[導(dǎo)讀] 單片機(jī)程序?qū)懤泵炊啵?a href="/tags/看門狗" target="_blank">看門狗狗天天見，你的狗狗養(yǎng)的對(duì)么？不停的喂狗，只要狗不叫就完了嘛？真是這樣么？事實(shí)上可能不是你想的辣么簡單.....

啥叫看門狗？

看門狗也稱為看門狗定時(shí)器，本質(zhì)上是一種定時(shí)電路或者軟件定時(shí)器機(jī)制。

工作原理：

看門狗的硬件基礎(chǔ)是一個(gè)計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器被設(shè)置為某個(gè)定時(shí)初值，然后遞減至零。軟件負(fù)責(zé)經(jīng)常將計(jì)數(shù)重置為其定時(shí)初值，以確保計(jì)數(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到零。如果確實(shí)達(dá)到零，則意味著某種故障發(fā)生，該采取對(duì)應(yīng)措施應(yīng)對(duì)，或重啟或進(jìn)入失效安全狀態(tài)，具體取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

正常工作時(shí)，單片機(jī)、處理器或者線程，周期性重置看門狗定時(shí)器的定時(shí)值，定時(shí)器則在后臺(tái)不斷的計(jì)數(shù)，如果定時(shí)時(shí)間到了且沒有再次喂狗，則狗叫，意味著一些不尋常的事情發(fā)生了！此時(shí)，狗狗對(duì)外發(fā)出指令，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。這里所謂的動(dòng)作究竟是什么？取決于實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。常見的看門狗芯片則會(huì)發(fā)出復(fù)位信號(hào)給單片機(jī)或者處理，對(duì)于軟件定時(shí)器而言，具體會(huì)有何種動(dòng)作，則靈活多變，具體取決于采用何種安全策略。

通俗講也稱為喂狗，這個(gè)定時(shí)值相當(dāng)于狗糧，狗狗吃飽了，胃里不斷消耗狗糧，如果在消耗完之前沒有在喂狗糧，再狗狗餓得直叫喚，發(fā)出預(yù)警消息。反言之，一個(gè)一直正常工作的系統(tǒng)，其看門狗總是被喂養(yǎng)的很好，不會(huì)餓了狂叫。

注：看到有文章把重置看門狗定時(shí)器叫踢狗(kick watchdog)，嗯嗯，這不太好，要對(duì)狗狗好一點(diǎn)，不要踢，叫喂吧～～～

看門狗機(jī)制在電子系統(tǒng)中作用非常之重要，這里舉個(gè)極端的栗子，火星車如果程序掛了，就相當(dāng)于失聯(lián)，如果沒有看門狗電路。你想象一下是什么場(chǎng)景，無法通訊無法喚醒，秒變太空垃圾～～～

能看住哪些錯(cuò)誤呢？

• ?；蚨岩绯觯绦蚺茱w
• 某段程序異常無法返回或陷入死循環(huán)
• 強(qiáng)電磁干擾破壞數(shù)據(jù)導(dǎo)致系統(tǒng)異常，這你或許不好理解，你就想象一下軍事領(lǐng)域，或者航空航天領(lǐng)域很多電子系統(tǒng)，常工作在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中
• bug導(dǎo)致的系統(tǒng)宕機(jī)
• 多任務(wù)系統(tǒng)中死鎖
• ......

原因萬萬千，憋慌！你還有個(gè)好狗狗在幫你，讓看門狗來收拾殘局吧。在一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中，不可能保證沒有bug，但是通過使用看門狗，您可以保證沒有任何bug會(huì)無限期地掛起系統(tǒng)。

狗叫后該咋整？

常見的處理策略有哪些呢？

• 系統(tǒng)復(fù)位，大多數(shù)人都有的體驗(yàn)，系統(tǒng)掛了咋整，重啟。不由想起了劉歡的<<從頭再來>>，人生如能重啟該多好，然而并不能！有興趣的聽聽～～～
• 失效安全，老外常叫fail-safe 模式。就是設(shè)備即使出現(xiàn)致命故障了，也別造成安全事故。粗魯點(diǎn)說，就是掛了，也不要影響他人。不易理解，舉個(gè)例子，一個(gè)正在下降的電梯，加入看門狗檢測(cè)到程序異常了，安全的做法是趕緊停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，否則自由落體，就要涼涼啦。這在IEC61508 功能安全標(biāo)準(zhǔn)，或者醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)、汽車安全標(biāo)準(zhǔn)中都有體現(xiàn)。
• 這里描述一種推薦做法，芯片復(fù)位后，利用芯片復(fù)位狀態(tài)寄存器值，對(duì)看門狗復(fù)位事件計(jì)數(shù)，事不過三，如果連續(xù)三次此類復(fù)位，則保守做法就是將系統(tǒng)切換到安全狀態(tài)或顯示錯(cuò)誤消息，這樣可以避免無限重新啟動(dòng)。怎么做呢？以IAR為例，可以定義一個(gè)變量不讓系統(tǒng)自動(dòng)初始化（如IAR中叫, __no_init)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，復(fù)位后其值仍然保存，除非斷電。__no_init int wdtResetCounter;
  
• ....取決于具體的設(shè)計(jì)策略

如果我們希望系統(tǒng)快速恢復(fù)，應(yīng)該采用看門狗復(fù)位后的初始化比正常加電初始化短的策略。也就是說跳過設(shè)備的一些自檢。當(dāng)然，在某些系統(tǒng)中最好進(jìn)行全面自檢，因?yàn)榭撮T狗超時(shí)的根本原因可能是通過此類硬件異常導(dǎo)致的。

具體咋喂狗呢？

對(duì)于裸機(jī)程序而言，我推薦了下面兩種處理策略：故障檢測(cè)式喂狗，故障檢測(cè)加強(qiáng)式喂狗。

故障檢測(cè)式喂狗

對(duì)于一個(gè)裸奔單片機(jī)程序而言，可以在喂狗時(shí)同時(shí)檢測(cè)一些關(guān)鍵的運(yùn)行時(shí)狀態(tài)，比如棧深度、緩沖區(qū)、關(guān)鍵功能鏈的硬件（如傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）,如這些狀態(tài)異常，則記錄錯(cuò)誤狀態(tài)，將設(shè)備至于功能安全狀態(tài)。

故障檢測(cè)加強(qiáng)式喂狗

啥叫序列檢測(cè)式喂狗呢？IEC-61508中有種范式叫sequence check,有點(diǎn)邪乎？

將是將main函數(shù)的主體關(guān)鍵功能塊，設(shè)置一個(gè)序列標(biāo)記，如果如果序列出錯(cuò)就做安全故障處理，正確則繼續(xù)下一塊的執(zhí)行。在喂狗的時(shí)候，看下序列是否正確，正確就喂，否則就做錯(cuò)誤處理，或者干脆讓狗叫也是一種方式。

對(duì)于多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，有這樣一些不一樣的需求：

• 檢測(cè)操作系統(tǒng)是否正確運(yùn)行
• 在所有任務(wù)中檢測(cè)是否有死循環(huán)
• 檢測(cè)涉及兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)的死鎖
• 檢測(cè)由于高優(yōu)先級(jí)任務(wù)占用CPU而導(dǎo)致某些低優(yōu)先級(jí)任務(wù)無法運(yùn)行
• ....

母狗帶群仔喂狗法

取這個(gè)名字有點(diǎn)俗了，哈哈哈。為了方便理解，就這么叫吧~

實(shí)現(xiàn)策略描述：

watchdogTask可看成狗窩，里面住了一群狗，其中硬件看門狗是母狗，子任務(wù)軟件看門狗為小狗仔。每個(gè)子任務(wù)需要在每一個(gè)loop循環(huán)喂一次狗（當(dāng)然實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)也可以加入任務(wù)故障檢測(cè)式喂狗），在watchdogTask每一個(gè)循環(huán)都對(duì)所有軟件看門狗遞減，如果溢出則軟狗叫了，需要做異常處理（復(fù)位或進(jìn)入失效安全模式）。如果所有的軟件狗都沒有溢出，則喂硬件看門狗（可能是單片機(jī)內(nèi)置或外置芯片）

實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)須注意：

• watchdogTask應(yīng)選取最高優(yōu)先級(jí)
• 每個(gè)loop應(yīng)調(diào)用os_delay一定時(shí)間，以出讓CPU時(shí)間給其他task運(yùn)行。掛起的時(shí)間應(yīng)小于最大硬件看門狗延時(shí)時(shí)間。
• 須合理安排各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)
• 嚴(yán)禁在中斷處理中以及其他函數(shù)中私自喂狗。

狗多久叫合理呢?

過短之痛

看門狗定時(shí)器定時(shí)時(shí)間設(shè)置過短，則系統(tǒng)容易誤判，可能會(huì)導(dǎo)致頻繁復(fù)位或進(jìn)入失效安全模式。因?yàn)槿魏我粭l安全鏈的好壞取決于它最薄弱的一環(huán)，如果選擇一個(gè)太短的超時(shí)間隔。固件的循環(huán)時(shí)間是動(dòng)態(tài)的，尤其外部的異步事件比較多，或者有中斷嵌套的情況，則波動(dòng)會(huì)比較大，所以需要考慮最壞情況，系統(tǒng)循環(huán)一次要多久。

過長之害

一種方法是選擇一個(gè)幾秒鐘長的間隔。當(dāng)您僅嘗試復(fù)位一個(gè)確實(shí)掛起的系統(tǒng)，但不希望對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)研究時(shí)，可以采用此策略。這是一個(gè)健壯的方法。但有些系統(tǒng)需要快速恢復(fù)，這就造成故障診斷過慢的危害了，尤其在一些對(duì)安全要求極高的場(chǎng)合，比如核電系統(tǒng)，汽車電子系統(tǒng)、醫(yī)療器械系統(tǒng)等等。

所以實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要兼顧最壞情況下，盡量選擇相對(duì)較短的定時(shí)時(shí)長，在兩者中尋找一個(gè)平衡。

總結(jié)一下

對(duì)于單片機(jī)編程而言，其實(shí)對(duì)嵌入式Linux甚至在數(shù)據(jù)庫中，看門狗策略都有大量的應(yīng)用，如何合理的使用看門狗，對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)健壯的電子系統(tǒng)而言是非常重要的一個(gè)話題。

本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“嵌入式客棧”，作者逸珺

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