uC/OS-II 系統(tǒng)的多任務(wù)看門(mén)狗設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)中為提高微型機(jī)系統(tǒng)的可靠性和安全性, 常用的方法就是使用“看門(mén)狗”。看門(mén)狗分硬件看門(mén)狗和軟件看門(mén)狗。硬件看門(mén)狗采用“看門(mén)狗”電路, 通過(guò)定時(shí)器, 對(duì)微型機(jī)任務(wù)即“喂狗”在運(yùn)行時(shí)間上加以約束, 任務(wù)必須在最大指定時(shí)間范圍內(nèi)完成, 否則重啟系統(tǒng)。軟件看門(mén)狗采用處理器內(nèi)部定時(shí)器, 把任務(wù)的理論最大運(yùn)行時(shí)間作為時(shí)間約束, 如果該任務(wù)超過(guò)了這個(gè)時(shí)間跨度, 則強(qiáng)制退出本次任務(wù)。上述看門(mén)狗采用的是單任務(wù)的順序機(jī)制, 容易實(shí)現(xiàn)。在多任務(wù)系統(tǒng)中情況稍為復(fù)雜, 如果每個(gè)任務(wù)都像單任務(wù)系統(tǒng)那樣,只要有一個(gè)任務(wù)正常工作并定期“喂狗”,看門(mén)狗定時(shí)器就不會(huì)溢出, 而只有所有任務(wù)都出現(xiàn)問(wèn)題時(shí), 定時(shí)器才會(huì)溢出。重慶師范大學(xué)葉幫利老師曾在windows 系統(tǒng)中探討和解決了這個(gè)問(wèn)題[ 1 ] , 在嵌入式系統(tǒng)中也有人曾談到過(guò)[ 2 ] , 但是卻沒(méi)有具體實(shí)現(xiàn)方法的敘述。

文中把u C / O S - I I 操作系統(tǒng)移植到PHILIPS 公司生產(chǎn)的LPC2132 內(nèi)核中,基于系統(tǒng)的消息機(jī)制和優(yōu)先級(jí)權(quán)限, 設(shè)置了一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)作為監(jiān)視器對(duì)微型機(jī)上運(yùn)行的所有任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控, 只要一個(gè)任務(wù)出現(xiàn)故障, 該監(jiān)視任務(wù)就延遲喂狗, 使定時(shí)器溢出, 重啟系統(tǒng), 以保障微型機(jī)及所有任務(wù)處于長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)概述

1 . 1 硬件和開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介

把uC/OS-II 操作系統(tǒng)移植到LPC2132的開(kāi)發(fā)板中。LPC2132 是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32 位ARM7TDMI-STM 核微處理器,帶64kB 高速FLASH 存儲(chǔ)器,4 個(gè)通信接口, 2 個(gè)32 位定時(shí)器, 1 個(gè)10 位8 路ADC,2 個(gè)硬件接口,47 個(gè)GPIO 以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷, 完全能滿(mǎn)足一般應(yīng)用程序及擴(kuò)展的需求。

uC/OS-II 是一個(gè)搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng), 其源代碼公開(kāi)、可移植性強(qiáng), 有著易用性、易開(kāi)發(fā)性和普及性的特點(diǎn)。uC/OS- Ⅱ最多可以管理64 個(gè)任務(wù), 這些任務(wù)通常都是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的函數(shù)。在目前的版本中, 保留了優(yōu)先級(jí)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(wù),所以用戶(hù)可以同時(shí)擁有5 6 個(gè)任務(wù), 足以滿(mǎn)足用戶(hù)設(shè)計(jì)的各種要求。

1 . 2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

在多任務(wù)系統(tǒng)中, 往往希望有一個(gè)任務(wù)出問(wèn)題時(shí)把該任務(wù)重啟, 而不重啟整個(gè)系統(tǒng), 以達(dá)到不影響其他關(guān)鍵任務(wù)運(yùn)行的目的, 在多次重啟該任務(wù)無(wú)效時(shí)再重啟系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)的主程序出現(xiàn)錯(cuò)誤或者系統(tǒng)硬件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)重啟系統(tǒng)。基于以上分析設(shè)計(jì)的看門(mén)狗主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

( 1 ) 當(dāng)某個(gè)任務(wù)出現(xiàn)異常時(shí), 由軟件看門(mén)狗重啟該任務(wù)。

( 2 ) 當(dāng)多次重啟某一任務(wù)失敗時(shí), 重啟系統(tǒng)。

( 3 ) 當(dāng)操作系統(tǒng)本身出現(xiàn)異常時(shí), 或者系統(tǒng)硬件出現(xiàn)異常時(shí), 由軟件看門(mén)狗或者是硬件看門(mén)狗重新啟動(dòng)微處理器。

2 多任務(wù)看門(mén)狗監(jiān)控原理

結(jié)合LPC2132 內(nèi)置硬件看門(mén)狗和uC/O S - Ⅱ操作系統(tǒng), 設(shè)置了一個(gè)優(yōu)先級(jí)別最高的任務(wù)作為監(jiān)視器監(jiān)視各應(yīng)用任務(wù)是否正常運(yùn)行, 該監(jiān)視器稱(chēng)為軟件看門(mén)狗。該任務(wù)對(duì)每個(gè)被監(jiān)視任務(wù)都設(shè)定一個(gè)計(jì)時(shí)器, 被監(jiān)視任務(wù)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)對(duì)應(yīng)的定時(shí)器定時(shí)清零, 稱(chēng)為“喂軟狗”。在被監(jiān)視的任務(wù)都正常工作的情況下, 軟件看門(mén)狗對(duì)內(nèi)置硬件看門(mén)狗定時(shí)器周期性清零,稱(chēng)為“喂狗”。如果被監(jiān)視任務(wù)群某個(gè)任務(wù)出現(xiàn)故障, 不能在設(shè)置的時(shí)間內(nèi)對(duì)軟件看門(mén)狗“喂軟狗”, 與之對(duì)應(yīng)的定時(shí)器溢出,系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)送指令, 把該任務(wù)的堆棧地址指到其起始地址, 復(fù)位該任務(wù), 如果在設(shè)定的次數(shù)內(nèi)不能夠有效啟動(dòng)該任務(wù), 則延時(shí)“喂狗”, 硬件看門(mén)狗計(jì)數(shù)器溢出, 重啟系統(tǒng)。另外當(dāng)監(jiān)視器任務(wù)本身出現(xiàn)故障時(shí),也不能及時(shí)對(duì)看硬件看門(mén)狗定時(shí)器清零,重啟系統(tǒng)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3 . 1 應(yīng)用任務(wù)與軟件看門(mén)狗之間的通信

在多任務(wù)軟件看門(mén)狗與各應(yīng)用任務(wù)間之間進(jìn)行信息傳遞時(shí), 每個(gè)應(yīng)用任務(wù)都會(huì)對(duì)監(jiān)視器發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)消息, 監(jiān)視器任務(wù)也要對(duì)每個(gè)任務(wù)發(fā)送消息。在應(yīng)用任務(wù)較多的情況下, 如果采用信箱進(jìn)行通訊, 會(huì)造成大量無(wú)效操作, 也使得編程變得繁瑣, 所以在監(jiān)視器任務(wù)中采用消息隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)與各應(yīng)用任務(wù)間的消息傳遞, 而在各應(yīng)用任務(wù)中設(shè)置兩個(gè)信箱, 一個(gè)用來(lái)對(duì)監(jiān)視器消息隊(duì)列發(fā)送消息, 一個(gè)用來(lái)接收監(jiān)視器任務(wù)消息隊(duì)列發(fā)送的消息。當(dāng)某個(gè)應(yīng)用任務(wù)在執(zhí)行出錯(cuò)時(shí),調(diào)用OSQPost()函數(shù)向監(jiān)視器任務(wù)消息隊(duì)列發(fā)送消息, 監(jiān)視器任務(wù)通過(guò)調(diào)用OSQPend()函數(shù)從消息隊(duì)列讀取該消息,然后調(diào)用OSMboxPost()函數(shù)向該應(yīng)用任務(wù)的消息接收信箱發(fā)送代表不同意義的消息,該任務(wù)調(diào)用OSMboxPend()函數(shù)從信箱中讀取該消息后執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3 . 2 多任務(wù)軟件看門(mén)狗的實(shí)現(xiàn)

多任務(wù)看門(mén)狗通過(guò)檢查各應(yīng)用任務(wù)是否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)其“喂軟狗”來(lái)監(jiān)測(cè)各任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)。借助微處理器的定時(shí)器中斷機(jī)制, 為每個(gè)任務(wù)分配計(jì)時(shí)單元和運(yùn)行標(biāo)志, 由定時(shí)中斷依據(jù)運(yùn)行標(biāo)志狀態(tài)進(jìn)行獨(dú)立計(jì)時(shí)。當(dāng)系統(tǒng)中的某任務(wù)空閑時(shí), 以小于“喂軟狗”設(shè)定的時(shí)間間隔為周期, 周期性地“喂軟狗”; 在該任務(wù)執(zhí)行時(shí),預(yù)計(jì)執(zhí)行所需的最長(zhǎng)耗時(shí), 并用稍大于該最大耗時(shí)的時(shí)間間隔設(shè)置監(jiān)視器中定時(shí)器參數(shù), 同時(shí)中斷周期性“喂軟狗”模塊, 啟動(dòng)監(jiān)視器任務(wù)中的定時(shí)器倒計(jì)數(shù)。當(dāng)該任務(wù)正常執(zhí)行完畢時(shí), 發(fā)送信號(hào)“喂軟狗”,對(duì)定時(shí)器清零, 復(fù)位該任務(wù), 同時(shí)恢復(fù)周期性“喂軟狗”模塊; 當(dāng)該任務(wù)執(zhí)行出現(xiàn)異常時(shí), 不能在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)軟件看門(mén)狗清零, 使得監(jiān)視器中相應(yīng)的定時(shí)器溢出,監(jiān)視器任務(wù)通過(guò)內(nèi)核服務(wù)發(fā)送指令, 把該任務(wù)的堆棧地址指到其起始地址, 重啟該任務(wù), 同時(shí)累計(jì)其復(fù)位次數(shù), 把該任務(wù)的計(jì)時(shí)器清零。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合LPC2132 內(nèi)置硬件看門(mén)狗和uC/O S - Ⅱ操作系統(tǒng), 設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)管理的軟件看門(mén)狗, 該看門(mén)狗不但能夠有效地監(jiān)視各應(yīng)用任務(wù), 也能夠在不影響其他任務(wù)正常運(yùn)行的情況下, 重啟該任務(wù), 直至在多次重啟無(wú)效時(shí), 才重啟系統(tǒng),達(dá)到了相互獨(dú)立的應(yīng)用任務(wù)之間不會(huì)過(guò)于牽制的目的。另外該看門(mén)狗也能在主程序和硬件出問(wèn)題時(shí)自動(dòng)重啟, 確保系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。