【嵌入式】嵌入式系统稳定性建设：最后的防线

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📁 1. 【嵌入式】嵌入式系统稳定性概览：为何它如此重要？
📂 2. 【嵌入式】嵌入式系统稳定性建设：进程监控的不可或缺之力
📁 3. 【嵌入式】嵌入式系统稳定性建设：完善代码容错处理的必由之路
📁 4. 【嵌入式】嵌入式系统稳定性建设：静态代码扫描的稳定性提升术
📁 5. 【嵌入式】嵌入式系统稳定性建设：最后的防线

1. 概述

嵌入式系统的稳定性对于其可靠性和性能至关重要。在现代的嵌入式系统设计中，为了确保系统能够持续稳定地运行并及时恢复，看门狗技术被广泛应用。看门狗是一种硬件或软件机制，用于监视系统的运行状态并在系统出现故障或停顿时执行预定义的恢复操作。本文将深入探讨嵌入式系统稳定性中的看门狗技术，包括其原理、应用和优化等。

2. 原理介绍

看门狗是一种定时器，在系统正常运行时，软件需要周期性地喂狗（重置定时器）。如果由于某种原因导致软件无法喂狗，定时器将超时并触发预定义的恢复机制，例如系统复位或恢复到安全状态。这种机制可以有效应对系统死机、死循环或其他异常情况，确保系统的稳定性和可靠性。

从实现方式上来看，看门狗又分为软件看门狗和硬件看门狗两个品种。

2.1 软件看门狗

软件看门狗是一种基于软件实现的定时器机制，在嵌入式系统中通过定时器或计时器中断来实现。软件看门狗通常由系统软件或应用程序负责定期对其进行“喂狗”，以防止超时。如果系统出现故障或停顿导致喂狗失败，软件看门狗会在预定的超时时间内触发相应的恢复机制，例如系统复位或恢复到安全状态。软件看门狗的实现相对灵活，可以在不同的嵌入式系统和平台上通过软件编程来实现。

2.2 硬件看门狗

硬件看门狗是一种由专用硬件电路实现的定时器机制，在嵌入式系统中通常作为独立的硬件模块存在。硬件看门狗在系统初始化后开始计时，当系统正常运行时，软件需要定期对其进行“喂狗”，以防止超时。如果由于某种原因导致软件无法喂狗，硬件看门狗将在预定的超时时间内触发系统的恢复操作，例如系统复位或恢复到安全状态。硬件看门狗通常具有更高的可靠性和稳定性，可以在系统停顿或死机时独立地执行恢复操作。

2.3 哪个品种更优良

软件看门狗的可靠性取决于系统的整体稳定性，如果系统发生了严重的故障或死机，软件看门狗也可能受到影响而无法正常工作；同时，其实时性也会受限于系统的运行状态和负载，可能受到系统的其他任务或中断的影响而无法精确定时。

而对于目前的主流芯片来讲，看门狗已经集成到芯片内部，经过一些必要的寄存器配置就可以直接使用了，无需复杂的定时器代码逻辑，不依赖操作系统，避免了软件运行带来的干扰和影响。

总的来说，硬件看门狗在稳定性和可靠性方面具有优势，特别是在对系统的稳定性和安全性有更高要求的场景下，硬件看门狗可能更为合适。当然，如果没有必要的硬件或者芯片支持，软件看门狗也不失为一种选择。

3. 看门狗的应用

在嵌入式系统中，看门狗通常与操作系统或应用程序集成，监视系统的运行状态。当系统正常运行时，软件会定期喂狗，以防止看门狗超时。如果系统出现故障或停顿，导致在预定的超时时间内喂狗，那么就会触发相应的恢复操作，从而确保系统能够及时恢复到正常状态。下面以示例代码的形式演示几个常见系统的看门狗初始化和喂狗流程。

3.1 Linux平台

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/watchdog.h>
#include <fcntl.h>int main(int argc char *argv)
{int fd = 0;int timeout = 10; // 超时时间为10秒// 打开看门狗设备fd = open("/dev/watchdog", O_WRONLY);if (fd == -1) {perror("watchdog device open");exit(EXIT_FAILURE);}// 配置看门狗定时器的超时时间ioctl(fd, WDIOC_SETTIMEOUT, &timeout);//每2秒喂狗1次while (1) {// 执行喂狗操作ioctl(fd, WDIOC_KEEPALIVE, 0);// 延时等待2秒sleep(2);}close(fd);return 0;
}

3.2 Arduino平台

#include <avr/wdt.h>void setup()
{// 启用看门狗定时器，超时时间为2秒wdt_enable(WDTO_2S);
}//定期调用，执行喂狗操作
void loop()
{// 正常操作时重置看门狗wdt_reset();// 在这里执行系统的其他任务
}

3.3 FreeRTOS平台

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "timers.h"
#include "watchdog.h"// 看门狗任务
void vWatchdogTask(void *pvParameters)
{const TickType_t xMaxBlockTime = pdMS_TO_TICKS(1000);for(;;) {// 喂狗vTaskDelay(xMaxBlockTime);taskENTER_CRITICAL();WDT_FEED(); // WDT_FEED是一个假设的喂狗函数taskEXIT_CRITICAL();}
}void main(int argc, char *argv[])
{// 初始化看门狗vWatchdogInit(); // 假设初始化函数为vWatchdogInit// 创建看门狗任务xTaskCreate(vWatchdogTask, "Watchdog", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);// 启动调度器vTaskStartScheduler();
}

3.4 RT-Thread平台

#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>static void watchdog_thread_entry(void* parameter)
{rt_device_t dev = rt_device_find("wdt"); // 假设"wdt"为看门狗设备的名称rt_device_open(dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR);while (1) {rt_device_control(dev, RT_DEVICE_CTRL_WDT_KEEPALIVE, RT_NULL); // 喂狗rt_thread_delay(1000); // 延时1秒}
}int rtthread_wdt_sample(void)
{rt_thread_t thread = rt_thread_create("watchdog", watchdog_thread_entry, RT_NULL, 1024, 25, 20);if (thread != RT_NULL) {rt_thread_startup(thread);}return 0;
}

上述代码，仅做功能和流程的延时，无法直接编译运行。项目开发过程中，还需要根据具体的硬件平台和操作系统配置情况来进行对应的调整。

4. 看门狗的优化和注意事项

在实际应用中，需要根据系统的特性和要求来优化和配置看门狗定时器的超时时间、喂狗周期、喂狗优先级等参数。

1. 确保喂狗的正确性和及时性。比如有个功能在允许时总是会高优先级抢占CPU 6秒钟，那看门狗超时时间就要大于6秒钟＋喂狗间隔的总和，否则临界情况下可能会导致错过1次喂狗导致误触发看门狗超时。比如可以把看门狗超时时间设置为20秒，喂狗周期为2秒。
2. 看门狗优先级要恰当。一般情况下是将看门狗的线程任务优先级置为最高，如果最高优先级的定时喂狗任务都超时了，那说明此时系统大概率已经异常或者超负荷了，亟需恢复到正常工作状态。
3. 触发看门狗恢复机制时保障好用户体验，假设恢复机制为重启系统，那么对于一个有开机铃声的产品来说，需要在开机时判断本次启动是否由看门狗触发的重启，如果是则说明本次启动并非用户的本意和主动操作，需要静默启动，以避免对用户的噪声打扰。
4. 考虑系统的安全性和可靠性，避免因看门狗机制本身而引入新的故障点。

5. 结语

嵌入式系统稳定性中的看门狗技术是确保系统可靠性的重要手段。通过对看门狗的原理、应用和优化进行深入理解和合理应用，可以有效提高嵌入式系统的稳定性和鲁棒性，确保系统能够持续稳定地运行并及时恢复。希望本文能够为读者提供对嵌入式系统稳定性和看门狗技术的深入理解，并为实际应用提供一些有益的参考。