单片机编程:如何喂狗的灵魂拷问...

嵌入式资讯精选 2020-06-01

[导读] 单片机程序写辣么多,看门狗狗天天见,你的狗狗养的对么?不停的喂狗,只要狗不叫就完了嘛?真是这样么?事实上可能不是你想的辣么简单.....

啥叫看门狗?

看门狗也称为看门狗定时器,本质上是一种定时电路或者软件定时器机制。

工作原理:

看门狗的硬件基础是一个计数器,该计数器被设置为某个定时初值,然后递减至零。软件负责经常将计数重置为其定时初值,以确保计数永远不会达到零。如果确实达到零,则意味着某种故障发生,该采取对应措施应对,或重启或进入失效安全状态,具体取决于系统的设计。

正常工作时,单片机、处理器或者线程,周期性重置看门狗定时器的定时值,定时器则在后台不断的计数,如果定时时间到了且没有再次喂狗,则狗叫,意味着一些不寻常的事情发生了!此时,狗狗对外发出指令,执行相应的动作。这里所谓的动作究竟是什么?取决于实际系统的设计。常见的看门狗芯片则会发出复位信号给单片机或者处理,对于软件定时器而言,具体会有何种动作,则灵活多变,具体取决于采用何种安全策略。

通俗讲也称为喂狗,这个定时值相当于狗粮,狗狗吃饱了,胃里不断消耗狗粮,如果在消耗完之前没有在喂狗粮,再狗狗饿得直叫唤,发出预警消息。反言之,一个一直正常工作的系统,其看门狗总是被喂养的很好,不会饿了狂叫。

注:看到有文章把重置看门狗定时器叫踢狗(kick watchdog),嗯嗯,这不太好,要对狗狗好一点,不要踢,叫喂吧~~~

看门狗机制在电子系统中作用非常之重要,这里举个极端的栗子,火星车如果程序挂了,就相当于失联,如果没有看门狗电路。你想象一下是什么场景,无法通讯无法唤醒,秒变太空垃圾~~~

能看住哪些错误呢?

  • 栈或堆溢出,程序跑飞
  • 某段程序异常无法返回或陷入死循环
  • 强电磁干扰破坏数据导致系统异常,这你或许不好理解,你就想象一下军事领域,或者航空航天领域很多电子系统,常工作在强电磁干扰环境中
  • bug导致的系统宕机
  • 多任务系统中死锁
  • ......

原因万万千,憋慌!你还有个好狗狗在帮你,让看门狗来收拾残局吧。在一个复杂的嵌入式系统中,不可能保证没有bug,但是通过使用看门狗,您可以保证没有任何bug会无限期地挂起系统。

狗叫后该咋整?

常见的处理策略有哪些呢?

  • 系统复位,大多数人都有的体验,系统挂了咋整,重启。不由想起了刘欢的<<从头再来>>,人生如能重启该多好,然而并不能!有兴趣的听听~~~
  • 失效安全,老外常叫fail-safe 模式。就是设备即使出现致命故障了,也别造成安全事故。粗鲁点说,就是挂了,也不要影响他人。不易理解,举个例子,一个正在下降的电梯,加入看门狗检测到程序异常了,安全的做法是赶紧停止电机转动,否则自由落体,就要凉凉啦。这在IEC61508 功能安全标准,或者医疗安全标准、汽车安全标准中都有体现。
  • 这里描述一种推荐做法,芯片复位后,利用芯片复位状态寄存器值,对看门狗复位事件计数,事不过三,如果连续三次此类复位,则保守做法就是将系统切换到安全状态或显示错误消息,这样可以避免无限重新启动。怎么做呢?以IAR为例,可以定义一个变量不让系统自动初始化(如IAR中叫,__no_init),实现计数,复位后其值仍然保存,除非断电。
    __no_init int wdtResetCounter;
  • ....取决于具体的设计策略

如果我们希望系统快速恢复,应该采用看门狗复位后的初始化比正常加电初始化短的策略。也就是说跳过设备的一些自检。当然,在某些系统中最好进行全面自检,因为看门狗超时的根本原因可能是通过此类硬件异常导致的。

具体咋喂狗呢?

对于裸机程序而言,我推荐了下面两种处理策略:故障检测式喂狗,故障检测加强式喂狗。

故障检测式喂狗

对于一个裸奔单片机程序而言,可以在喂狗时同时检测一些关键的运行时状态,比如栈深度、缓冲区、关键功能链的硬件(如传感器、执行机构等),如这些状态异常,则记录错误状态,将设备至于功能安全状态。

故障检测加强式喂狗

啥叫序列检测式喂狗呢?IEC-61508中有种范式叫sequence check,有点邪乎?看下图,你就马上明了了。

将是将main函数的主体关键功能块,设置一个序列标记,如果如果序列出错就做安全故障处理,正确则继续下一块的执行。在喂狗的时候,看下序列是否正确,正确就喂,否则就做错误处理,或者干脆让狗叫也是一种方式。

对于多任务实时系统而言,有这样一些不一样的需求:

  • 检测操作系统是否正确运行
  • 在所有任务中检测是否有死循环
  • 检测涉及两个或多个任务的死锁
  • 检测由于高优先级任务占用CPU而导致某些低优先级任务无法运行
  • ....

母狗带群仔喂狗法

取这个名字有点俗了,哈哈哈。为了方便理解,就这么叫吧,依然上个图了再解释吧:

实现策略描述

watchdogTask可看成狗窝,里面住了一群狗,其中硬件看门狗是母狗,子任务软件看门狗为小狗仔。每个子任务需要在每一个loop循环喂一次狗(当然实际实现时也可以加入任务故障检测式喂狗),在watchdogTask每一个循环都对所有软件看门狗递减,如果溢出则软狗叫了,需要做异常处理(复位或进入失效安全模式)。如果所有的软件狗都没有溢出,则喂硬件看门狗(可能是单片机内置或外置芯片)

实际实现时须注意:

  • watchdogTask应选取最高优先级
  • 每个loop应调用os_delay一定时间,以出让CPU时间给其他task运行。挂起的时间应小于最大硬件看门狗延时时间。
  • 须合理安排各任务的优先级
  • 严禁在中断处理中以及其他函数中私自喂狗。

狗多久叫合理呢?

过短之痛

看门狗定时器定时时间设置过短,则系统容易误判,可能会导致频繁复位或进入失效安全模式。因为任何一条安全链的好坏取决于它最薄弱的一环,如果选择一个太短的超时间隔。固件的循环时间是动态的,尤其外部的异步事件比较多,或者有中断嵌套的情况,则波动会比较大,所以需要考虑最坏情况,系统循环一次要多久。

过长之害

一种方法是选择一个几秒钟长的间隔。当您仅尝试复位一个确实挂起的系统,但不希望对系统的时间进行详细研究时,可以采用此策略。这是一个健壮的方法。但有些系统需要快速恢复,这就造成故障诊断过慢的危害了,尤其在一些对安全要求极高的场合,比如核电系统,汽车电子系统、医疗器械系统等等。

所以实际设计时需要兼顾最坏情况下,尽量选择相对较短的定时时长,在两者中寻找一个平衡。

总结一下

对于单片机编程而言,其实对嵌入式Linux甚至在数据库中,看门狗策略都有大量的应用,如何合理的使用看门狗,对于设计一个健壮的电子系统而言是非常重要的一个话题。

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