ESP32基础知识-看门狗

#include <Arduino.h>

int count = 0;            // 按钮计数器
long last_press_time = 0; // 上一次按下按钮的时间，用于按钮消抖

void handle()
{
  // 两次按下的时间要大于500ms才认为是一次有效的操作
  if (millis() - last_press_time > 500)
  {
    count++;                    // 计数器加一
    Serial.println(count);      // 把当前计数值通过串口打印出来
    delay(8000);
    last_press_time = millis(); // 记录本次按钮按下的时间
  }
}

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  // 开启23号引脚的中断
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(23), handle, RISING);
}

void loop()
{
}

电路搭建如下：

运行结果如下：

Description

实验二

需求：

基于Freertos，创建一个任务，该任务不断对一个计数器进行累加，并且该任务绑定到0号CPU，任务优先级为1

使用任务函数完成需求代码：

#include <Arduino.h>

volatile uint64_t number = 0;

void count(void *ptr)
{
  while (1)
  {
    number++;
  }
}

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  // 任务优先级为1，绑定到0号CPU
  xTaskCreatePinnedToCore(count, "count", 2048, nullptr, 1, NULL, 0);
}

void loop()
{
}

运行结果如下：

Description

实验三

需求：

修改实验二的任务代码，每次对number累加后，通过串口输出

完成需求代码，

void count(void *ptr)
{
  while (1)
  {
    number++;
    Serial.println(number);
  }
}

运行结果：

代码正常运行，计数器持续累加，esp32并未重启。

实验四

需求：

保持实验二中的代码不变，仅修改创建任务的逻辑，将任务绑定到1号CPU

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  // 任务优先级为1，绑定到1号CPU
  xTaskCreatePinnedToCore(count, "count", 2048, nullptr, 1, NULL, 1);
}

运行结果：

代码正常运行，计数器持续累加，esp32并未重启。

实验五

需求：

保持实验二中的代码不变，仅修改创建任务的逻辑，将任务优先级调整成0，仍然绑定到0号CPU上

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  // 任务优先级为0，绑定到0号CPU
  xTaskCreatePinnedToCore(count, "count", 2048, nullptr, 0, NULL, 0);
}

运行结果：

代码正常运行，计数器持续累加，esp32并未重启。

实验六

需求：
保持实验二中的代码不变，仅修改任务逻辑，每次计数器+1后，通过vTaskDelay函数延迟1个tick

void count(void *ptr)
{
  while (1)
  {
    number++;
    vTaskDelay(1);
  }
}

运行结果：

代码正常运行，计数器持续累加，esp32并未重启。

实验七

需求：

保持实验二中的代码不变，仅修改任务逻辑，每次计数器+1后，通过vTaskSuspend()函数让任务挂起，让随后又通过vTaskResume函数让任务继续运行

void count(void *ptr)
{
  while (1)
  {
    number++;
    vTaskSuspend(NULL);
    vTaskResume(NULL);
  }
}

运行结果：

代码正常运行，计数器持续累加，esp32并未重启。

注意：

vTaskSuspend这个函数的作用是让一个任务暂停，参数为NULL表示暂停当前任务；
vTaskResume这个函数的作用是让一个任务继续执行，参数为NULL表示恢复当前任务。

三、原因分析

在使用中断函数、任务创建函数【未进行任何内容输出】，则会导致esp32重启。

在使用任务创建函数【Serial输出、指定优先级、指定CPU、vTaskSuspend + vTaskResume】则不会导致esp32重启。

实验一	中断+delay	在中断服务函数（ISR）中调用`delay(3000)`导致FreeRTOS调度器断言失败，同时CPU被长期占用无法喂狗触发看门狗复位，双重故障最终导致系统重启。按钮按下 → 触发中断 → 执行handle() ↓ delay(3000) 被调用 ↓ delay() → vTaskDelay() ↓ vTaskDelay()检查当前上下文 ↓ 发现当前在中断上下文（不是任务） ↓ 尝试挂起"当前任务" → 但当前不是任务 ↓ 调度器状态变得不一致 ↓ FreeRTOS检测到异常 → 触发断言 ↓ assert失败 → 系统复位同时，看门狗也在等待喂食 ↓ 看门狗超时 → 也触发复位 ↓ 系统重启，打印错误信息
实验二	`number++`（死循环）优先级1+ 0号cpu	0号CPU上默认运行着空闲任务（Idle Task，优先级0），但没有用户任务时，看门狗机制在单核模式下有时会不生效。但是，优先级为1>0，执行count任务。这个任务一直霸占0号CPU时，0号CPU上的空闲任务得不到运行，即看门狗得不到投喂，系统仍然会因看门狗而重启。
实验三	`number++` + `Serial.println()`优先级1+ 0号cpu	这是关键：`Serial.println()`内部涉及互斥量（Mutex）和硬件FIFO等待，当串口发送缓冲区满时，任务会进入阻塞状态（Blocked）以等待串口硬件。阻塞行为会喂狗（重置看门狗计时器），所以不会超时重启。
实验四	`number++`（死循环）优先级1+ 1号cpu	这是ESP32双核的特殊性。任务看门狗默认只监控0号核心（Protocol CPU），而不监控1号核心（Application CPU）上的用户任务。因此，即使1号核心的任务死循环，也不会触发看门狗重启。
实验五	`number++`（死循环）优先级0+ 0号cpu	优先级为0。看门狗机制只监控优先级大于0的任务，因为优先级0的任务被认为是“空闲任务”，可以随时被更高优先级的任务抢占。系统默认允许优先级0的任务无限运行。
实验六	`number++`（死循环）优先级1+ 0号cpu	`vTaskDelay()`会让任务进入阻塞状态，主动让出CPU使用权。这个API调用会喂狗，所以看门狗计时器被重置，不会超时。
实验七	`number++` + `vTaskSuspend(NULL)` + `vTaskResume(NULL)` 优先级1+ 0号cpu	虽然`vTaskSuspend(NULL)`挂起自己，但紧接着`vTaskResume(NULL)`又立即恢复自己。关键点在于：这两个API都会触发任务调度器的上下文切换，并且挂起/恢复操作会涉及系统内核的调度逻辑，这同样起到了“喂狗”的效果，重置了看门狗计时器。

在上面实验中遇到的主要是任务看门狗、中断看门狗、系统看门狗。

四、看门狗的分类

看门狗的核心作用：故障检测、系统恢复

看门狗的分类：中断看门狗、任务看门狗、系统看门狗。

中断看门狗（IWDT）

中断看门狗，简称IWDT（interrupt watch dof timer）：

它是用于监控有没有哪一个中断处理程序执行时间过长（默认时间为800ms），如果时间过长，直接重启esp32。

任务看门狗（TWDT）

任务看门狗，简称TWDT（task watch dog timer）：

它用来看管freertos中的任务，被它看管的任务，如果长时间（超时时间为5秒）得不到CPU资源，没机会运行，它将重启esp32。

五、看门狗机制

中断看门狗机制：默认开启，所以我们在编写中断处理函数时，一定要让函数逻辑尽可能简单。

任务看门狗机制：esp32有0号CPU和1号CPU，在每一个CPU上都有一个默认的任务，这个任务的优先级非常低（为0），并且它的作用有如下几个：

当esp32处于空闲状态时，自动降低功耗，增加续航时间；
当自己CPU下有任务被删除时，主动清理相关内存资源；
重置看门狗定时器

所以默认情况下，esp32为0号CPU上的空闲任务添加了看门狗监管逻辑，如果CPU0上的空闲任务，在5秒钟之内获取不到CPU资源，没有机会运行，它将触发看门狗重启机制，导致esp32重启。

六、规避机制

1、中断看门狗的规避机制

对于中断看门狗来说，要避免esp32不被重启，需要尽可能降低中断处理函数的复杂度，让中断函数尽快运行结束（<800ms）。

中断处理函数中的逻辑尽量简单快捷，时间<800ms。
将复杂的延长时间的逻辑放到loop函数中执行。

案例：

每次只在中断处理函数中对计数器进行累加（这个操作非常轻量快速）
定期通过串口打印计数器的逻辑可以放到loop函数中

#include <Arduino.h>



int count = 0;            // 按钮计数器

long last_press_time = 0; // 上一次按下按钮的时间，用于按钮消抖



void handle()

{

  // 两次按下的时间要大于500ms才认为是一次有效的操作

  if (millis() - last_press_time > 500)

  {

    count++;                    // 计数器加一

    last_press_time = millis(); // 记录本次按钮按下的时间

  }

}



void setup()

{

  Serial.begin(115200);

  // 开启23号引脚的中断

  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(23), handle, RISING);

}



void loop()

{

  Serial.println(count); // 把当前计数值通过串口打印出来

  delay(1000);

}

2、任务看门狗的规避机制

2.1 0号CPU空闲任务看门狗规避机制

禁用看门狗 调用 disableCore0WDT() 直接关闭硬件定时器，彻底取消监控机制。 极差（饮鸩止渴）系统失去最后一道防线，一旦任务死循环或死锁，将直接导致设备硬死机，且无任何恢复手段。

降低任务优先级 降低任务优先级与空闲任务相同优先级相同均为0，使二者按时间片轮转调度。中等若任务存在偶尔超时，IDLE可及时喂狗；但若任务持续高强度运算，仍可能饿死IDLE导致复位。

主动让出CPU

在高占用任务中插入

vTaskDelay() 等阻塞函数，主动释放CPU控制权。

良好从根源上保证IDLE任务能够定期获得CPU时间，喂狗稳定，系统鲁棒性高。

禁用看门狗

============================================================

#include <Arduino.h>

volatile uint64_t count = 0; // 创建一个计数器
void cal(void *ptr)
{
while (1)
{
count++;
}
vTaskDelete(NULL);
}

void setup()
{
Serial.begin(115200);
disableCore0WDT(); // 禁用CPU0上的看门狗机制
// 任务优先级为1，分配到CPU0
xTaskCreatePinnedToCore(cal, "cal", 2048, nullptr, 1, NULL, 0);
}

void loop()
{
}

降低任务优先级

============================================================

#include <Arduino.h>

volatile uint64_t count = 0; // 创建一个计数器
void cal(void *ptr)
{
while (1)
{
count++;
}
vTaskDelete(NULL);
}

void setup()
{
Serial.begin(115200);

// 任务优先级为1，分配到CPU0
xTaskCreatePinnedToCore(cal, "cal", 2048, nullptr, 0, NULL, 0);
}

void loop()
{
}

主动让出CPU

============================================================

#include <Arduino.h>

volatile uint64_t count = 0; // 创建一个计数器
void cal(void *ptr)
{
while (1)
{
count++;
vTaskDelay(1); // 主动休眠1ms，让出CPU给IDLE任务
}
vTaskDelete(NULL);
}

void setup()
{
Serial.begin(115200);

// 任务优先级为1，分配到CPU0
xTaskCreatePinnedToCore(cal, "cal", 2048, nullptr, 1, NULL, 0);
}

void loop()
{
}

2.2 1号CPU空闲任务看门狗规避机制

实验一：

将任务运行在 1号CPU上，任务执行的优先级为0

#include <Arduino.h>

volatile uint64_t count = 0; // 创建一个计数器

void cal(void *ptr)

{

while (1)

{

count++;

}

vTaskDelete(NULL);

}

void setup()

{

Serial.begin(115200);

// 将任务创建在CPU1上，并且上一行启用了CPU1上的空闲任务看门狗，这个程序将会触发任务看门狗

xTaskCreatePinnedToCore(cal, "cal", 2048, nullptr, 0, NULL, 1);

}

void loop()

{

}

运行结果没有重启esp32，因为cal任务和空闲任务的优先级都是0。

实验二：

将任务运行在 1号CPU上，任务执行的优先级为1，这样 1号CPU空闲任务没有机会运行。

xTaskCreatePinnedToCore(cal, "cal", 2048, nullptr, 1, NULL, 1);

运行结果没有重启esp32。

默认1号cpu上的空闲任务【优先级为0】没有被看门狗看管，如果需要启动则使用 enableCore1WDT(); // 启用用CPU1上的看门狗机制。

#include <Arduino.h>

volatile uint64_t count = 0; // 创建一个计数器

void cal(void *ptr)

{

while (1)

{

count++;

}

vTaskDelete(NULL);

}

void setup()

{

Serial.begin(115200);

enableCore1WDT();

// 将任务创建在CPU1上，并且上一行启用了CPU1上的空闲任务看门狗，这个程序将会触发任务看门狗

xTaskCreatePinnedToCore(cal, "cal", 2048, nullptr, 1, NULL, 1);

}

void loop()

{

}

开启后，Esp32进行了重启。

观察：

使用之前的规避机制，在任务中增加主动让出CPU查看效果。

#include <Arduino.h>

volatile uint64_t count = 0; // 创建一个计数器

void cal(void *ptr)

{

while (1)

{

count++;

vTaskDelay(1);

}

vTaskDelete(NULL);

}

void setup()

{

Serial.begin(115200);

enableCore1WDT();

// 将任务创建在CPU1上，并且上一行启用了CPU1上的空闲任务看门狗，这个程序将会触发任务看门狗

xTaskCreatePinnedToCore(cal, "cal", 2048, nullptr, 1, NULL, 1);

}

void loop()

{

}

观察后，仍然进行了重启，并提示在CPU1号上有一个任务loopTask 即 loop 任务。底层自动运行了一个 loop 任务，这个任务一直占用CPU1号。因此导致看门狗进行重启。

因此需要在 loop 中释放 CPU。

#include <Arduino.h>

volatile uint64_t count = 0; // 创建一个计数器

void cal(void *ptr)

{

while (1)

{

count++;

vTaskDelay(1);

}

vTaskDelete(NULL);

}

void setup()

{

Serial.begin(115200);

enableCore1WDT();

// 将任务创建在CPU1上，并且上一行启用了CPU1上的空闲任务看门狗，这个程序将会触发任务看门狗

xTaskCreatePinnedToCore(cal, "cal", 2048, nullptr, 1, NULL, 1);

}

void loop()

{

vTaskDelay(1);

}

运行结果未进行重启esp32

七、为任务增加看门狗机制

需要引入头文件【引入看门狗相关函数的文件】：esp_task_wdt.h

在代码中使用 esp_task_wdt_add() 函数申请使用看门狗进行看护。

#include <Arduino.h>

#include <esp_task_wdt.h>

volatile uint64_t count = 0; // 创建一个计数器

void cal(void *ptr)

{

esp_task_wdt_add(NULL); // 申请看门狗看护本任务

while (1)

{

count++;

esp_task_wdt_reset(); // 重置倒计时定时器

}

vTaskDelete(NULL);

}

void setup()

{

Serial.begin(115200);

// 将任务创建在CPU1上，并且上一行启用了CPU1上的空闲任务看门狗，这个程序将会触发任务看门狗

xTaskCreatePinnedToCore(cal, "cal", 2048, nullptr, 1, NULL, 1);

}

void loop()

{

vTaskDelay(1);

}

八、RTOS的其他任务函数

1、获取任务运行在哪个CPU上

int xPortGetCoreID(void)
该函数没有参数，就是返回调用者所在任务运行在哪个CPU上，返回值为0或者1

2、获取任务的名字

char * pcTaskGetName( TaskHandle_t xTaskToQuery )

参数为任务句柄，如果填NULL，则获取当前任务的名称，返回值为一个字符串

3、获取任务的优先级

UBaseType_t uxTaskPriorityGet( const TaskHandle_t xTask )

参数为任务句柄，如果填NULL，则获取当前任务的优先级，返回值为一个整数

4、esp32内置task

两个CPU上默认各有一个空闲任务，名叫Idle task，优先级最低，都为0
在CPU1上默认有一个loopTask，就是Arduino中的setup和loop函数所在的任务，优先级为1，创建该函数的源码在文件.platformio\packages\framework-arduinoespressif32\cores\esp32\main.cpp中

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