uC/OS-II 系統(tǒng)的多任務(wù)看門狗設(shè)計(jì)

　　在嵌入式系統(tǒng)中為提高微型機(jī)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(jī)任務(wù)即“喂狗”在運(yùn)行時間上加以約束, 任務(wù)必須在最大指定時間范圍內(nèi)完成, 否則重啟系統(tǒng)。軟件看門狗采用處理器內(nèi)部定時器, 把任務(wù)的理論最大運(yùn)行時間作為時間約束, 如果該任務(wù)超過了這個時間跨度, 則強(qiáng)制退出本次任務(wù)。上述看門狗采用的是單任務(wù)的順序機(jī)制, 容易實(shí)現(xiàn)。在多任務(wù)系統(tǒng)中情況稍為復(fù)雜, 如果每個任務(wù)都像單任務(wù)系統(tǒng)那樣,只要有一個任務(wù)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(wù)都出現(xiàn)問題時, 定時器才會溢出。重慶師范大學(xué)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(shí)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(chǎn)的LPC2132 內(nèi)核中,基于系統(tǒng)的消息機(jī)制和優(yōu)先級權(quán)限, 設(shè)置了一個優(yōu)先級最高的任務(wù)作為監(jiān)視器對微型機(jī)上運(yùn)行的所有任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控, 只要一個任務(wù)出現(xiàn)故障, 該監(jiān)視任務(wù)就延遲喂狗, 使定時器溢出, 重啟系統(tǒng), 以保障微型機(jī)及所有任務(wù)處于長期穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

　　1 系統(tǒng)概述

　　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(shí)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(dá)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷, 完全能滿足一般應(yīng)用程序及擴(kuò)展的需求。

　　uC/OS-II 是一個搶占式多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng), 其源代碼公開、可移植性強(qiáng), 有著易用性、易開發(fā)性和普及性的特點(diǎn)。uC/OS- Ⅱ最多可以管理64 個任務(wù), 這些任務(wù)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(wù),所以用戶可以同時擁有5 6 個任務(wù), 足以滿足用戶設(shè)計(jì)的各種要求。

　　1 . 2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

　　在多任務(wù)系統(tǒng)中, 往往希望有一個任務(wù)出問題時把該任務(wù)重啟, 而不重啟整個系統(tǒng), 以達(dá)到不影響其他關(guān)鍵任務(wù)運(yùn)行的目的, 在多次重啟該任務(wù)無效時再重啟系統(tǒng)。當(dāng)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(shè)計(jì)的看門狗主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

　　( 1 ) 當(dāng)某個任務(wù)出現(xiàn)異常時, 由軟件看門狗重啟該任務(wù)。

　　( 2 ) 當(dāng)多次重啟某一任務(wù)失敗時, 重啟系統(tǒng)。

　　( 3 ) 當(dāng)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。

　　2 多任務(wù)看門狗監(jiān)控原理

　　結(jié)合LPC2132 內(nèi)置硬件看門狗和uC/O S - Ⅱ操作系統(tǒng), 設(shè)置了一個優(yōu)先級別最高的任務(wù)作為監(jiān)視器監(jiān)視各應(yīng)用任務(wù)是否正常運(yùn)行, 該監(jiān)視器稱為軟件看門狗。該任務(wù)對每個被監(jiān)視任務(wù)都設(shè)定一個計(jì)時器, 被監(jiān)視任務(wù)在設(shè)定的時間內(nèi)對對應(yīng)的定時器定時清零, 稱為“喂軟狗”。在被監(jiān)視的任務(wù)都正常工作的情況下, 軟件看門狗對內(nèi)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(wù)群某個任務(wù)出現(xiàn)故障, 不能在設(shè)置的時間內(nèi)對軟件看門狗“喂軟狗”, 與之對應(yīng)的定時器溢出,系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)送指令, 把該任務(wù)的堆棧地址指到其起始地址, 復(fù)位該任務(wù), 如果在設(shè)定的次數(shù)內(nèi)不能夠有效啟動該任務(wù), 則延時“喂狗”, 硬件看門狗計(jì)數(shù)器溢出, 重啟系統(tǒng)。另外當(dāng)監(jiān)視器任務(wù)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 軟件實(shí)現(xiàn)

　　3 . 1 應(yīng)用任務(wù)與軟件看門狗之間的通信

　　在多任務(wù)軟件看門狗與各應(yīng)用任務(wù)間之間進(jìn)行信息傳遞時, 每個應(yīng)用任務(wù)都會對監(jiān)視器發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)消息, 監(jiān)視器任務(wù)也要對每個任務(wù)發(fā)送消息。在應(yīng)用任務(wù)較多的情況下, 如果采用信箱進(jìn)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(wù)中采用消息隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)與各應(yīng)用任務(wù)間的消息傳遞, 而在各應(yīng)用任務(wù)中設(shè)置兩個信箱, 一個用來對監(jiān)視器消息隊(duì)列發(fā)送消息, 一個用來接收監(jiān)視器任務(wù)消息隊(duì)列發(fā)送的消息。當(dāng)某個應(yīng)用任務(wù)在執(zhí)行出錯時,調(diào)用OSQPost()函數(shù)向監(jiān)視器任務(wù)消息隊(duì)列發(fā)送消息, 監(jiān)視器任務(wù)通過調(diào)用OSQPend()函數(shù)從消息隊(duì)列讀取該消息,然后調(diào)用OSMboxPost()函數(shù)向該應(yīng)用任務(wù)的消息接收信箱發(fā)送代表不同意義的消息,該任務(wù)調(diào)用OSMboxPend()函數(shù)從信箱中讀取該消息后執(zhí)行相應(yīng)的操作。

　　3 . 2 多任務(wù)軟件看門狗的實(shí)現(xiàn)

　　多任務(wù)看門狗通過檢查各應(yīng)用任務(wù)是否在規(guī)定的時間內(nèi)對其“喂軟狗”來監(jiān)測各任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)。借助微處理器的定時器中斷機(jī)制, 為每個任務(wù)分配計(jì)時單元和運(yùn)行標(biāo)志, 由定時中斷依據(jù)運(yùn)行標(biāo)志狀態(tài)進(jìn)行獨(dú)立計(jì)時。當(dāng)系統(tǒng)中的某任務(wù)空閑時, 以小于“喂軟狗”設(shè)定的時間間隔為周期, 周期性地“喂軟狗”; 在該任務(wù)執(zhí)行時,預(yù)計(jì)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(shè)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(wù)中的定時器倒計(jì)數(shù)。當(dāng)該任務(wù)正常執(zhí)行完畢時, 發(fā)送信號“喂軟狗”,對定時器清零, 復(fù)位該任務(wù), 同時恢復(fù)周期性“喂軟狗”模塊; 當(dāng)該任務(wù)執(zhí)行出現(xiàn)異常時, 不能在設(shè)定的時間間隔內(nèi)對軟件看門狗清零, 使得監(jiān)視器中相應(yīng)的定時器溢出,監(jiān)視器任務(wù)通過內(nèi)核服務(wù)發(fā)送指令, 把該任務(wù)的堆棧地址指到其起始地址, 重啟該任務(wù), 同時累計(jì)其復(fù)位次數(shù), 把該任務(wù)的計(jì)時器清零。

　　4 結(jié)語

　　結(jié)合LPC2132 內(nèi)置硬件看門狗和uC/O S - Ⅱ操作系統(tǒng), 設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)管理的軟件看門狗, 該看門狗不但能夠有效地監(jiān)視各應(yīng)用任務(wù), 也能夠在不影響其他任務(wù)正常運(yùn)行的情況下, 重啟該任務(wù), 直至在多次重啟無效時, 才重啟系統(tǒng),達(dá)到了相互獨(dú)立的應(yīng)用任務(wù)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(yùn)行。