摘要：隨著智能手機及平板為代表的嵌入式設(shè)備的普及，對系統(tǒng)的可靠性提出較高的要求。以TI TMS320DM8168芯片為例，詳細介紹了Linux系統(tǒng)從U—Boot啟動、內(nèi)核啟動到文件系統(tǒng)加載及用戶程序啟動過程中，看門狗的啟用及管理，通過不同階段管理看門狗，可以保證系統(tǒng)在任意可能出現(xiàn)問題的階段，可以自動重啟以修復(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互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，Linux系統(tǒng)被應(yīng)用到越來越多的嵌入式設(shè)備中，如移動通信基站、Android(基于Linux內(nèi)核)智能手機、智能手環(huán)等。不同領(lǐng)域的應(yīng)用都對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，即使因為某種錯誤或異常進入錯誤狀態(tài)，系統(tǒng)應(yīng)該可以自動復(fù)位，看門狗也可以在系統(tǒng)進入錯誤狀態(tài)后的一段時間內(nèi)重啟復(fù)位，以實現(xiàn)系統(tǒng)自動從故障恢復(fù)。

1 看門狗的概念

看門狗是一個進行累加計數(shù)的定時器，在其啟動后，如果在設(shè)定的時間間隔內(nèi)對定時器清零(俗稱“喂狗”操作)，定時器就不會溢出，也不會產(chǎn)生復(fù)位信號;如果在設(shè)定的時間間隔內(nèi)，沒有對定時器清零，定時器就會溢出產(chǎn)生復(fù)位信號，從而實現(xiàn)系統(tǒng)重啟。根據(jù)實現(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器電路實現(xiàn)，其輸出連接到電路的復(fù)位端，程序在設(shè)定間隔內(nèi)對定時器清零。因此程序正常工作時，定時器不會溢出;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，就使得看門狗定時器溢出，產(chǎn)生復(fù)位信號并重啟系統(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器用操作系統(tǒng)內(nèi)部的軟件定時器代替，這樣可以簡化硬件電路設(shè)計。但軟件定時器在可靠性方面不如硬件定時器，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，會導(dǎo)致軟件定時器不可用，也就無法檢測到這些故障。

2 Linux系統(tǒng)對看門狗的支持

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

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/dev/watchdog對應(yīng)著真實的物理設(shè)備，不同類型的硬件看門狗設(shè)備由相應(yīng)的硬件驅(qū)動管理。

軟件看門狗則由Linux內(nèi)核模塊通過定時器機制實現(xiàn)，此時設(shè)備節(jié)點/dev/watchdog并不對應(yīng)真實的物理設(shè)備，只是為應(yīng)用提供了一個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)動程序支持，還提供了一個基于定時器的純軟件看門狗驅(qū)動，其驅(qū)動程序的源碼位于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)核的定時器實現(xiàn)的軟件看門狗，當(dāng)內(nèi)核或中斷出現(xiàn)異常時，將會失效。而硬件看門狗由自身的硬件電路控制，獨立于內(nèi)核，無論當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)如何，如果硬件看門狗在設(shè)定的時間間隔內(nèi)沒有被執(zhí)行寫操作，仍會重新啟動系統(tǒng)。

Linux系統(tǒng)下面的軟件、硬件看門狗對應(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)定的時間間隔內(nèi)對/dev/watchdog設(shè)備執(zhí)行寫操作。在任意時刻，只能有一個看門狗驅(qū)動模塊被加載，管理/dev/watchdog設(shè)備節(jié)點。如果系統(tǒng)沒有硬件看門狗電路，可以加載軟件看門狗驅(qū)動模塊。

3 Linux系統(tǒng)下看門狗的訪問

前文提到，Linux系統(tǒng)將看門狗作為一個字符設(shè)備來管理。本節(jié)將以TI公司推出的高清視頻處理芯片TMS320DM8168(以下簡稱DM8168)芯片為例，介紹Linux下訪問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產(chǎn)生復(fù)位(Reset)及中斷信號(Interrupt)，復(fù)位信號會復(fù)位整個芯片，中斷信號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間寫進日志，然后再復(fù)位等)。

Linux系統(tǒng)訪問硬件接口需通過設(shè)備驅(qū)動程序接口實現(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)核通過設(shè)備驅(qū)動程序訪問并控制硬件設(shè)備;

③Usee Space-用戶空間，應(yīng)用程序通過內(nèi)核驅(qū)動提供的API接口(通常以打開文件或ioctl方式)，提供訪問硬件設(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啟動過程依次為U—Boot、內(nèi)核及文件系統(tǒng)，最后是應(yīng)用程序啟動。在Linux系統(tǒng)啟動過程中，啟用看門狗可以有效監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，若異常導(dǎo)致看門狗溢出，系統(tǒng)會自動復(fù)位以試修復(fù)問題，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各個啟動階段看門狗的管理。

4.1 U—Boot啟動階段

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啟動函數(shù)。U—Boot啟動內(nèi)核的過程如下：

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C語言函數(shù)。[!--empirenews.page--]

⑤初始化本階段使用的硬件設(shè)備。

⑥檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射。

⑦將內(nèi)核從Flash讀取到RAM中。

⑧設(shè)置內(nèi)核啟動參數(shù)，然后啟動硬件看門狗，通過訪問控制寄存器來實現(xiàn)。該階段可以設(shè)置看門狗超時溢出時間為120 s。以DM8168芯片為例(后面的代碼都是基于該芯片實現(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)核解壓及啟動出錯，看門狗超時可以復(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自動啟動的命令后，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如果沒有收到用戶中斷命令，U—Boot會拷貝內(nèi)核鏡像并解壓內(nèi)核，開始啟動內(nèi)核調(diào)用。

4.2 內(nèi)核啟動階段

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

在內(nèi)核啟動時，內(nèi)核程序會注冊硬件看門狗的驅(qū)動程序，并執(zhí)行probe探針函數(shù)，此時，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，并加載新的超時時長，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)在掛載或解壓出錯時，看門狗沒有進行喂狗操作，從而導(dǎo)致120 s超時后重啟。

在注冊完硬件驅(qū)動程序之后，內(nèi)核會掛載根文件系統(tǒng)并進行解壓。

4.3 應(yīng)用程序啟動階段

文件系統(tǒng)啟動后，用戶的應(yīng)用進程也會開始啟動。在這個階段，通常會創(chuàng)建一個獨立的守護進程，來接管看門狗。守護進程啟動時，首先關(guān)閉內(nèi)核階段啟動的看門狗，并重新啟動看門狗設(shè)置超時時長，實現(xiàn)接管內(nèi)核階段看門狗的功能。在看門狗啟動后，守護進程可以周期性地進行喂狗操作，并通過心跳的方式同用戶進程通信，在收不到用戶進程的心跳包消息時，即停止喂狗操作，這樣看門狗會超時溢出導(dǎo)致系統(tǒng)重啟，以進行故障修復(fù)。

守護進程通過看門狗中斷響應(yīng)函數(shù)，實現(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啟動直到應(yīng)用程序完成過程中，看門狗都有相應(yīng)的啟動及管理。

4.4 看門狗管理小結(jié)

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

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，可以同時支持Reset和Interrupt信號，功能更加強大。

如果只是期望看門狗超時后能重啟復(fù)位板卡，參考前節(jié)提到的方法，依次在Linux啟動的各個階段啟用及管理看門狗即可，因為看門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溢出時增加一些額外的處理，可以采用捕獲中斷信號的方法。具體流程如下：

①注冊硬件看門狗中斷處理函數(shù)，實現(xiàn)程序為omap_irq=platform_get_resource(pdev，IORESOURCE_IRQ，0); //獲得中斷標(biāo)號

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

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。

中斷處理函數(shù)omap_wdt_irqhdl的關(guān)鍵實現(xiàn)程序為：

采用此方法后，看門狗超時產(chǎn)生中斷信號，系統(tǒng)捕獲到中斷信號后自動觸發(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)場以便定位問題)。

結(jié)語

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