摘要：隨著智能手機(jī)及平板為代表的嵌入式設(shè)備的普及，對(duì)系統(tǒng)的可靠性提出較高的要求。以TI TMS320DM8168芯片為例，詳細(xì)介紹了Linux系統(tǒng)從U—Boot啟動(dòng)、內(nèi)核啟動(dòng)到文件系統(tǒng)加載及用戶程序啟動(dòng)過(guò)程中，看門狗的啟用及管理，通過(guò)不同階段管理看門狗，可以保證系統(tǒng)在任意可能出現(xiàn)問(wèn)題的階段，可以自動(dòng)重啟以修復(fù)故障，從而有效提高系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：Linux;看門狗;DM8168

引言

隨著智能終端及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，Linux系統(tǒng)被應(yīng)用到越來(lái)越多的嵌入式設(shè)備中，如移動(dòng)通信基站、Android(基于Linux內(nèi)核)智能手機(jī)、智能手環(huán)等。不同領(lǐng)域的應(yīng)用都對(duì)Android/Linux系統(tǒng)的可靠性及可用性有嚴(yán)格的要求。在嵌入式系統(tǒng)中，CPU必須可靠工作，即使因?yàn)槟撤N錯(cuò)誤或異常進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)，系統(tǒng)應(yīng)該可以自動(dòng)復(fù)位，看門狗也可以在系統(tǒng)進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)后的一段時(shí)間內(nèi)重啟復(fù)位，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)從故障恢復(fù)。

1 看門狗的概念

看門狗是一個(gè)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)的定時(shí)器，在其啟動(dòng)后，如果在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)定時(shí)器清零(俗稱“喂狗”操作)，定時(shí)器就不會(huì)溢出，也不會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào);如果在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)，沒(méi)有對(duì)定時(shí)器清零，定時(shí)器就會(huì)溢出產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重啟。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，可以分為硬件看門狗和軟件看門狗。

硬件看門狗是利用定時(shí)器電路實(shí)現(xiàn)，其輸出連接到電路的復(fù)位端，程序在設(shè)定間隔內(nèi)對(duì)定時(shí)器清零。因此程序正常工作時(shí)，定時(shí)器不會(huì)溢出;如果程序出現(xiàn)故障，未能在設(shè)定間隔周期內(nèi)執(zhí)行清零操作，就使得看門狗定時(shí)器溢出，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)并重啟系統(tǒng)。軟件看門狗原理上同硬件看門狗一樣，只是將硬件電路上的定時(shí)器用操作系統(tǒng)內(nèi)部的軟件定時(shí)器代替，這樣可以簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)。但軟件定時(shí)器在可靠性方面不如硬件定時(shí)器，在一些異常的情形下，比如處理器或操作系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致軟件定時(shí)器不可用，也就無(wú)法檢測(cè)到這些故障。

2 Linux系統(tǒng)對(duì)看門狗的支持

Linux內(nèi)核從1.3.51版本開始提供硬件、軟件看門狗的驅(qū)動(dòng)支持。隨著內(nèi)核版本不斷更新與發(fā)展，Linux內(nèi)核對(duì)各種不同類型的硬件看門狗提供了廣泛的支持。根據(jù)訪問(wèn)方式的不同，Linux系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分為字符設(shè)備及塊設(shè)備?？撮T狗在Linux系統(tǒng)下作為字符設(shè)備來(lái)處理，/dev/watchdog是一個(gè)主設(shè)備號(hào)為10、從設(shè)備號(hào)為130的字符設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

Linux系統(tǒng)下的硬件看門狗，必須有硬件電路支持，設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/watchdog對(duì)應(yīng)著真實(shí)的物理設(shè)備，不同類型的硬件看門狗設(shè)備由相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)管理。

軟件看門狗則由Linux內(nèi)核模塊通過(guò)定時(shí)器機(jī)制實(shí)現(xiàn)，此時(shí)設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/watchdog并不對(duì)應(yīng)真實(shí)的物理設(shè)備，只是為應(yīng)用提供了一個(gè)與操作硬件看門狗相同的接口。各種不同類型的硬件看門狗電路，不僅提供了驅(qū)動(dòng)程序支持，還提供了一個(gè)基于定時(shí)器的純軟件看門狗驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)程序的源碼位于Linux內(nèi)核源碼下面的/drivers/watchdog目錄。

與Linux下的軟件看門狗相比，硬件看門狗具有更高的可靠性?；贚inux內(nèi)核的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的軟件看門狗，當(dāng)內(nèi)核或中斷出現(xiàn)異常時(shí)，將會(huì)失效。而硬件看門狗由自身的硬件電路控制，獨(dú)立于內(nèi)核，無(wú)論當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)如何，如果硬件看門狗在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有被執(zhí)行寫操作，仍會(huì)重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

Linux系統(tǒng)下面的軟件、硬件看門狗對(duì)應(yīng)用程序而言是透明的。應(yīng)用程序操作軟件看門狗的方式如下：打開設(shè)備/dev/watchdog，在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)/dev/watchdog設(shè)備執(zhí)行寫操作。在任意時(shí)刻，只能有一個(gè)看門狗驅(qū)動(dòng)模塊被加載，管理/dev/watchdog設(shè)備節(jié)點(diǎn)。如果系統(tǒng)沒(méi)有硬件看門狗電路，可以加載軟件看門狗驅(qū)動(dòng)模塊。

3 Linux系統(tǒng)下看門狗的訪問(wèn)

前文提到，Linux系統(tǒng)將看門狗作為一個(gè)字符設(shè)備來(lái)管理。本節(jié)將以TI公司推出的高清視頻處理芯片TMS320DM8168(以下簡(jiǎn)稱DM8168)芯片為例，介紹Linux下訪問(wèn)及操作看門狗的邏輯層次。

DM8168芯片將高清多通道系統(tǒng)的所有捕獲、壓縮、顯示以及控制功能整合于同一芯片，芯片內(nèi)部集成了硬件看門狗，外圍連接電路如圖1所示。硬件看門狗溢出同時(shí)產(chǎn)生復(fù)位(Reset)及中斷信號(hào)(Interrupt)，復(fù)位信號(hào)會(huì)復(fù)位整個(gè)芯片，中斷信號(hào)可以在捕獲到中斷事件后，在中斷處理函數(shù)中增加一些額外的操作(比如將收到的看門狗溢出中斷的時(shí)間寫進(jìn)日志，然后再?gòu)?fù)位等)。

Linux系統(tǒng)訪問(wèn)硬件接口需通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口實(shí)現(xiàn)，硬件看門狗也不例外。

如圖2所示，Linux系統(tǒng)下操作看門狗需要以下3個(gè)層次：

①Hardware Layer-硬件層，指硬件設(shè)備，通常提供GPIO;

②Kernel Layer-內(nèi)核層，內(nèi)核通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序訪問(wèn)并控制硬件設(shè)備;

③Usee Space-用戶空間，應(yīng)用程序通過(guò)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)提供的API接口(通常以打開文件或ioctl方式)，提供訪問(wèn)硬件設(shè)備的接口，比如打開看門狗(int fd = open(“/dev/wat chdog”，O_RDWR))。

4 Linux系統(tǒng)下看門狗的管理

Linux啟動(dòng)過(guò)程依次為U—Boot、內(nèi)核及文件系統(tǒng)，最后是應(yīng)用程序啟動(dòng)。在Linux系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中，啟用看門狗可以有效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，若異常導(dǎo)致看門狗溢出，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位以試修復(fù)問(wèn)題，從而提高系統(tǒng)的可靠性及健壯性。本節(jié)以DMS168開發(fā)板為例，介紹Linux各個(gè)啟動(dòng)階段看門狗的管理。

4.1 U—Boot啟動(dòng)階段

開發(fā)板上電后，執(zhí)行U—Boot的第一條指令，然后順序執(zhí)行U—Boot啟動(dòng)函數(shù)。U—Boot啟動(dòng)內(nèi)核的過(guò)程如下：

①硬件設(shè)備初始化。

②加載U—Boot第二階段代碼到RAM空間。

③設(shè)置好堆棧，跳轉(zhuǎn)到start_armboot函數(shù)入口。

④start_armboot是U—Boot執(zhí)行的第一個(gè)C語(yǔ)言函數(shù)。[!--empirenews.page--]

⑤初始化本階段使用的硬件設(shè)備。

⑥檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射。

⑦將內(nèi)核從Flash讀取到RAM中。

⑧設(shè)置內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)，然后啟動(dòng)硬件看門狗，通過(guò)訪問(wèn)控制寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該階段可以設(shè)置看門狗超時(shí)溢出時(shí)間為120 s。以DM8168芯片為例(后面的代碼都是基于該芯片實(shí)現(xiàn))，相關(guān)代碼為：

__raw_writel(0xBBBB，WDT_WSPR);

__raw_writel(0x4444，WDT_WSPR);

__raw_writel(wdt_trgr_time，WDT_WTGR);

這樣如果后續(xù)的內(nèi)核解壓及啟動(dòng)出錯(cuò)，看門狗超時(shí)可以復(fù)位開發(fā)板以重啟，重新加載內(nèi)核并試圖修復(fù)。

⑨完成系統(tǒng)初始化工作，U—Boot進(jìn)入主循環(huán)程序，處理用戶輸入的命令。在abortboot中，關(guān)閉看門狗，向控制寄存器依次寫入：

__raw_writel(0xAAAA，WDT_WSPR);

__raw_writel(0x5555，WDT_WSPR);

若收到用戶中斷，U—Boot自動(dòng)啟動(dòng)的命令后，關(guān)閉看門狗，以方便用戶調(diào)試U—Boot、設(shè)置內(nèi)核相關(guān)參數(shù)等信息。

⑩如果沒(méi)有收到用戶中斷命令，U—Boot會(huì)拷貝內(nèi)核鏡像并解壓內(nèi)核，開始啟動(dòng)內(nèi)核調(diào)用。

4.2 內(nèi)核啟動(dòng)階段

在U—Boot加載了內(nèi)核之后，系統(tǒng)就進(jìn)入內(nèi)核啟動(dòng)階段，此時(shí)，看門狗的管理控制也要由內(nèi)核來(lái)接管。內(nèi)核啟動(dòng)主要包括內(nèi)核自解壓、注冊(cè)及加載硬件驅(qū)動(dòng)程序、Flash分區(qū)等。

在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)核程序會(huì)注冊(cè)硬件看門狗的驅(qū)動(dòng)程序，并執(zhí)行probe探針函數(shù)，此時(shí)，內(nèi)核接管U—Boot階段的看門狗，即先關(guān)閉看門狗，然后再重新打開看門狗，并加載新的超時(shí)時(shí)長(zhǎng)，此處設(shè)置wdt_trgr_time=120 s。

__raw_writel(0xAAAA，WDT_WSPR);

__raw_writel(0x5555，WDT_WSPR);

__raw_writel(0xBBBB，WDT_WSPR);

__raw_writel(0x4444，WDT_WSPR);

__raw_writel(wdt_trgr_time，WDT_WTGR);

這樣可以保證文件系統(tǒng)在掛載或解壓出錯(cuò)時(shí)，看門狗沒(méi)有進(jìn)行喂狗操作，從而導(dǎo)致120 s超時(shí)后重啟。

在注冊(cè)完硬件驅(qū)動(dòng)程序之后，內(nèi)核會(huì)掛載根文件系統(tǒng)并進(jìn)行解壓。

4.3 應(yīng)用程序啟動(dòng)階段

文件系統(tǒng)啟動(dòng)后，用戶的應(yīng)用進(jìn)程也會(huì)開始啟動(dòng)。在這個(gè)階段，通常會(huì)創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的守護(hù)進(jìn)程，來(lái)接管看門狗。守護(hù)進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)，首先關(guān)閉內(nèi)核階段啟動(dòng)的看門狗，并重新啟動(dòng)看門狗設(shè)置超時(shí)時(shí)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)接管內(nèi)核階段看門狗的功能。在看門狗啟動(dòng)后，守護(hù)進(jìn)程可以周期性地進(jìn)行喂狗操作，并通過(guò)心跳的方式同用戶進(jìn)程通信，在收不到用戶進(jìn)程的心跳包消息時(shí)，即停止喂狗操作，這樣看門狗會(huì)超時(shí)溢出導(dǎo)致系統(tǒng)重啟，以進(jìn)行故障修復(fù)。

守護(hù)進(jìn)程通過(guò)看門狗中斷響應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)重啟系統(tǒng)等操作，以恢復(fù)系統(tǒng)可用性。

至此，Linux從U—Boot啟動(dòng)直到應(yīng)用程序完成過(guò)程中，看門狗都有相應(yīng)的啟動(dòng)及管理。

4.4 看門狗管理小結(jié)

Linux系統(tǒng)下，U—Boot啟動(dòng)后打開硬件看門狗，保證內(nèi)核解壓及啟動(dòng)出現(xiàn)異常時(shí)重啟;內(nèi)核啟動(dòng)階段，接管U—Boot下的看門狗并設(shè)置時(shí)間，可以保證文件系統(tǒng)掛載、解壓及啟動(dòng)出現(xiàn)異常時(shí)重啟系統(tǒng);在進(jìn)入文件系統(tǒng)后，守護(hù)進(jìn)程接管內(nèi)核階段的看門狗，并定期地執(zhí)行喂狗操作，這樣在用戶進(jìn)程出現(xiàn)異常(退出)時(shí)，守護(hù)進(jìn)程可以監(jiān)測(cè)到異常，停止喂狗操作，看門狗超時(shí)復(fù)位系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)中，重啟是從故障中修復(fù)的最簡(jiǎn)單有效的方法，通過(guò)在啟動(dòng)的不同階段啟用硬件看門狗，可以有效保障系統(tǒng)異常時(shí)重啟。

5 DM8168看門狗的管理

除了前文提到的Linux系統(tǒng)下看門狗的基礎(chǔ)管理，DM8168芯片的硬件看門狗外圍輸出引腳，可以同時(shí)支持Reset和Interrupt信號(hào)，功能更加強(qiáng)大。

如果只是期望看門狗超時(shí)后能重啟復(fù)位板卡，參考前節(jié)提到的方法，依次在Linux啟動(dòng)的各個(gè)階段啟用及管理看門狗即可，因?yàn)榭撮T狗的溢出引腳直接連接電源及復(fù)位管理模塊。

此外，如果想在看門狗超時(shí)溢出時(shí)增加一些額外的處理，可以采用捕獲中斷信號(hào)的方法。具體流程如下：

①注冊(cè)硬件看門狗中斷處理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序?yàn)閛map_irq=platform_get_resource(pdev，IORESOURCE_IRQ，0); //獲得中斷標(biāo)號(hào)

ret=request_irq(omap_irq，omap_wdt_irqhdl，0，pdev->name，wdev); //注冊(cè)中斷

其中omap_wdt_irqhdl為看門狗的中斷處理函數(shù)。

②在硬件看門狗中斷處理函數(shù)中可以增加一些附加的處理，需要注意的是，此時(shí)需要設(shè)置另外一組寄存器WDT_WDLY，以保證在復(fù)位前捕獲到中斷信號(hào)。

中斷處理函數(shù)omap_wdt_irqhdl的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)程序?yàn)椋?/p>

采用此方法后，看門狗超時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，系統(tǒng)捕獲到中斷信號(hào)后自動(dòng)觸發(fā)中斷響應(yīng)函數(shù)，可以更靈活地處理(比如不復(fù)位系統(tǒng)，保留現(xiàn)場(chǎng)以便定位問(wèn)題)。

結(jié)語(yǔ)

本文以TI公司的TMS320DM8168芯片為例，詳細(xì)介紹了Linux系統(tǒng)從U—Boot啟動(dòng)、內(nèi)核啟動(dòng)到文件系統(tǒng)加載及用戶程序啟動(dòng)過(guò)程中看門狗的啟用及管理，通過(guò)不同階段管理看門狗，可以保證系統(tǒng)在任何一個(gè)可能出現(xiàn)問(wèn)題的階段，自動(dòng)重啟以修復(fù)故障，從而有效提高系統(tǒng)的可靠性。在嵌入式設(shè)備越來(lái)越普及的今天，設(shè)備自恢復(fù)功能會(huì)具有極大的競(jìng)爭(zhēng)力。