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、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設備關(guān)鍵技術(shù)就是CAN設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?qū)崿F(xiàn)的問題。對于用戶來說，CAN設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標準。SJA1000采用的總線是地址線和數(shù)據(jù)線復用的方式，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。所以應用MCP2510控制器進行擴展，收發(fā)器采用 82C250。MCP2510控制器特點：1.支持標準格式和擴展格式的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.字符設備注冊表

3 CAN設備驅(qū)動程序的設計

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

3.1 Linux的設備管理

Linux支持各種各樣的外圍設備,對這些設備的管理通稱為設備管理。設備管理分為兩部分：一部分是驅(qū)動程序的上層，與設備無關(guān)的，這部分根據(jù)輸入輸出請求，通過特定的設備驅(qū)動程序接口與設備進行通信;另一部分是下層，與設備有關(guān)的，通常稱為設備驅(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設備管理為了對設備進行讀、寫等操作，把物理設備邏輯化，把它看成特殊的文件，稱為設備文件，采用文件系統(tǒng)接口和系統(tǒng)調(diào)用來管理和控制設備。Linux把設備分為三類，塊設備、字符設備和網(wǎng)絡設備。每類設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)進行裁減。Linux內(nèi)核對設備的識別是根據(jù)設備類型和設備號。在字符設備中使用同一個驅(qū)動程序的每種設備都有唯一的主設備號。CAN設備通過在/vendor/Samsung/44b0/Makefile文件下設置設備類型和設備號分別為can、125。

3.2 file_operations結(jié)構(gòu)體

Linux對設備操作的具體實現(xiàn)是由設備驅(qū)動程序完成。設備驅(qū)動程序加載到系統(tǒng)中通過設備注冊實現(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,//打開設備

release: s3c44b0_mcp2510_release};//關(guān)閉設備

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

3.3 設備注冊

在linux中，當一種設備安裝到系統(tǒng)時必須向系統(tǒng)進行注冊，設備注冊的主要任務是把設備驅(qū)動程序加載到系統(tǒng)中。Linux對不同的設備(如字符設備和塊設備)分開進行注冊管理。每個設備描述符包括兩個指針：name指向設備名字符串，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字符設備注冊表的示意圖。CAN字符設備的注冊函數(shù)是內(nèi)核函數(shù):register_chrdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME,&s3c44b0_mcp2510_fops);

其中參數(shù)DEVICE_NAME表示設備名，s3c44b0_mcp2510_fops表示指向file_operations結(jié)構(gòu)體的指針，即指向設備的驅(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，因而如果設備與系統(tǒng)之間以中斷方式進行數(shù)據(jù)交換，就必須把該設備的驅(qū)動程序作為系統(tǒng)核心的一部分。設備驅(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設備屬于字符設備，對于CAN總線設備，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、設置工作模式、設置ID等，所以使用ioctl是最合適的方法。[!--empirenews.page--]

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");}

編寫CAN設備驅(qū)動程序各個操作例程：

1.ioctl函數(shù)：

Static int s3c44b0_mcp2510_ioctl (struct inode * inode,struct file *file, unsined cmd ,unsigned long arg){switch(cmd){case SETBAND://設置波特率

MCP2510_SetBandRate(BandRate,TRUE);break;case SETLPBK://設置工作方式

MCP2510_Write(CLKCTRL, MODE_LOOPBACK| CLK| CLK1);break;case SETID://設置標識符

MCP2510_Write_Can_ID(RXF0SIDH,U8 ID,0);break;case SETFILTER: //設置屏蔽碼

MCP2510_Write_Can_ID(RXM0SIDH,0x1ff,0);break;}}

2.open函數(shù)(打開設備)：

static int s3c44b0_mcp2510_open(struct inode *inode,struct file *file)

{printk("device openn");return 0;}

3.write函數(shù)(發(fā)送數(shù)據(jù))：

static ssize_t s3c44b0_mcp2510_write(struct file *file,const char *buffer,size_t count,loff_t *ppos){copy_from_user(&temp,buffer,sizeof(mcpcan_data)); canWrite(temp.id,temp.data,temp.DataLen,temp.IdType,temp.BufNo);}//發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)

4.read函數(shù)(接收數(shù)據(jù))：

static ssize_t s3c44b0_mcp2510_read(struct file *file,char *buffer,size_t count,loff_t *ppos){Revdata(0x66,datas,0x08);//接收數(shù)據(jù)函數(shù)

copy_to_user(buffer,Receivedata.data,0x08);return count;}

3.5.2交叉編譯CAN驅(qū)動程序

交叉編譯驅(qū)動程序需要一臺裝了Red Hat Linux的宿主機。安裝交叉編譯工具的方法請參考相關(guān)文檔(交叉編譯工具：arm-elf-tools-20030314.sh)。驅(qū)動程序的使用可以按照兩種方式進行編譯，一種是靜態(tài)編譯進內(nèi)核，一種是編譯成模塊以供動態(tài)加載。由于uclinux不支持模塊動態(tài)加載，所以這里只介紹將驅(qū)動程序靜態(tài)編譯進內(nèi)核的方法。為了讓編譯器編譯所添加的驅(qū)動程序，需要修改相關(guān)文件。

1.修改/linux-2.4.x/driver/char/Makefile文件，增加：

Ifeq((tab鍵)$(CONFIG_MCP2510),Y) (換行)Obj-y+=akaeled.o

Endif//這幾句話的意思是如果配置了mcp2510，則把mcp2510.o加進內(nèi)核。

2.修改linux-2.4.x/driver/char/mem.c，在文件中增加如下代碼:

#ifdef CONFIG_MCP2510 (換行)extern void mcp2510_init();

#endif//通過該文件告訴內(nèi)核調(diào)用相應的CAN驅(qū)動程序

#ifdef CONFIG_MCP2510 (換行)mcp2510_init(); (換行)#endif

3.修改linux-2.4.x/driver/char/Config.in文件，在字符字段內(nèi)添加如下代碼：

Bool ‘mcp2510 support’ CONFIG_MCP2510

這樣在make menuconfig時將出現(xiàn)mcp2510的配置選項。

4.修改/uClinux/vendor/Samsung/44b0/Makefile

在DEVICES部分添加內(nèi)容:can, c, 125, 0。這句話的意思是在device中注冊一個字符設備can，該設備主設備號為125，次設備號為0。在make menuconfig時進入Character devices,選中里面的support mcp2510。在root權(quán)限下執(zhí)行下列命令編譯內(nèi)核：

1、#make dep;2、#make lib_only;3、#make romfs;4、#make image;5、#make

4 CAN驅(qū)動程序的測試

4.1 編寫應用程序

為了驗證所添加的驅(qū)動程序的正確性，編寫一個應用程序CAN2510.C進行測試，在應用程序中使用下面函數(shù)創(chuàng)建一個線程用來發(fā)送數(shù)據(jù)：

pthread_creat(&id,NULL,(void *)cansend,&sendata);

在cansend()函數(shù)中用write()函數(shù)調(diào)用驅(qū)動程序s3c44b0_mcp2510_write()實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，用read()函數(shù)調(diào)用驅(qū)動程序s3c44b0_mcp2510_read()接收節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，用printf()輸出節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，驗證接收到的數(shù)據(jù)是否正確。

4.2 編譯CAN應用程序

編譯應用程序有兩種方法：一是放到內(nèi)核中編譯，這種方法需要寫一個Makefile文件，還需要修改相應文件，比較麻煩;另外一種辦法是單獨編譯，把編譯產(chǎn)生的可執(zhí)行文件添加到uclinux文件系統(tǒng)romfs中的bin文件夾下，重新編譯內(nèi)核。本實驗采用了后者。執(zhí)行：#arm-elf-gcc –elf2flt can2510.c –o can2510 –lpthread

其中arm-elf-gcc是編譯器，增加參數(shù)–elf2flt是由于uclinux只支持flat格式的可執(zhí)行文件，-0是對編譯進行優(yōu)化，can2510是編譯產(chǎn)生的可執(zhí)行文件名稱。把can2510復制到/home/cai/uclinux/romfs/bin目錄下，重新編譯內(nèi)核，把產(chǎn)生的映像文件image.rom或image.ram下載到目標板，運行can2510進行CAN驅(qū)動測試。

5 結(jié)論

本文的創(chuàng)新點：在分析Linux設備驅(qū)動程序工作原理和結(jié)構(gòu)的基礎上，獨立添加了CAN總線設備驅(qū)動程序到嵌入式操作系統(tǒng)Linux中。經(jīng)實驗表明嵌入式系統(tǒng)下擴展CAN總線傳輸數(shù)據(jù)可靠、抗干擾強，在工業(yè)控制場合有很大的使用價值;同時，CAN設備在嵌入式操作系統(tǒng)linux下驅(qū)動程序的成功實現(xiàn)，為在嵌入式系統(tǒng)中擴展其他硬件設備驅(qū)動程序提供了很好的參考價值。