Linux看门狗管理及在DM8168芯片上的应用

摘要：随着智能手机及平板为代表的嵌入式设备的普及，对系统的可靠性提出较高的要求。以TI TMS320DM8168芯片为例，详细介绍了Linux系统从U—Boot启动、内核启动到文件系统加载及用户程序启动过程中，看门狗的启用及管理，通过不同阶段管理看门狗，可以保证系统在任意可能出现问题的阶段，可以自动重启以修复故障，从而有效提高系统的可靠性。

关键词：Linux;看门狗;DM8168

引言

随着智能终端及移动互联网的发展，Linux系统被应用到越来越多的嵌入式设备中，如移动通信基站、Android(基于Linux内核)智能手机、智能手环等。不同领域的应用都对Android/Linux系统的可靠性及可用性有严格的要求。在嵌入式系统中，CPU必须可靠工作，即使因为某种错误或异常进入错误状态，系统应该可以自动复位，看门狗也可以在系统进入错误状态后的一段时间内重启复位，以实现系统自动从故障恢复。

1 看门狗的概念

看门狗是一个进行累加计数的定时器，在其启动后，如果在设定的时间间隔内对定时器清零(俗称“喂狗”操作)，定时器就不会溢出，也不会产生复位信号;如果在设定的时间间隔内，没有对定时器清零，定时器就会溢出产生复位信号，从而实现系统重启。根据实现方式的不同，可以分为硬件看门狗和软件看门狗。

硬件看门狗是利用定时器电路实现，其输出连接到电路的复位端，程序在设定间隔内对定时器清零。因此程序正常工作时，定时器不会溢出;如果程序出现故障，未能在设定间隔周期内执行清零操作，就使得看门狗定时器溢出，产生复位信号并重启系统。软件看门狗原理上同硬件看门狗一样，只是将硬件电路上的定时器用操作系统内部的软件定时器代替，这样可以简化硬件电路设计。但软件定时器在可靠性方面不如硬件定时器，在一些异常的情形下，比如处理器或操作系统内部发生故障时，会导致软件定时器不可用，也就无法检测到这些故障。

2 Linux系统对看门狗的支持

Linux内核从1.3.51版本开始提供硬件、软件看门狗的驱动支持。随着内核版本不断更新与发展，Linux内核对各种不同类型的硬件看门狗提供了广泛的支持。根据访问方式的不同，Linux系统下的设备驱动程序分为字符设备及块设备。看门狗在Linux系统下作为字符设备来处理，/dev/watchdog是一个主设备号为10、从设备号为130的字符设备节点。

Linux系统下的硬件看门狗，必须有硬件电路支持，设备节点/dev/watchdog对应着真实的物理设备，不同类型的硬件看门狗设备由相应的硬件驱动管理。

软件看门狗则由Linux内核模块通过定时器机制实现，此时设备节点/dev/watchdog并不对应真实的物理设备，只是为应用提供了一个与操作硬件看门狗相同的接口。各种不同类型的硬件看门狗电路，不仅提供了驱动程序支持，还提供了一个基于定时器的纯软件看门狗驱动，其驱动程序的源码位于Linux内核源码下面的/drivers/watchdog目录。

与Linux下的软件看门狗相比，硬件看门狗具有更高的可靠性。基于Linux内核的定时器实现的软件看门狗，当内核或中断出现异常时，将会失效。而硬件看门狗由自身的硬件电路控制，独立于内核，无论当前系统状态如何，如果硬件看门狗在设定的时间间隔内没有被执行写操作，仍会重新启动系统。

Linux系统下面的软件、硬件看门狗对应用程序而言是透明的。应用程序操作软件看门狗的方式如下：打开设备/dev/watchdog，在设定的时间间隔内对/dev/watchdog设备执行写操作。在任意时刻，只能有一个看门狗驱动模块被加载，管理/dev/watchdog设备节点。如果系统没有硬件看门狗电路，可以加载软件看门狗驱动模块。

3 Linux系统下看门狗的访问

前文提到，Linux系统将看门狗作为一个字符设备来管理。本节将以TI公司推出的高清视频处理芯片TMS320DM8168(以下简称DM8168)芯片为例，介绍Linux下访问及操作看门狗的逻辑层次。

DM8168芯片将高清多通道系统的所有捕获、压缩、显示以及控制功能整合于同一芯片，芯片内部集成了硬件看门狗，外围连接电路如图1所示。硬件看门狗溢出同时产生复位(Reset)及中断信号(Interrupt)，复位信号会复位整个芯片，中断信号可以在捕获到中断事件后，在中断处理函数中增加一些额外的操作(比如将收到的看门狗溢出中断的时间写进日志，然后再复位等)。

Linux系统访问硬件接口需通过设备驱动程序接口实现，硬件看门狗也不例外。

如图2所示，Linux系统下操作看门狗需要以下3个层次：

①Hardware Layer-硬件层，指硬件设备，通常提供GPIO;

②Kernel Layer-内核层，内核通过设备驱动程序访问并控制硬件设备;

③Usee Space-用户空间，应用程序通过内核驱动提供的API接口(通常以打开文件或ioctl方式)，提供访问硬件设备的接口，比如打开看门狗(int fd = open(“/dev/wat chdog”，O_RDWR))。

4 Linux系统下看门狗的管理

Linux启动过程依次为U—Boot、内核及文件系统，最后是应用程序启动。在Linux系统启动过程中，启用看门狗可以有效监测系统状态，若异常导致看门狗溢出，系统会自动复位以试修复问题，从而提高系统的可靠性及健壮性。本节以DMS168开发板为例，介绍Linux各个启动阶段看门狗的管理。

4.1 U—Boot启动阶段

开发板上电后，执行U—Boot的第一条指令，然后顺序执行U—Boot启动函数。U—Boot启动内核的过程如下：

①硬件设备初始化。

②加载U—Boot第二阶段代码到RAM空间。

③设置好堆栈，跳转到start_armboot函数入口。

④start_armboot是U—Boot执行的第一个C语言函数。