在嵌入式系統中為提高微型機系統的可靠性和安全性, 常用的方法就是使用“看門狗”。看門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, 對微型機任務即“喂狗”在運行時間上加以約束, 任務必須在最大指定時間范圍內完成, 否則重啟系統。軟件看門狗采用處理器內部定時器, 把任務的理論最大運行時間作為時間約束, 如果該任務超過了這個時間跨度, 則強制退出本次任務。上述看門狗采用的是單任務的順序機制, 容易實現。在多任務系統中情況稍為復雜, 如果每個任務都像單任務系統那樣,只要有一個任務正常工作并定期“喂狗”,看門狗定時器就不會溢出, 而只有所有任務都出現問題時, 定時器才會溢出。重慶師范大學葉幫利老師曾在Windows?系統中探討和解決了這個問題[ 1 ] , 在嵌入式系統中也有人曾談到過[ 2 ] , 但是卻沒有具體實現方法的敘述。

文中把u C / O S - I I 操作系統移植到PHILIPS 公司生產的LPC2132 內核中,基于系統的消息機制和優先級權限, 設置了一個優先級最高的任務作為監視器對微型機上運行的所有任務進行監控, 只要一個任務出現故障, 該監視任務就延遲喂狗, 使定時器溢出, 重啟系統, 以保障微型機及所有任務處于長期穩定的運行狀態。

1 系統概述

1 . 1 硬件和開發環境簡介

把uC/OS-II操作系統移植到LPC2132的開發板中。LPC2132 是一個支持實時仿真和跟蹤的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9個邊沿或電平觸發的外部中斷, 完全能滿足一般應用程序及擴展的需求。

uC/OS-II 是一個搶占式多任務實時操作系統, 其源代碼公開、可移植性強, 有著易用性、易開發性和普及性的特點。uC/OS- Ⅱ最多可以管理64 個任務, 這些任務通常都是一個無限循環的函數。在目前的版本中, 保留了優先級為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,所以用戶可以同時擁有5 6 個任務, 足以滿足用戶設計的各種要求。

1 . 2 系統實現的功能

在多任務系統中, 往往希望有一個任務出問題時把該任務重啟, 而不重啟整個系統, 以達到不影響其他關鍵任務運行的目的, 在多次重啟該任務無效時再重啟系統。當系統的主程序出現錯誤或者系統硬件出現問題時重啟系統。基于以上分析設計的看門狗主要實現以下功能。

( 1 ) 當某個任務出現異常時, 由軟件看門狗重啟該任務。

( 2 ) 當多次重啟某一任務失敗時, 重啟系統。

( 3 ) 當操作系統本身出現異常時, 或者系統硬件出現異常時, 由軟件看門狗或者是硬件看門狗重新啟動微處理器。

2 多任務看門狗監控原理

結合LPC2132 內置硬件看門狗和uC/O S - Ⅱ操作系統, 設置了一個優先級別最高的任務作為監視器監視各應用任務是否正常運行, 該監視器稱為軟件看門狗。該任務對每個被監視任務都設定一個計時器, 被監視任務在設定的時間內對對應的定時器定時清零, 稱為“喂軟狗”。在被監視的任務都正常工作的情況下, 軟件看門狗對內置硬件看門狗定時器周期性清零,稱為“喂狗”。如果被監視任務群某個任務出現故障, 不能在設置的時間內對軟件看門狗“喂軟狗”, 與之對應的定時器溢出,系統內核發送指令, 把該任務的堆棧地址指到其起始地址, 復位該任務, 如果在設定的次數內不能夠有效啟動該任務, 則延時“喂狗”, 硬件看門狗計數器溢出, 重啟系統。另外當監視器任務本身出現故障時,也不能及時對看硬件看門狗定時器清零,重啟系統。

3 軟件實現

3 . 1 應用任務與軟件看門狗之間的通信

在多任務軟件看門狗與各應用任務間之間進行信息傳遞時, 每個應用任務都會對監視器發送運行狀態消息, 監視器任務也要對每個任務發送消息。在應用任務較多的情況下, 如果采用信箱進行通訊, 會造成大量無效操作, 也使得編程變得繁瑣, 所以在監視器任務中采用消息隊列來實現與各應用任務間的消息傳遞, 而在各應用任務中設置兩個信箱, 一個用來對監視器消息隊列發送消息, 一個用來接收監視器任務消息隊列發送的消息。當某個應用任務在執行出錯時,調用OSQPost()函數向監視器任務消息隊列發送消息, 監視器任務通過調用OSQPend()函數從消息隊列讀取該消息,然后調用OSMboxPost()函數向該應用任務的消息接收信箱發送代表不同意義的消息,該任務調用OSMboxPend()函數從信箱中讀取該消息后執行相應的操作。

3 . 2 多任務軟件看門狗的實現

多任務看門狗通過檢查各應用任務是否在規定的時間內對其“喂軟狗”來監測各任務的運行狀態。借助微處理器的定時器中斷機制, 為每個任務分配計時單元和運行標志, 由定時中斷依據運行標志狀態進行獨立計時。當系統中的某任務空閑時, 以小于“喂軟狗”設定的時間間隔為周期, 周期性地“喂軟狗”; 在該任務執行時,預計執行所需的最長耗時, 并用稍大于該最大耗時的時間間隔設置監視器中定時器參數, 同時中斷周期性“喂軟狗”模塊, 啟動監視器任務中的定時器倒計數。當該任務正常執行完畢時, 發送信號“喂軟狗”,對定時器清零, 復位該任務, 同時恢復周期性“喂軟狗”模塊; 當該任務執行出現異常時, 不能在設定的時間間隔內對軟件看門狗清零, 使得監視器中相應的定時器溢出,監視器任務通過內核服務發送指令, 把該任務的堆棧地址指到其起始地址, 重啟該任務, 同時累計其復位次數, 把該任務的計時器清零。

4 結語

結合LPC2132 內置硬件看門狗和uC/O S - Ⅱ操作系統, 設計了一種能夠實現多任務管理的軟件看門狗, 該看門狗不但能夠有效地監視各應用任務, 也能夠在不影響其他任務正常運行的情況下, 重啟該任務, 直至在多次重啟無效時, 才重啟系統,達到了相互獨立的應用任務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, 確保系統長時間穩定運行。