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

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(mén)狗”。看門(mén)狗分硬件看門(mén)狗和軟件看門(mén)狗。硬件看門(mén)狗采用“看門(mén)狗”電路， 通過(guò)定時(shí)器， 對(duì)微型機(jī)任務(wù)即“喂狗”在運(yùn)行時(shí)間上加以約束， 任務(wù)必須在最大指定時(shí)間范圍內(nèi)完成， 否則重啟系統(tǒng)。軟件看門(mén)狗采用處理器內(nèi)部定時(shí)器， 把任務(wù)的理論最大運(yùn)行時(shí)間作為時(shí)間約束， 如果該任務(wù)超過(guò)了這個(gè)時(shí)間跨度， 則強(qiáng)制退出本次任務(wù)。上述看門(mén)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(gè)任務(wù)都像單任務(wù)系統(tǒng)那樣，只要有一個(gè)任務(wù)正常工作并定期“喂狗”，看門(mén)狗定時(shí)器就不會(huì)溢出， 而只有所有任務(wù)都出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)， 定時(shí)器才會(huì)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(gè)問(wèn)題［ 1 ］ ， 在嵌入式系統(tǒng)中也有人曾談到過(guò)［ 2 ］ ， 但是卻沒(méi)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(jí)權(quán)限， 設(shè)置了一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)作為監(jiān)視器對(duì)微型機(jī)上運(yùn)行的所有任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控， 只要一個(gè)任務(wù)出現(xiàn)故障， 該監(jiān)視任務(wù)就延遲喂狗， 使定時(shí)器溢出， 重啟系統(tǒng)， 以保障微型機(jī)及所有任務(wù)處于長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。
　　1 系統(tǒng)概述
　　1 。 1 硬件和開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介
　　把uC/OS-II 操作系統(tǒng)移植到LPC2132的開(kāi)發(fā)板中。LPC2132 是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32 位ARM7TDMI-STM 核微處理器，帶64kB 高速FLASH 存儲(chǔ)器，4 個(gè)通信接口， 2 個(gè)32 位定時(shí)器， 1 個(gè)10 位8 路ADC，2 個(gè)硬件接口，47 個(gè)GPIO 以及多達(dá)9個(gè)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(gè)搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)， 其源代碼公開(kāi)、可移植性強(qiáng)， 有著易用性、易開(kāi)發(fā)性和普及性的特點(diǎn)。uC/OS- Ⅱ最多可以管理64 個(gè)任務(wù)， 這些任務(wù)通常都是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的函數(shù)。在目前的版本中， 保留了優(yōu)先級(jí)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(shí)擁有5 6 個(gè)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(gè)任務(wù)出問(wèn)題時(shí)把該任務(wù)重啟， 而不重啟整個(gè)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(wú)效時(shí)再重啟系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)的主程序出現(xiàn)錯(cuò)誤或者系統(tǒng)硬件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)重啟系統(tǒng)。基于以上分析設(shè)計(jì)的看門(mén)狗主要實(shí)現(xiàn)以下功能。
　?。?1 ） 當(dāng)某個(gè)任務(wù)出現(xiàn)異常時(shí)， 由軟件看門(mén)狗重啟該任務(wù)。
　?。?2 ） 當(dāng)多次重啟某一任務(wù)失敗時(shí)， 重啟系統(tǒng)。
　?。?3 ） 當(dāng)操作系統(tǒng)本身出現(xiàn)異常時(shí)， 或者系統(tǒng)硬件出現(xiàn)異常時(shí)， 由軟件看門(mén)狗或者是硬件看門(mén)狗重新啟動(dòng)微處理器。
　　2 多任務(wù)看門(mén)狗監(jiān)控原理
　　結(jié)合LPC2132 內(nèi)置硬件看門(mén)狗和uC/O S - Ⅱ操作系統(tǒng)， 設(shè)置了一個(gè)優(yōu)先級(jí)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(mén)狗。該任務(wù)對(duì)每個(gè)被監(jiān)視任務(wù)都設(shè)定一個(gè)計(jì)時(shí)器， 被監(jiān)視任務(wù)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)對(duì)應(yīng)的定時(shí)器定時(shí)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(mén)狗對(duì)內(nèi)置硬件看門(mén)狗定時(shí)器周期性清零，稱為“喂狗”。如果被監(jiān)視任務(wù)群某個(gè)任務(wù)出現(xiàn)故障， 不能在設(shè)置的時(shí)間內(nèi)對(duì)軟件看門(mén)狗“喂軟狗”， 與之對(duì)應(yīng)的定時(shí)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(dòng)該任務(wù)， 則延時(shí)“喂狗”， 硬件看門(mén)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(shí)，也不能及時(shí)對(duì)看硬件看門(mén)狗定時(shí)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(mén)狗之間的通信
　　在多任務(wù)軟件看門(mén)狗與各應(yīng)用任務(wù)間之間進(jìn)行信息傳遞時(shí)， 每個(gè)應(yīng)用任務(wù)都會(huì)對(duì)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(duì)每個(gè)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(huì)造成大量無(wú)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(lái)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(gè)信箱， 一個(gè)用來(lái)對(duì)監(jiān)視器消息隊(duì)列發(fā)送消息， 一個(gè)用來(lái)接收監(jiān)視器任務(wù)消息隊(duì)列發(fā)送的消息。當(dāng)某個(gè)應(yīng)用任務(wù)在執(zhí)行出錯(cuò)時(shí)，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(guò)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(mén)狗的實(shí)現(xiàn)
　　多任務(wù)看門(mén)狗通過(guò)檢查各應(yīng)用任務(wù)是否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)其“喂軟狗”來(lái)監(jiān)測(cè)各任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)。借助微處理器的定時(shí)器中斷機(jī)制， 為每個(gè)任務(wù)分配計(jì)時(shí)單元和運(yùn)行標(biāo)志， 由定時(shí)中斷依據(jù)運(yùn)行標(biāo)志狀態(tài)進(jìn)行獨(dú)立計(jì)時(shí)。當(dāng)系統(tǒng)中的某任務(wù)空閑時(shí)， 以小于“喂軟狗”設(shè)定的時(shí)間間隔為周期， 周期性地“喂軟狗”; 在該任務(wù)執(zhí)行時(shí)，預(yù)計(jì)執(zhí)行所需的最長(zhǎng)耗時(shí)， 并用稍大于該最大耗時(shí)的時(shí)間間隔設(shè)置監(jiān)視器中定時(shí)器參數(shù)， 同時(shí)中斷周期性“喂軟狗”模塊， 啟動(dòng)監(jiān)視器任務(wù)中的定時(shí)器倒計(jì)數(shù)。當(dāng)該任務(wù)正常執(zhí)行完畢時(shí)， 發(fā)送信號(hào)“喂軟狗”，對(duì)定時(shí)器清零， 復(fù)位該任務(wù)， 同時(shí)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(shí)， 不能在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)軟件看門(mén)狗清零， 使得監(jiān)視器中相應(yīng)的定時(shí)器溢出，監(jiān)視器任務(wù)通過(guò)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(shí)累計(jì)其復(fù)位次數(shù)， 把該任務(wù)的計(jì)時(shí)器清零。
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　結(jié)合LPC2132 內(nèi)置硬件看門(mén)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(mén)狗， 該看門(mén)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(wú)效時(shí)， 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(huì)過(guò)于牽制的目的。另外該看門(mén)狗也能在主程序和硬件出問(wèn)題時(shí)自動(dòng)重啟， 確保系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。
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