基于Linux的嵌入式系統(tǒng)全程喂狗策略

　　引 言

　　在嵌入式系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)在異常情況下能自動(dòng)恢復(fù)，一般都會(huì)引入看門狗電路。看門狗電路其實(shí)就是一個(gè)計(jì)數(shù)器。當(dāng)看門狗啟動(dòng)后，計(jì)數(shù)器開(kāi)始自動(dòng)計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間計(jì)數(shù)器溢出就會(huì)對(duì)CPU產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)重啟。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，需要在看門狗允許的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)看門狗計(jì)數(shù)器清零也即喂狗，不讓復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生。

　　當(dāng)前在帶Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中，由于Linux操作系統(tǒng)加載時(shí)間較長(zhǎng)(如10～30 s)，一般都超過(guò)看門狗的時(shí)間間隔(典型值為1．6 s)；而如果不采取特殊措施，則系統(tǒng)在Linux操作系統(tǒng)加載過(guò)程中復(fù)位，Linux操作系統(tǒng)永遠(yuǎn)無(wú)法加載成功。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常有兩種方案：做一個(gè)看門狗的時(shí)間間隔更長(zhǎng)的硬件電路；修改內(nèi)核，在內(nèi)核啟動(dòng)過(guò)程中將看門狗設(shè)成無(wú)效。以上方案無(wú)法解決嵌入式系統(tǒng)在操作系統(tǒng)啟動(dòng)階段的失效問(wèn)題，降低了系統(tǒng)可靠性。

　　本文提出了一種嵌入式系統(tǒng)全程喂狗策略及實(shí)現(xiàn)方法，從系統(tǒng)上電、引導(dǎo)程序(Bootloader)、操作系統(tǒng)內(nèi)核直至應(yīng)用階段都啟用看門狗。實(shí)驗(yàn)表明，該方法簡(jiǎn)單可行，成本較低，在嵌入式系統(tǒng)的全過(guò)程中都可以實(shí)現(xiàn)喂狗策略，提高了系統(tǒng)可靠性。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　采用IMP706芯片組成硬件看門狗電路(看門狗的時(shí)間間隔為1．6 s)，在操作系統(tǒng)程序(包括Bootloader)和應(yīng)用程序中插入喂狗程序，這些喂狗程序運(yùn)行時(shí)間間隔小于看門狗的時(shí)間間隔(本設(shè)計(jì)選為1 s)。這樣做可以保證：如果系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)可以在小于看門狗的時(shí)間間隔內(nèi)不斷進(jìn)行喂狗動(dòng)作，硬件看門狗的計(jì)數(shù)器不斷清零，不產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；如果系統(tǒng)非正常工作，喂狗動(dòng)作失效，硬件看門狗的計(jì)數(shù)器在1．6 s后溢出，對(duì)CPU產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)重啟。

　　1．1 看門狗電路設(shè)計(jì)

　　圖1為看門狗電路原理，采用IMP706芯片組成硬件看門狗電路，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器件74AVClT45，硬件看門狗器件的ST腳與中央處理器(CPU)的GPIO3腳相連?？撮T狗器件的PRST腳與IN腳接到復(fù)位開(kāi)關(guān)，RST腳接到CPU的RESET腳，當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)被觸動(dòng)或看門狗器件的計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，看門狗器件的RST腳輸出復(fù)位信號(hào)給CPU的RESET腳，CPU復(fù)位重啟。

　　1．2 喂狗策略及實(shí)現(xiàn)

　　1．2．1 Bootloader階段

　　在Boot1oader階段(本設(shè)計(jì)采用U—boot，但不限于此)，喂狗策略是在Bootloader的程序中不同位置插入喂狗程序。具體做法是：由于Bootoader第一階段的啟動(dòng)不會(huì)超過(guò)1．6 s，因此只需在Bootoader的第二階段，如Flash讀寫、CRC校驗(yàn)、循環(huán)等待等處，插入喂狗代碼。喂狗代碼采用直接置位中央處理器的GPIO3狀態(tài)寄存器的方式進(jìn)行。

　　首先在特定平臺(tái)的定義頭文件include／conffigs／xxx．h中加入看門狗的宏定義：

　　在lib_generic下的CRC校驗(yàn)階段代碼crc32.c中加入如下代碼，實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)階段喂狗：

　　1．2．2 Linux內(nèi)核階段

　　在Linux內(nèi)核加載階段(采用MontaVista Linux操作系統(tǒng)，但不限于此)，喂狗策略是在Linux內(nèi)核程序的不同位置插入喂狗程序。具體做法是：首先在Linux內(nèi)核階段1的內(nèi)核解壓縮程序、RTC驅(qū)動(dòng)加載程序、GPIO驅(qū)動(dòng)加載程序適當(dāng)代碼處插入喂狗代碼，喂狗代碼以直接取反中央處理器的GPIO3狀態(tài)寄存器的方式進(jìn)行；在Linux內(nèi)核階段2的Watchdog驅(qū)動(dòng)加載程序適當(dāng)代碼處插入喂狗代碼，喂狗代碼調(diào)用GPIO驅(qū)動(dòng)，GPIO驅(qū)動(dòng)內(nèi)含取反中央處理器的GPIO3狀態(tài)寄存器的操作；在Linux內(nèi)核階段3的內(nèi)核加載根文件系統(tǒng)程序、init程序的適當(dāng)代碼處調(diào)用Linux的Watchdog驅(qū)動(dòng)，Watchdog驅(qū)動(dòng)內(nèi)含取反中央處理器的GPIO3狀態(tài)寄存器的操作。

　　以上內(nèi)核階段的劃分是以GPIO及Watchdog驅(qū)動(dòng)的加載為標(biāo)志的。GPIO驅(qū)動(dòng)加載之前為內(nèi)核階段1，GPIO驅(qū)動(dòng)加載之后至Watchdog驅(qū)動(dòng)加載之前為內(nèi)核階段2，Watchdog驅(qū)動(dòng)加載之后為內(nèi)核階段3。

　　下面示例說(shuō)明內(nèi)核解壓縮asm／arch／boot／compressed．c中喂狗的實(shí)現(xiàn)代碼：

　　從以上代碼可以看出，它是內(nèi)核階段l喂狗的典型方法，是直接取反GPIO3狀態(tài)寄存器的。

　　下面示例說(shuō)明內(nèi)核階段2的喂狗方法(僅以加載RTC驅(qū)動(dòng)為例)：首先讓RTC驅(qū)動(dòng)中包含GPIO的頭文件，然后在讀取RTC當(dāng)前值的函數(shù)中調(diào)用GPIO驅(qū)動(dòng)進(jìn)行喂狗。

　　為了能夠在內(nèi)核階段3調(diào)用Watchdog驅(qū)動(dòng)進(jìn)行喂狗，需要在Watchdog驅(qū)動(dòng)中導(dǎo)出喂狗函數(shù)以供內(nèi)核階段3使用。Watchdog驅(qū)動(dòng)喂狗也是調(diào)用GPIO驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，但Watchdog驅(qū)動(dòng)一旦加載完成，以后的喂狗都通過(guò)調(diào)用Watchdog驅(qū)動(dòng)完成。

　　1．2．3 程序運(yùn)行階段

　　圖2為多線程應(yīng)用程序運(yùn)行階段喂狗方法。在主程序中首先創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)控線程，它的優(yōu)先級(jí)高于其他線程。監(jiān)控線程在其他被監(jiān)控的線程正常工作的情況下，一定時(shí)間內(nèi)對(duì)看門狗進(jìn)行喂狗操作，喂狗操作通過(guò)調(diào)用Watch—dog驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。如果某個(gè)線程出現(xiàn)故障，監(jiān)控線程就不執(zhí)行喂狗操作，也就達(dá)到這個(gè)線程出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)重啟的目的。如果監(jiān)控線程自身出現(xiàn)故障，不能及時(shí)執(zhí)行喂狗操作，看門狗也自動(dòng)復(fù)位重啟。具體做法是，主程序首先啟動(dòng)監(jiān)控線程，然后依次啟動(dòng)N個(gè)被監(jiān)控的線程，每一線程內(nèi)都設(shè)置一計(jì)數(shù)器。被監(jiān)控的線程中首先對(duì)線程內(nèi)的計(jì)數(shù)器初始化為O，在各個(gè)線程主循環(huán)中，對(duì)相應(yīng)的計(jì)數(shù)器執(zhí)行加1操作。監(jiān)控任務(wù)首先啟動(dòng)看門狗，進(jìn)入循環(huán)。每隔M秒對(duì)各線程內(nèi)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行檢驗(yàn)，在M秒內(nèi)每隔1 s要對(duì)看門狗喂狗，否則系統(tǒng)就會(huì)復(fù)位重啟。查詢N個(gè)計(jì)數(shù)器值是否為0，如果全都大于0，則說(shuō)明對(duì)應(yīng)接受監(jiān)控的線程正常運(yùn)行，然后對(duì)看門狗喂狗，并將N個(gè)計(jì)數(shù)器值清零。如果有任意一個(gè)計(jì)數(shù)器值為O，檢測(cè)到對(duì)應(yīng)接受監(jiān)視的線程出現(xiàn)故障需要重啟，這時(shí)不對(duì)看門狗喂狗，使得系統(tǒng)復(fù)位重啟。

　　以下示例說(shuō)明在應(yīng)用中如何調(diào)用Watchdog驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)喂狗：

　　總之，在系統(tǒng)不同階段，由于系統(tǒng)調(diào)用和封裝程度不同，看門狗的喂狗實(shí)現(xiàn)方法也不同：在Bootloader階段，直接取反中央處理器的GPIO3的狀態(tài)寄存器；在Linux內(nèi)核階段1，采取取反中央處理器的GPIO3的狀態(tài)寄存器的方法進(jìn)行；在Linux內(nèi)核階段2，采取調(diào)用GPIO的驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行；在Linux內(nèi)核階段3，采取調(diào)用Watchdog驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行；在應(yīng)用程序運(yùn)行階段，應(yīng)用程序中的喂狗程序采取調(diào)用Watchdog驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行，如圖3所示。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　我們?cè)诠狙邪l(fā)的智能視頻分析器項(xiàng)目中應(yīng)用了本方法。該分析器采用TI DaVinci系列DSP芯片(TMS320DM6446)為CPU，用Monta Vista Linux作為操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間約為20～30 s。采用本方法是為了保證系統(tǒng)在全過(guò)程中都能得到有效的失效恢復(fù)。在振蕩波抗擾度、電壓波動(dòng)與閃爍、靜電放電、電快速瞬變脈沖群等EMC兼容性測(cè)試中，當(dāng)各強(qiáng)度指標(biāo)超過(guò)設(shè)備EMC兼容性設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，系統(tǒng)失效，利用這種方式可以測(cè)試本方法在硬件失效時(shí)的效果。以靜電放電為例，設(shè)計(jì)放電等級(jí)為±6 kV(我們?nèi)　? kV的強(qiáng)度等級(jí))，設(shè)備上電后，分別在1～30 s內(nèi)每隔5 s及在120 s處進(jìn)行靜電放電測(cè)試，經(jīng)觀察設(shè)備都可以即時(shí)恢復(fù)。

　　對(duì)軟件失效時(shí)本方法效果的測(cè)試，采用故障植入腳本的主動(dòng)方式及系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的被動(dòng)方式進(jìn)行測(cè)試。最終結(jié)果表明，設(shè)備在失效后可即時(shí)恢復(fù)。

　　綜上所述，本全程喂狗的方法能確保系統(tǒng)在任一階段出現(xiàn)軟件或硬件故障時(shí)都能復(fù)位重啟。

　　結(jié) 語(yǔ)

　　本文提出了一種嵌入式系統(tǒng)全程喂狗策略，包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法。該方法有如下特點(diǎn)：看門狗電路簡(jiǎn)單，硬件只需一塊看門狗芯片，不需復(fù)雜的外圍邏輯電路，成本較低；系統(tǒng)全過(guò)程啟用看門狗，確保系統(tǒng)在任一階段出現(xiàn)軟件或硬件故障都能復(fù)位重啟，系統(tǒng)可靠性得到提高。