詳解多任務(wù)看門狗及喂狗方法

看門狗分硬件看門狗和 軟件看門狗。硬件看門狗是利用一個(gè)定時(shí)器電路，其定時(shí)輸出連接到電路的復(fù)位端，程序在一定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)定時(shí)器清零(俗稱“喂狗”)，因此程序正常工作時(shí)， 定時(shí)器總不能溢出，也就不能產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。如果程序出現(xiàn)故障，不在定時(shí)周期內(nèi)復(fù)位看門狗，就使得看門狗定時(shí)器溢出產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)并重啟系統(tǒng)。軟件看門狗原理 上一樣，只是將硬件電路上的定時(shí)器用處理器的內(nèi)部定時(shí)器代替，這樣可以簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，但在可靠性方面不如硬件定時(shí)器，比如系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器自身發(fā)生故障 就無(wú)法檢測(cè)到。當(dāng)然也有通過雙定時(shí)器相互監(jiān)視，這不僅加大系統(tǒng)開銷，也不能解決全部問題，比如中斷系統(tǒng)故障導(dǎo)致定時(shí)器中斷失效。

看門狗本身不是用來(lái)解決系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的故障應(yīng)該要查改設(shè)計(jì)本身的錯(cuò)誤。加入看門狗目的是對(duì)一些程序潛在錯(cuò)誤和惡劣環(huán) 境干擾等因素導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)而在無(wú)人干預(yù)情況下自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)正常工作狀態(tài)?？撮T狗也不能完全避免故障造成的損失，畢竟從發(fā)現(xiàn)故障到系統(tǒng)復(fù)位恢復(fù)正常這段時(shí)間 內(nèi)怠工。同時(shí)一些系統(tǒng)也需要復(fù)位前保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，重啟后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，這可能也需要一筆軟硬件的開銷。

圖1：(a) 多任務(wù)系統(tǒng)看門狗示意圖;(b) 相應(yīng)的看門狗復(fù)位邏輯圖

在單任務(wù)系統(tǒng)中看門狗工作原理如上所述，容易實(shí)現(xiàn)。在多任務(wù)系統(tǒng)中情況稍為復(fù)雜。假如每個(gè)任務(wù)都像單任務(wù)系統(tǒng)那么做，如圖1(a)所示，只要有一個(gè) 任務(wù)正常工作并定期“喂狗”，看門狗定時(shí)器就不會(huì)溢出。除非所有的任務(wù)都故障，才能使得看門狗定時(shí)器溢出而復(fù)位，如圖1(b)。

而往往我們需要的是只要有一個(gè)任務(wù)故障，系統(tǒng)就要求復(fù)位?；蛘哌x擇幾個(gè)關(guān)鍵的任務(wù)接受監(jiān)視，只要一個(gè)任務(wù)出問題系統(tǒng)就要求復(fù)位，如圖2(a)所示，相應(yīng)的看門狗復(fù)位邏輯如圖2(b)所示。

在多任務(wù)系統(tǒng)中通過創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)視任務(wù)TaskMonitor，它的優(yōu)先級(jí)高于被監(jiān)視的任務(wù)群Task1、Task2...Taskn。 TaskMonitor在Task1~Taskn正常工作情況下，一定時(shí)間內(nèi)對(duì)硬件看門狗定時(shí)器清零。如果被監(jiān)視任務(wù)群有一個(gè)Task_x出現(xiàn)故 障，TaskMonitor就不對(duì)看門狗定時(shí)器清零，也就達(dá)到被監(jiān)視任務(wù)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)重啟的目的。另外任務(wù)TaskMonitor自身出故障時(shí)，也 不能及時(shí)對(duì)看門狗定時(shí)器清零，看門狗也能自動(dòng)復(fù)位重啟。接下來(lái)需要解決一個(gè)問題是：監(jiān)視任務(wù)如何有效監(jiān)視被監(jiān)視的任務(wù)群。

圖2：(a) 多任務(wù)系統(tǒng)看門狗示意圖;(b) 正確的看門狗復(fù)位邏輯圖

在TaskMonitor中定義一組結(jié)構(gòu)體來(lái)模擬看門狗定時(shí)器組，

typedef struct

{

UINT32 CurCnt, LastCnt;

BOOL RunState;

int taskID;

} STRUCT_WATCH_DOG;

該結(jié)構(gòu)體包括被監(jiān)視的任務(wù)號(hào)taskID，用來(lái)模擬“喂狗”的變量CurCnt、LastCnt(具體含義見下文)，看門狗狀態(tài)標(biāo)志RunState用來(lái)控制當(dāng)前任務(wù)是否接受監(jiān)視。

被監(jiān)視的任務(wù)Task1~Taskn調(diào)用自定義函數(shù)CreateWatchDog(int taskid)來(lái)創(chuàng)建看門狗，被監(jiān)視任務(wù)一段時(shí)間內(nèi)要求“喂狗”，調(diào)用ResetWatchDog(int taskid)，這個(gè)“喂狗”動(dòng)作實(shí)質(zhì)就是對(duì)看門狗定時(shí)器結(jié)構(gòu)體中的變量CurCnt加1操作。TaskMonitor大部分時(shí)間處于延時(shí)狀態(tài)，假設(shè)硬件 看門狗定時(shí)是2秒，監(jiān)視任務(wù)可以延時(shí)1.5秒，接著對(duì)創(chuàng)建的看門狗定時(shí)器組一一檢驗(yàn)，延時(shí)前保存CurCnt的當(dāng)前值到LastCnt，延時(shí)后比較 CurCnt與LastCnt是否相等，都不相等系統(tǒng)才是正常的。需要注意的是CurCnt和LastCnt數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)太小，而“喂狗”過于頻繁，可能出 現(xiàn)CurCnt加1操作達(dá)到一個(gè)循環(huán)而與LastCnt相等。

如果有任意一組的CurCnt等于LastCnt，認(rèn)為對(duì)應(yīng)接受監(jiān)視的任務(wù)沒有“喂狗”動(dòng)作，也就檢測(cè)到該任務(wù)出現(xiàn)故障需要重啟，這時(shí)候 TaskMonitor不對(duì)硬件看門狗定時(shí)器清零，或者延時(shí)很長(zhǎng)的時(shí)間，比如10秒，足以使得系統(tǒng)重啟。反之，系統(tǒng)正常，Task1~Taskn定期對(duì) TaskMonitor“喂狗”，TaskMonitor又定期對(duì)硬件看門狗“喂狗”，系統(tǒng)就得不到復(fù)位。還有一點(diǎn)，被監(jiān)視任務(wù)可以通過調(diào)用 PauseWatchDog(int taskid)來(lái)取消對(duì)應(yīng)的看門狗，實(shí)際上就是對(duì)STRUCT_WATCH_DOG結(jié)構(gòu)體中的RunState操作，該標(biāo)志體現(xiàn)看門狗有效與否。

這種方式可監(jiān)視的最大任務(wù)數(shù)由STRUCT_WATCH_DOG結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)決定。程序中應(yīng)該有一個(gè)變量記錄當(dāng)前已創(chuàng)建的看門狗數(shù)，判斷被監(jiān)視任務(wù)Task1~Taskn是否“喂狗”只需比較CurCnt與LastCnt的值n次。

圖3：系統(tǒng)復(fù)位邏輯圖。

硬件看門狗監(jiān)視TaskMonitor任務(wù)，TaskMonitor任務(wù)又監(jiān)視其他的被監(jiān)視任務(wù)Task1~Taskn，形成這樣一種鏈條。這種方 式系統(tǒng)的故障圖表示如圖3所示。被監(jiān)視任務(wù)Task1~Taskn及TaskMonitor都是或的關(guān)系，因此被監(jiān)視的任一任務(wù)發(fā)生故障，硬件電路看門狗 就能復(fù)位。

為實(shí)現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)的看門狗監(jiān)視功能額外增加了TaskMonitor任務(wù)，這個(gè)任務(wù)占用執(zhí)行時(shí)間多少也是一個(gè)重要問題。假設(shè) TaskMonitor任務(wù)一個(gè)監(jiān)視周期延時(shí)1.5秒，此外需要執(zhí)行保存當(dāng)前計(jì)數(shù)值，判斷是否“喂狗”等語(yǔ)句，它的CPU占用時(shí)間是很小的。用一個(gè)具體的 試驗(yàn)證實(shí)，使用50M工作頻率的CPU(S3C4510)，移植vxWorks操作系統(tǒng)，cache不使能條件下監(jiān)視10個(gè)任務(wù)，每個(gè)監(jiān)視周期占用 220~240微秒?？梢娫撊蝿?wù)絕大多數(shù)時(shí)間都處于任務(wù)延時(shí)狀態(tài)。

被監(jiān)視任務(wù)可能有獲取消息、等待一個(gè)信號(hào)量等的語(yǔ)句，往往這個(gè)消息、信號(hào)量的等待是無(wú)限期的等待。這就需要將這類語(yǔ)句作一些修改。比如在vxWorks中將一次無(wú)期限的獲取信號(hào)量操作

semTake(semID, WAIT_FOREVER); // WAIT_FOREVER為無(wú)限時(shí)間等待

分解為

do

{

ResetWatchDog; // “喂狗”操作

}while(semTake(semID, sysClkRateGet( )) != OK); // 1s內(nèi)的等待信號(hào)量操作

多次的時(shí)間范圍內(nèi)的獲取信號(hào)量操作，這樣才能保證及時(shí)“喂狗”。

另外需要注意的是系統(tǒng)中是否有的任務(wù)優(yōu)先級(jí)比TaskMonitor高并且長(zhǎng)時(shí)間處于執(zhí)行狀態(tài)，TaskMonitor長(zhǎng)時(shí)間得不到調(diào)度，使得看門狗錯(cuò)誤復(fù)位。良好的任務(wù)劃分，配置是不應(yīng)該出現(xiàn)這種高優(yōu)先級(jí)任務(wù)長(zhǎng)期執(zhí)行狀況的。