基于嵌入式系統(tǒng)中看門狗的原理與使用

最近需要在板子上加上一塊WatchDog，以確保在系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)自動(dòng)重啟，所以看了一些在嵌入式系統(tǒng)中使用看門狗的資料，總結(jié)如下：

一、看門狗原理

在產(chǎn)品化的嵌入式系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)在異常情況下能自動(dòng)復(fù)位，一般都需要引入看門狗。

看門狗其實(shí)就是一個(gè)可以在一定時(shí)間內(nèi)被復(fù)位的計(jì)數(shù)器。當(dāng)看門狗啟動(dòng)后，計(jì)數(shù)器開始自動(dòng)計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，如果沒(méi)有被復(fù)位，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(俗稱“被狗咬”)。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(俗稱“喂狗”)，不讓復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生。如果系統(tǒng)不出問(wèn)題，程序保證按時(shí)“喂狗”，一旦程序跑飛，沒(méi)有“喂狗”，系統(tǒng)“被咬”復(fù)位。

這就好比你的身邊有一只時(shí)刻饑餓的狗，你不按時(shí)給它肉吃，它就會(huì)吃你的肉，你被吃了......掛了，投胎轉(zhuǎn)世，徹底重新做人了。不幸的是來(lái)世你還得喂狗.

二、看門狗的種類

在現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)中主要可以分為兩種類型的看門狗：

1、CPU內(nèi)部自帶的看門狗：此類看門狗一般是將一個(gè)芯片中的定時(shí)器來(lái)作為看門狗，通過(guò)程序的初始化，寫入初值，設(shè)定溢出時(shí)間，并啟動(dòng)定時(shí)器。程序按時(shí)對(duì)定時(shí)器賦初值(或復(fù)位)，以免被咬。這種看門狗是可以被禁用的(只要停止這個(gè)定時(shí)器即可)，好比對(duì)那只要咬你的狗來(lái)個(gè)“葵花點(diǎn)穴手”。大部分CPU都內(nèi)置看門狗，硬件原理可參考各芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)。

優(yōu)點(diǎn)：可以通過(guò)程序改變溢出時(shí)間;可以隨時(shí)禁用

缺點(diǎn)：需要初始化;如果程序在初始化、啟動(dòng)完成前跑飛或在禁用后跑飛，看門狗就無(wú)法復(fù)位系統(tǒng)，這樣看門狗的作用就沒(méi)有了，系統(tǒng)恢復(fù)能力降低。

2、獨(dú)立的看門狗芯片：這種看門狗主要有一個(gè)用于喂狗的引腳(一般與CPU的GPIO相連)和一個(gè)復(fù)位引腳(與系統(tǒng)的RESET引腳相連)，如果沒(méi)有在一定時(shí)間內(nèi)改變喂狗腳的電平，復(fù)位引腳就會(huì)改變狀態(tài)復(fù)位CPU。此類看門狗一上電就開始工作，無(wú)法禁用?，F(xiàn)在常用的芯片有：CAT705/CAT706、IMP706等等，溢出時(shí)間在1.6秒左右。 硬件原理可以參考各芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)和《基于Linux的嵌入式系統(tǒng)全程喂狗策略》。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)須配置，上電即用。無(wú)法禁用，系統(tǒng)必須按時(shí)喂狗，系統(tǒng)恢復(fù)能力高。

缺點(diǎn)：無(wú)法靈活配置溢出時(shí)間，無(wú)法禁用，靈活性降低。

當(dāng)然還有所謂的軟件看門狗，這其實(shí)是也是一種監(jiān)控軟件。

一些重要的程序，必須讓它一直跑著;而且還要時(shí)時(shí)關(guān)心它的狀態(tài)——不能讓它出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。(當(dāng)然，如果一個(gè)主程序會(huì)出現(xiàn)死鎖，肯定是設(shè)計(jì)或者編程上的失誤。首要做的事是Debug。)但如果時(shí)間緊迫可以用軟件看門狗，暫時(shí)應(yīng)急。

這種監(jiān)控軟件運(yùn)行不出現(xiàn)界面窗口，具有一定的隱蔽性;它定時(shí)判斷目標(biāo)進(jìn)程是否運(yùn)行在當(dāng)前系統(tǒng)中，如果沒(méi)有則啟動(dòng)目標(biāo)進(jìn)程;判斷目標(biāo)進(jìn)程是否“無(wú)響應(yīng)”，如果是則終止目標(biāo)進(jìn)程;如果目標(biāo)進(jìn)程“無(wú)響應(yīng)”的次數(shù)超過(guò)一定的數(shù)量，則重啟整個(gè)系統(tǒng)。它的目的也是復(fù)位，但是它主要市復(fù)位進(jìn)程，實(shí)在不行才復(fù)位CPU。

這種軟件屬于監(jiān)控軟件，不在本文的敘述范圍之內(nèi)。

三、看門狗的選擇

在一般的民用產(chǎn)品，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒(méi)有太高要求的場(chǎng)合，可以使用內(nèi)置看門狗，可以簡(jiǎn)化軟件開發(fā)和硬件成本。

在工控產(chǎn)品和對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較高要求的關(guān)鍵場(chǎng)合，基本都選用硬件獨(dú)立看門狗，確保系統(tǒng)在面對(duì)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)的恢復(fù)能力。增加了硬件成本，稍微加大了軟件的開發(fā)難度(必須確保在正常情況下的不斷喂狗)。

四、在bootloader下的使用

如果是CPU內(nèi)置的看門狗，一般在這階段可以禁用，所有沒(méi)什么特殊的操作。

但是如果是獨(dú)立的看門狗芯片就必須喂了?；蛘邽榱吮ｋU(xiǎn)，你在bootloader中就啟動(dòng)了看門狗，也得喂了。

bootloader有很多，基本原理都是一樣的，喂狗的過(guò)程也基本一樣，在這里以u(píng)boot為例講解如何喂狗。

u-boot的運(yùn)行分為以下幾個(gè)階段：

最早的簡(jiǎn)單初始化，代碼重定位的自拷貝階段

系統(tǒng)詳細(xì)初始化階段

控制臺(tái)階段(如果使用了自動(dòng)啟動(dòng)，則跳過(guò))

OS內(nèi)核拷貝(可能帶有解壓過(guò)程)，跳入操作系統(tǒng)

五、在Linux下使用

在bootloader加載了內(nèi)核之后，系統(tǒng)就開始由Linux內(nèi)核接管。而喂狗的工作自然也開始由內(nèi)核來(lái)承擔(dān)。在bootloader將控制權(quán)給內(nèi)核之后，時(shí)間上可以分為以下幾個(gè)部分：

內(nèi)核自解壓階段(壓縮內(nèi)核才有：zImage或bzImage)

內(nèi)核啟動(dòng)到看門狗驅(qū)動(dòng)加載之前

看門狗驅(qū)動(dòng)加載后到根文件系統(tǒng)啟動(dòng)前

根文件系統(tǒng)啟動(dòng)后到看門狗守護(hù)進(jìn)程啟動(dòng)前

看門狗守護(hù)進(jìn)程啟動(dòng)后

對(duì)于使用CPU內(nèi)置的看門狗，在1～4階段，看門狗一般都沒(méi)有啟動(dòng)，無(wú)需喂狗。只有在看門狗守護(hù)進(jìn)程啟動(dòng)后，由守護(hù)進(jìn)程打開看門狗，并根據(jù)配置文件監(jiān)控其他進(jìn)程的狀態(tài)來(lái)開始喂狗。如果被監(jiān)控進(jìn)程出現(xiàn)不可修復(fù)的問(wèn)題，守護(hù)進(jìn)程停止喂狗，CPU復(fù)位。

對(duì)于獨(dú)立的看門狗芯片，系統(tǒng)一上電就必須不斷喂狗，接過(guò)bootloader的接力棒繼續(xù)喂狗。

首先在第1階段，內(nèi)核的自解壓一般時(shí)間較長(zhǎng)，必須在自解壓的循環(huán)過(guò)程中加入喂狗代碼(可能還要是匯編形式的)。一旦在這過(guò)程中跑飛，就不會(huì)喂狗，CPU復(fù)位。

在第2階段，這段時(shí)間一般不會(huì)很長(zhǎng)，可以不用喂狗。但是這也和你的內(nèi)核有關(guān)，如果在這個(gè)階段正好有比較耗時(shí)的模塊啟動(dòng)的話，你可以在這個(gè)模塊的初始化函數(shù)或者比較耗時(shí)的循環(huán)和等待中添加喂狗代碼。具體在哪些模塊中加，要嘗試啟動(dòng)幾次就知道了，靠實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)。

在看門狗驅(qū)動(dòng)加載時(shí)，一般會(huì)在模塊初始化代碼中喂一次狗。

在第3階段，和第2階段類似，如果在這個(gè)階段正好有比較耗時(shí)的模塊啟動(dòng)的話，你可以在這個(gè)模塊的初始化函數(shù)或者比較耗時(shí)的循環(huán)和等待中添加喂狗代碼。但是在根文集系統(tǒng)掛載時(shí)，根據(jù)文件系統(tǒng)的性質(zhì)和大小，可能需要在文件系統(tǒng)代碼中添加喂狗指令。

第4階段是一個(gè)比較耗時(shí)的階段，一般會(huì)在系統(tǒng)啟動(dòng)腳本中添加一些簡(jiǎn)單的喂狗的shell命令，例如：“echo V > /dev/watchdog”，加的位置根據(jù)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程而異。

在第5階段，一切都由看門狗守護(hù)進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)喂狗了。