原创 看门狗在嵌入式 Linux 中的应用

By Toradex胡珊逢

1). 简介

在嵌入式领域中 Watchdog 看门狗通常被作为用于应对系统或者应用意外崩溃的有效手段。其可以在程序执行出错并无法恢复的情况下，自动重启应用甚至复位整个系统，从而使系统脱离宕机状态，恢复正常业务执行。这对于涉及到人身、财产安全的应用，显得极为重要。本文将基于NXP iMX6 嵌入式平台如何使用看门狗进行介绍，应对 Linux 系统或者应用程序意外崩溃。

本文所演示的iMX6平台来自于Toradex Colibri iMX6 计算机模块，iMX6芯片自带看门狗功能，其硬件和早期的 iMX2 一致，所以看门狗驱动仍然沿用 imx2-wdt。看门狗只支持单用户操作，即只能有一个实例来使用看门狗。因此在 Linux 系统中，用户可以选择由自己的应用直接使用看门狗，但只限于一个进程。看门狗只监控该应用，对于Linux 本身或者其他应用则无法在意外崩溃的情况下触发看门狗复位。或者使用 systemd (183以后的版本)来操作硬件看门狗，同时为用 systemd 所管理的单元提供软件逻辑看门狗。硬件看门狗主要应对 Linux 内核以及 systemd 自身的崩溃，软件逻辑看门狗则可以用于用户自己的应用，且不受数量限制。

2). 用户应用操作

./ 首先在 U-Boot 中设置看门狗超时时间，这里设置为 60 秒。

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setenv defargs $defargs imx2-wdt.timeout=60

saveenv

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./ 编译完成后运行测试程序。

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root@colibri-imx6:~# ./wdt-sample-app &

[1] 627

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./ 终结该测试程序进程。当进程被终结后，看门狗仍旧保持运行，但是无法定时喂狗。因此，在60s 超时后，看门狗会复位系统。

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root@colibri-imx6:~# kill 627

root@colibri-imx6:~# [ 45.964155] watchdog: watchdog0: watchdog did not stop!

[1]+ Terminated ./wdt-sample-app

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./ 当模块由于看门狗复位时，可以从U-Boot 启动的串口日志发现复位的原因。

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U-Boot 2016.11-2.8.5+g02735f4004 (Dec 28 2018 - 01:54:12 +0000)

CPU: Freescale i.MX6DL rev1.1 at 792 MHz

Reset cause: WDOG

I2C: ready

DRAM: 512 MiB

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3). Systemd 操作

a). 对于需要使用看门狗监控多个应用，可以使用 systemd 来操作。Systemd 提供硬件看门狗和软件看门狗支持。硬件看门狗用于监控 Linux 内核以及 systemd 自身的运行，一旦出现内核崩溃的情况，看门狗超时将触发系统复位。在 systemd 中使用硬件看门狗非常简单，只需要配置 /etc/systemd/system.conf 中的RuntimeWatchdogSec= 参数，将其设置超时时间即可。在规定时间如果没有喂狗，将触发复位。systemd 通常会在所设置时间的一半为间隔进行喂狗。ShutdownWatchdogSec= 则可以设置关机超时时间，如果系统在该时间内没有完成关机，也将系统复位。

./ 为了触发内核崩溃的情况，我们需要开启内核调试的 MAGIC_SYSRQ 功能，该选项在 Toradex 默认的 Linux BSP 中是关闭的。打开后重新编译内核。

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CONFIG_MAGIC_SYSRQ=y

CONFIG_MAGIC_SYSRQ_DEFAULT_ENABLE=0x1

CONFIG_DEBUG_KERNEL=y

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./ 设置超时时间为60秒，RuntimeWatchdogSec=60。 启动查看系统日志，显示硬件看门狗超时时间被设置为1分钟。

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root@colibri-imx6:/etc/systemd# dmesg|grep watchdog

[ 3.137012] systemd[1]: Hardware watchdog 'imx2+ watchdog', version 0

[ 3.147564] systemd[1]: Set hardware watchdog to 1min.

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./ 然后我们用下面命令触发内核崩溃。

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echo c > /proc/sysrq-trigger

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./ 一分钟以后，由于 systemd 没有对进行喂狗操作，系统将复位后重新启动。

b). 除了硬件看门狗外，sytemd 还提供软件看门狗，每个 systemd service 都可以使用。service 需要读取 WATCHDOG_USEC= 参数，确定看门狗超时时间，并在该时间范围内使用 sd_notify("WATCHDOG=1") 喂狗，同样喂狗的时间间隔为 WATCHDOG_USEC= 所设置的一半。

./ 用户只要在对应的 systemd service 文件中设置 WatchdogSec= 参数即可，而 WATCHDOG_USEC= 将根据前面的参数自动被设置。在应用程序中以 WatchdogSec/2 的间隔调用 sd_notify 函数发送 "WATCHDOG=1"进行喂狗操作。例如

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// Systemd servier 文件(/etc/systemd/system/test.service)，用于启动用户应用

[Unit]

Description=Watchdog Test service

[Service]

ExecStart=/home/root/wdt-sw-test

WatchdogSec=30s

Restart=on-failure

StartLimitInterval=5min

StartLimitBurst=4

StartLimitAction=reboot

[Install]

WantedBy=multi-user.target

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./ 用户应用 wdt-sw-test.c，并定期执行喂狗操作（编译的时候需要使用 -lsystemd 链接 systemd 库文件）。

在应用初始化后需要通知 systemd 管理器本应用正常启动，sd_notify (0, "READY=1");。然后根据 WATCHDOG_USEC 变量设置喂狗间隔。在应用中我们将模拟一次超时喂狗，从而引起应用重启。

./ 下面是运行日志。起初应用程序 wdt-sw-test 由 systemd 加载启动，PID=396，并以15s间隔喂狗（该时间源自WatchdogSec=30s）。当喂狗超时后，systemd 会发送信号 SIGABRT 终止该进程，并重启该应用，新 PID=647。

​

./ 在 service 文件中，我们还配置了 StartLimitBurst 和 StartLimitInterval 以及 StartLimitAction 参数。这使得在 StartLimitInterval 时间内应用启动次数超过 StartLimitBurst 后，将不被允许再次启动，并触发 StartLimitAction 的操作。具体描述请参考 systemd.unit。

3). 总结

看门狗对于关键应用，以及大多数的一般应用来讲是一个很重要的功能，其能够应对 Linux系统或者应用崩溃的情况，避免用户设备处于失控的状态。当整个系统只有一个嵌入式设备作为决策控制单元时，对于关键的安全应用，根据单一故障准则，我们还建议引入辅助控制单元，例如额外的 MCU 等做同步监测，或者使用保险丝、热电偶等，当出现超限情况，能够执行紧急操作，从而进一步提高设备的安全性。