Zephyr 應用在 FPB-RA6E2 開發板上的評測：多線程與看門狗

本文章旨在評估使用 Zephyr RTOS 在 Renesas FPB-RA6E2 開發板上實現多線程調度與硬件看門狗功能的應用。評估內容包括任務調度、看門狗初始化流程、主程序邏輯的詳細解析，以及實驗現象與數據分析。

1. 硬件連接與引腳定義

本實驗涉及的任務調度和看門狗功能不依賴特定的物理引腳，但需要確保開發板支持硬件看門狗外設。

2. 軟件環境配置

2.1 Device Tree Overlay

設備樹用于定義硬件看門狗的初始狀態。以下是關鍵配置：

看門狗配置

wdt: wdt@40083400 {
	compatible = "renesas,ra-wdt"; /* in externalzephyrdtsarmrenesasrara6ra6-cm33-common.dtsi:542 */
	reg = < 0x40083400 0x200 >;    /* in externalzephyrdtsarmrenesasrara6ra6-cm33-common.dtsi:543 */
	clocks = < &pclkb 0x0 0x0 >;   /* in externalzephyrdtsarmrenesasrara6ra6-cm33-common.dtsi:544 */
	status = "okay";               /* in externalzephyrboardsrenesasfpb_ra6e2fpb_ra6e2.dts:135 */
	};
	};

2.2 Kconfig 配置 (prj.conf)

確保啟用了多線程和看門狗驅動支持：

CONFIG_MULTITHREADING=y
CONFIG_WATCHDOG=y
CONFIG_TASK_WDT=y
CONFIG_LOG=y

3. 代碼邏輯分析

3.1 主程序代碼（main.c）

#include < zephyr/kernel.h >
#include < zephyr/device.h >
#include < zephyr/drivers/watchdog.h >
#include < zephyr/sys/reboot.h >
#include < zephyr/task_wdt/task_wdt.h >
#include < zephyr/sys/printk.h >
#include < stdbool.h >

/*
 * To use this sample, either the devicetree's /aliases must have a
 * 'watchdog0' property, or one of the following watchdog compatibles
 * must have an enabled node.
 *
 * If the devicetree has a watchdog node, we get the watchdog device
 * from there. Otherwise, the task watchdog will be used without a
 * hardware watchdog fallback.
 */
#if DT_NODE_HAS_STATUS_OKAY(DT_ALIAS(watchdog0))
#define WDT_NODE DT_ALIAS(watchdog0)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(st_stm32_window_watchdog)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(st_stm32_window_watchdog)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(st_stm32_watchdog)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(st_stm32_watchdog)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(nordic_nrf_wdt)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(nordic_nrf_wdt)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(espressif_esp32_watchdog)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(espressif_esp32_watchdog)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(silabs_gecko_wdog)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(silabs_gecko_wdog)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(nxp_wdog32)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(nxp_wdog32)
#elif DT_HAS_COMPAT_STATUS_OKAY(microchip_xec_watchdog)
#define WDT_NODE DT_COMPAT_GET_ANY_STATUS_OKAY(microchip_xec_watchdog)
#else
#define WDT_NODE DT_INVALID_NODE
#endif

static void task_wdt_callback(int channel_id, void *user_data)
{
	printk("Task watchdog channel %d callback, thread: %sn",
		channel_id, k_thread_name_get((k_tid_t)user_data));

	/*
	 * If the issue could be resolved, call task_wdt_feed(channel_id) here
	 * to continue operation.
	 *
	 * Otherwise we can perform some cleanup and reset the device.
	 */

	printk("Resetting device...n");

	sys_reboot(SYS_REBOOT_COLD);
}

int main(void)
{
	int ret;
	const struct device *const hw_wdt_dev = DEVICE_DT_GET_OR_NULL(WDT_NODE);

	printk("Task watchdog sample application.n");

	if (!device_is_ready(hw_wdt_dev)) {
		printk("Hardware watchdog not ready; ignoring it.n");
		ret = task_wdt_init(NULL);
	} else {
		ret = task_wdt_init(hw_wdt_dev);
	}

	if (ret != 0) {
		printk("task wdt init failure: %dn", ret);
		return 0;
	}


	/* passing NULL instead of callback to trigger system reset */
	int task_wdt_id = task_wdt_add(1100U, NULL, NULL);

	while (true) {
		printk("Main thread still alive...n");
		task_wdt_feed(task_wdt_id);
		k_sleep(K_MSEC(1000));
	}
	return 0;
}

/*
 * This high-priority thread needs a tight timing
 */
void control_thread(void)
{
	int task_wdt_id;
	int count = 0;

	printk("Control thread started.n");

	/*
	 * Add a new task watchdog channel with custom callback function and
	 * the current thread ID as user data.
	 */
	task_wdt_id = task_wdt_add(100U, task_wdt_callback,
		(void *)k_current_get());

	while (true) {
		if (count == 50) {
			printk("Control thread getting stuck...n");
			k_sleep(K_FOREVER);
		}

		task_wdt_feed(task_wdt_id);
		k_sleep(K_MSEC(50));
		count++;
	}
}

K_THREAD_DEFINE(control, 1024, control_thread, NULL, NULL, NULL, -1, 0, 1000);

3.2 核心流程

多線程調度

1. 創建高優先級線程 control_thread，用于模擬實時任務。
2. 主線程運行低優先級任務，定期喂養看門狗。
3. 當高優先級線程卡住時，觸發看門狗回調或系統復位。

看門狗流程

1. 初始化硬件看門狗或任務看門狗。
2. 為每個線程注冊獨立的看門狗通道，并設置超時時間。
3. 定期調用 task_wdt_feed 函數喂養看門狗。
4. 如果某個線程未能及時喂養，觸發回調函數或系統復位。

3.3 關鍵 API 使用

以下是代碼中使用的關鍵 API：

多線程管理

K_THREAD_DEFINE(thread_name, stack_size, entry_point, arg1, arg2, arg3, prio, options, delay);

• thread_name: 線程名稱。
• stack_size: 線程棧大小。
• entry_point: 線程入口函數。
• prio: 線程優先級。

看門狗初始化

int task_wdt_init(const struct device *hw_wdt_dev);

• hw_wdt_dev: 硬件看門狗設備句柄（可為空）。

看門狗通道管理

int task_wdt_add(uint32_t timeout_ms, task_wdt_callback_t callback, void *user_data);
void task_wdt_feed(int channel_id);

• timeout_ms: 超時時間（毫秒）。
• callback: 超時回調函數。
• channel_id: 看門狗通道 ID。

4. 實驗現象與數據分析

4.1 多線程調度行為

• 主線程 : 每秒打印一次日志，表明其仍在運行。
• 高優先級線程 : 模擬實時任務，每 50 毫秒喂養看門狗，運行 50 次后故意卡住。

終端應顯示如下數據流：

*** Booting Zephyr OS build v4.2.0 ***
Task watchdog sample application.
[00:00:00.005,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: actual window min = 0.00 ms[0m
[00:00:00.012,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: actual window max = 671.00 ms[0m
[00:00:00.019,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: wdt timeout was set successfully[0m
Main thread still alive...
Control thread started.
Main thread still alive...
Main thread still alive...
Main thread still alive...
Control thread getting stuck...
Task watchdog channel 1 callback, thread: control
Resetting d?*** Booting Zephyr OS build v4.2.0 ***
Task watchdog sample application.
[00:00:00.005,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: actual window min = 0.00 ms[0m
[00:00:00.012,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: actual window max = 671.00 ms[0m
[00:00:00.019,000] [0m< inf > wdt_renesas_ra: wdt timeout was set successfully[0m
Main thread still alive...
Control thread started.

4.2 看門狗復位行為

• 正常運行 : 看門狗被定期喂養，系統保持穩定。
• 異常情況 : 高優先級線程卡住后，看門狗超時觸發回調或系統復位。
• 視覺效果 : 使用調試器觀察復位信號，確認系統重啟。

5. 測評總結

本程序成功演示了 Renesas RA6E2 在 Zephyr RTOS 下的多線程調度與看門狗功能。通過模擬高優先級任務卡住的場景，驗證了任務看門狗對系統穩定性的保護作用。代碼結構清晰，適配了最新的驅動 API，適用于初學者學習和開發者快速驗證硬件功能。