CAN總線在嵌入式Linux下驅(qū)動程序的實現(xiàn)

1 引言

基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的工業(yè)控制裝置，在工業(yè)控制現(xiàn)場受到各種干擾，如電磁、粉塵、天氣等對系統(tǒng)的正常運行造成很大的影響。在工業(yè)控制現(xiàn)場各個設(shè)備之間要經(jīng)常交換、傳輸數(shù)據(jù)，需要一種抗干擾性強、穩(wěn)定、傳輸速率快的現(xiàn)場總線進(jìn)行通信。文章采用CAN總線，基于嵌入式系統(tǒng)32位的S3C44B0X微處理器，通過其SPI接口，MCP2510 CAN控制器擴展CAN總線；將嵌入式操作系統(tǒng)嵌入到S3C44B0X微處理器中，能實現(xiàn)多任務(wù)、友好圖形用戶界面；針對S3C44B0X微處理器沒有內(nèi)存管理單元MMU，采用uClinux嵌入式操作系統(tǒng)。這樣在嵌入式系統(tǒng)中擴展CAN設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)就是CAN設(shè)備在嵌入式操作系統(tǒng)下驅(qū)動程序的實現(xiàn)。文章重點解決了CAN總線在嵌入式操作系統(tǒng)下驅(qū)動程序實現(xiàn)的問題。對于用戶來說，CAN設(shè)備在嵌入式操作系統(tǒng)驅(qū)動的實現(xiàn)為用戶屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，用戶不用關(guān)心硬件就可以編出自己的用戶程序。實驗結(jié)果表明驅(qū)動程序的正確性，能提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，穩(wěn)定性好，最大傳輸速率達(dá)到1Mb/s；硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用S3C44B0X微處理器,需要擴展CAN控制器。常用的CAN控制器有SJA1000和MCP2510,這兩種芯片都支持CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)。SJA1000采用的總線是地址線和數(shù)據(jù)線復(fù)用的方式，但是嵌入式處理器外部總線大多是地址線和數(shù)據(jù)線分開的結(jié)構(gòu)，這樣每次對SJA1000操作時需要先后寫入地址和數(shù)據(jù)2次數(shù)據(jù)，而且SJA1000使用5V邏輯電平。所以應(yīng)用MCP2510控制器進(jìn)行擴展，收發(fā)器采用82C250。MCP2510控制器特點：1.支持標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式的CAN數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（CAN2.0B）；2.0～8字節(jié)的有效數(shù)據(jù)長度，支持遠(yuǎn)程幀；3.最大1Mb/s的可編程波特率；4.2個支持過濾器的接受緩沖區(qū)，3個發(fā)送緩沖區(qū)；5.SPI高速串行總線，最大5MHz；6.3～5.5V寬電壓范圍供電。MCP2510工作電壓為3.3V，能夠直接與S3C44B0X微處理器I/O口相連。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾性，可在CAN控制器和收發(fā)器之間加一個光隔6N137。其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1：

圖1.S3C44B0X擴展CAN結(jié)構(gòu)框圖 圖2.字符設(shè)備注冊表

3 CAN設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計

Linux把設(shè)備看成特殊的文件進(jìn)行管理，添加一種設(shè)備，首先要注冊該設(shè)備，增加它的驅(qū)動。設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與設(shè)備硬件之間的接口，并為應(yīng)用程序屏蔽了硬件細(xì)節(jié)。在linux中用戶進(jìn)程不能直接對物理設(shè)備進(jìn)行操作，必須通過系統(tǒng)調(diào)用向內(nèi)核提出請求，由內(nèi)核調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動。因此首先建立Linux設(shè)備管理、設(shè)備驅(qū)動、設(shè)備注冊、Linux中斷這幾個概念。

3.1 Linux的設(shè)備管理

Linux支持各種各樣的外圍設(shè)備,對這些設(shè)備的管理通稱為設(shè)備管理。設(shè)備管理分為兩部分：一部分是驅(qū)動程序的上層，與設(shè)備無關(guān)的，這部分根據(jù)輸入輸出請求，通過特定的設(shè)備驅(qū)動程序接口與設(shè)備進(jìn)行通信；另一部分是下層，與設(shè)備有關(guān)的，通常稱為設(shè)備驅(qū)動程序，它直接與硬件打交道，并且向上層提供一組訪問接口。Linux設(shè)備管理為了對設(shè)備進(jìn)行讀、寫等操作，把物理設(shè)備邏輯化，把它看成特殊的文件，稱為設(shè)備文件，采用文件系統(tǒng)接口和系統(tǒng)調(diào)用來管理和控制設(shè)備。Linux把設(shè)備分為三類，塊設(shè)備、字符設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。每類設(shè)備都有不同管理控制方式和不同的驅(qū)動程序，這樣方便于對系統(tǒng)進(jìn)行裁減。Linux內(nèi)核對設(shè)備的識別是根據(jù)設(shè)備類型和設(shè)備號。在字符設(shè)備中使用同一個驅(qū)動程序的每種設(shè)備都有唯一的主設(shè)備號。CAN設(shè)備通過在/vendor/Samsung/44b0/Makefile文件下設(shè)置設(shè)備類型和設(shè)備號分別為can、125。

3.2 file_operations結(jié)構(gòu)體

Linux對設(shè)備操作的具體實現(xiàn)是由設(shè)備驅(qū)動程序完成。設(shè)備驅(qū)動程序加載到系統(tǒng)中通過設(shè)備注冊實現(xiàn)。Linux驅(qū)動程序?qū)ξ募牟僮魍ㄟ^file_operations結(jié)構(gòu)體來完成。file_operations結(jié)構(gòu)體是文件操作函數(shù)指針的集合。在設(shè)備管理中該結(jié)構(gòu)體各個成員項指向的操作函數(shù)就是設(shè)備驅(qū)動程序的各個操作例程，編寫驅(qū)動程序?qū)嵸|(zhì)上就是編寫該結(jié)構(gòu)體中的各個函數(shù)。對不同的設(shè)備可以配備其中全部或部分的操作函數(shù)，不使用的函數(shù)指針置為NULL。下面是CAN設(shè)備file_operations結(jié)構(gòu)體：

Static struct file_operations {

write: s3c44b0_mcp2510_write,//寫操作

read: s3c44b0_mcp2510_read,//讀操作

ioctl: s3c44b0_mcp2510_ioctl,//讀寫之外的操作

open: s3c44b0_mcp2510_open,//打開設(shè)備

release: s3c44b0_mcp2510_release};//關(guān)閉設(shè)備

這個結(jié)構(gòu)的每一個成員的名字都對應(yīng)著一個系統(tǒng)調(diào)用。用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用，來調(diào)用自己的驅(qū)動接口,系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序,然后讀取這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針,接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。

3.3 設(shè)備注冊

在linux中，當(dāng)一種設(shè)備安裝到系統(tǒng)時必須向系統(tǒng)進(jìn)行注冊，設(shè)備注冊的主要任務(wù)是把設(shè)備驅(qū)動程序加載到系統(tǒng)中。Linux對不同的設(shè)備（如字符設(shè)備和塊設(shè)備）分開進(jìn)行注冊管理。每個設(shè)備描述符包括兩個指針：name指向設(shè)備名字符串，fops指向文件操作函數(shù)結(jié)構(gòu)file_operations，該結(jié)構(gòu)體中包含著指向驅(qū)動程序各個操作例程的指針。圖2給出了linux字符設(shè)備注冊表的示意圖。CAN字符設(shè)備的注冊函數(shù)是內(nèi)核函數(shù):register_chrdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME,s3c44b0_mcp2510_fops);

其中參數(shù)DEVICE_NAME表示設(shè)備名，s3c44b0_mcp2510_fops表示指向file_operations結(jié)構(gòu)體的指針，即指向設(shè)備的驅(qū)動程序。

3.4 Linux中斷的處理

在linux系統(tǒng)里，對中斷的處理是屬于系統(tǒng)核心部分，因而如果設(shè)備與系統(tǒng)之間以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，就必須把該設(shè)備的驅(qū)動程序作為系統(tǒng)核心的一部分。設(shè)備驅(qū)動程序通過用request_irq函數(shù)來申請中斷，通過free_irq來釋放中斷。由于本實驗未用到中斷，因此在此不作詳細(xì)介紹。

3.5 CAN驅(qū)動程序的實現(xiàn)

3.5.1編寫驅(qū)動程序操作例程

CAN設(shè)備屬于字符設(shè)備，對于CAN總線設(shè)備，除了發(fā)送（使用write方法）、接受（使用read方法）以外，還需要控制CAN總線通信的波特率、設(shè)置工作模式、設(shè)置ID等，所以使用ioctl是最合適的方法。

CAN驅(qū)動程序的入口函數(shù)：

int __init s3c44b0_mcp2510_init(void){ARMTargetInit();//初始化ARM

init_MCP2510(BandRat125kbps);//初始化CAN控制器 ret=register_chrdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME,s3c44b0_mcp2510_fops);}//注冊CAN設(shè)備

CAN驅(qū)動程序的退出函數(shù)：void __exit s3c44b0_mcp2510_exit(void){

unregister_chrdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME);printk(MCP2510 Eixt！n);}