任務在執(zhí)行出錯時,調用OSQPost()函數(shù)向監(jiān)視器任務消息隊列發(fā)送消息, 監(jiān)視器任務通過調用OSQPend()函數(shù)從消息隊列讀取該消息,然后調用OSMboxPost()函數(shù)向該應用任務的消息接收信箱發(fā)送代表不同意義的消息,該任務調用OSMboxPend()函數(shù)從信箱中讀取該消息后執(zhí)行相應的操作。

3 . 2 多任務軟件看門狗的實現(xiàn)

多任務看門狗通過檢查各應用任務是否在規(guī)定的時間內對其“喂軟狗”來監(jiān)測各任務的運行狀態(tài)。借助微處理器的定時器中斷機制, 為每個任務分配計時單元和運行標志, 由定時中斷依據運行標志狀態(tài)進行獨立計時。當系統(tǒng)中的某任務空閑時, 以小于“喂軟狗”設定的時間間隔為周期, 周期性地“喂軟狗”; 在該任務執(zhí)行時,預計執(zhí)行所需的最長耗時, 并用稍大于該最大耗時的時間間隔設置監(jiān)視器中定時器參數(shù), 同時中斷周期性“喂軟狗”模塊, 啟動監(jiān)視器任務中的定時器倒計數(shù)。當該任務正常執(zhí)行完畢時, 發(fā)送信號“喂軟狗”,對定時器清零, 復位該任務, 同時恢復周期性“喂軟狗”模塊; 當該任務執(zhí)行出現(xiàn)異常時, 不能在設定的時間間隔內對軟件看門狗清零, 使得監(jiān)視器中相應的定時器溢出,監(jiān)視器任務通過內核服務發(fā)送指令, 把該任務的堆棧地址指到其起始地址, 重啟該任務, 同時累計其復位次數(shù), 把該任務的計時器清零。

結合LPC2132 內置硬件看門狗和uC/O S - Ⅱ操作系統(tǒng), 設計了一種能夠實現(xiàn)多任務管理的軟件看門狗, 該看門狗不但能夠有效地監(jiān)視各應用任務, 也能夠在不影響其他任務正常運行的情況下, 重啟該任務, 直至在多次重啟無效時, 才重啟系統(tǒng),達到了相互獨立的應用任務之間不會過于牽制的目的。另外該看門狗也能在主程序和硬件出問題時自動重啟, 確保系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行。