基于uclinux的CAN總線嵌入式驅(qū)動(dòng)編程

介紹了uclinux 操作系統(tǒng)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程的基本原理，并對(duì)CAN 總線的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)及軟件驅(qū)動(dòng)編程，提出CAN 總線技術(shù)應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的一種方案。

　　1 引言
   
　　早期應(yīng)用于八位單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)主要為前后臺(tái)系統(tǒng)（或超循環(huán)系統(tǒng)），程序大約在幾千行以內(nèi)，由兩部分組成,即其應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用函數(shù)完成相應(yīng)的操作，屬于后臺(tái)行為；其中斷服務(wù)程序處理異步事件，屬于前臺(tái)行為.隨著嵌入式系統(tǒng)功能越來(lái)越龐雜，如友好的人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程監(jiān)控等.各種任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不同，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無(wú)法完成，程序長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)行，程序員必須同繁瑣的底層硬件打交道，這樣效率低下.現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展為嵌入式微處理器提供了更多的外設(shè)，通用的如串口、并口、以太網(wǎng)口、現(xiàn)場(chǎng)總線、USB口等.基于免費(fèi)自由軟件Linux發(fā)展而來(lái)的嵌入式系統(tǒng)uclinux，是一種免費(fèi)的嵌入式操作系統(tǒng).uclinux系統(tǒng)具有內(nèi)核小、效率高、源碼開(kāi)放、性能穩(wěn)定、大量的開(kāi)發(fā)工具、良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)，并且各種應(yīng)用程序豐富，是進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的最優(yōu)秀工具之一.

        2 uclinux操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介
   
　　uclinux 系統(tǒng)主要由用戶進(jìn)程、系統(tǒng)調(diào)用接口、uclinux 內(nèi)核、硬件控制器等四部分組成.用戶進(jìn)程是用戶根據(jù)自己的設(shè)計(jì)和功能要求開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)的功能函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能；系統(tǒng)調(diào)用接口通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)內(nèi)核的接口，這些調(diào)用和服務(wù)也可以看成是系統(tǒng)內(nèi)核的一部分；uclinux 內(nèi)核是操作系統(tǒng)的靈魂，它抽象了許多硬件細(xì)節(jié)，將所有的硬件抽象成統(tǒng)一的虛擬接口，使程序可以以一種統(tǒng)一的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，它主要包括基于優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、進(jìn)程間通訊等五部分；硬件控制器則包含了系統(tǒng)需要的所有可能的物理設(shè)備.以上四個(gè)部分之間的每個(gè)子系統(tǒng)都只能跟鄰近的系統(tǒng)進(jìn)行通信。
   
　　uclinux 的設(shè)備管理系統(tǒng)是嵌入式操作系統(tǒng)的重要組成部分，它可以分為：下層、與設(shè)備相關(guān)的，即所謂的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，直接與相應(yīng)的設(shè)備打交道，并向上提供一組訪問(wèn)接口；以及上層、與設(shè)備無(wú)關(guān)，根據(jù)輸入輸出請(qǐng)求，通過(guò)特定設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供的接口，與設(shè)備進(jìn)行通信.如通用的串口、網(wǎng)卡等驅(qū)動(dòng)程序在uclinux 中都可以找到.

       3 uclinux驅(qū)動(dòng)編 程原理
   
　　uclinux嵌入式系統(tǒng)不能象Linux一樣動(dòng)態(tài)加載驅(qū)動(dòng)程序模塊，而只能同內(nèi)核一起編譯，與應(yīng)用程序、其他驅(qū)動(dòng)程序一起固化到可擦寫(xiě)的Flash上，驅(qū)動(dòng)程序長(zhǎng)駐內(nèi)存，是靜態(tài)驅(qū)動(dòng)程序.uclinux系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備性質(zhì)的不同，將設(shè)備分為四種類型：字符設(shè)備(char)、塊設(shè)備(block)、網(wǎng)絡(luò)接口( net )和其他設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊.在下載的uclinux源代碼包中，可以在uclinux/linux/drivers目錄下面看到通用設(shè)備如char,block, net, cdrom, scsi, sound等.系統(tǒng)對(duì)于每個(gè)設(shè)備都對(duì)應(yīng)一個(gè)主設(shè)備號(hào)和一個(gè)次設(shè)備號(hào)，不同的設(shè)備可以對(duì)應(yīng)相同的主設(shè)備號(hào)，應(yīng)用程序訪問(wèn)設(shè)備通過(guò)不同的次設(shè)備號(hào)來(lái)識(shí)別和區(qū)別設(shè)備.在Linux系統(tǒng)/dev目錄下通過(guò)輸入ls -l命令可以查到系統(tǒng)已注冊(cè)的設(shè)備，因此編寫(xiě)新的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)必須向系統(tǒng)注冊(cè)
該設(shè)備.在uclinux系統(tǒng)中，通過(guò)register_chrdev函數(shù)實(shí)現(xiàn)注冊(cè).
   
　　uclinux系統(tǒng)將所有硬件抽象成虛擬的文件系統(tǒng)，所有的字符設(shè)備、塊設(shè)備都支持文件操作接口，因此可以對(duì)這種虛擬的設(shè)備文件系統(tǒng)進(jìn)行文件操作.通常對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行的操作有open、read、write、release等，即打開(kāi)、讀、寫(xiě)、釋放文件.每一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)嵸|(zhì)上是用來(lái)完成特定任務(wù)的一組函數(shù)集. 驅(qū)動(dòng)程序擁有一個(gè)稱為fileoperation 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其中包含指向驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)部大多數(shù)函數(shù)的指針.引導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)，內(nèi)核調(diào)用每一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù)，將驅(qū)動(dòng)程序的主設(shè)備號(hào)以及程序內(nèi)部的函數(shù)地址結(jié)構(gòu)的指針傳輸給內(nèi)核.這樣，內(nèi)核就能通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主設(shè)備號(hào)索引訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)部的子程序，完成打開(kāi)、讀、寫(xiě)等操作.程序員經(jīng)常面臨的一項(xiàng)工作就是為系統(tǒng)的新設(shè)備編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序.
   
　　在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，為了便于數(shù)據(jù)通訊，在底層常采用現(xiàn)場(chǎng)總線，目前CAN總線廣泛應(yīng)用于過(guò)程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域，下面介紹CAN總線應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)編程.

         4 CAN 總線的性能特點(diǎn)
   
　　CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò).CAN 總線目前已形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) version2.0.該技術(shù)規(guī)范包括A 和B 兩部分.2.0A 給出了CAN 報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)格式，而2.0B 給了出廠標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展兩種格式.CAN 總線是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息；CAN 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求；CAN 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)；CAN 只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無(wú)需專門的“調(diào)度”，CAN 的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率5kbps 以下)；通信速率最高可達(dá)1Mbps(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m).CAN 上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)；采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果；CAN 的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖等.CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性.

       5 CAN總線的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
   
　　本設(shè)計(jì)選用Samsung公司的S3C4510B作為嵌入式系統(tǒng)的微處理器芯片，該處理器是16/32位RISC微處理控制器，內(nèi)含由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM7TDMI RISC處理器核，適用于價(jià)格及功耗敏感的場(chǎng)合.除內(nèi)核外，該微處理器的片內(nèi)外圍功能模塊包括：2個(gè)帶緩沖描述符的HDLC通道；2個(gè)UART通道；2個(gè)GDMA通道；2個(gè)32位定時(shí)器及可編程I/O口.CAN控制器選用philips公司的SJA1000，該芯片與PCA82C200電氣兼容，帶64字節(jié)先進(jìn)先出（FIFO）堆棧，兼容協(xié)議CAN2.0B，支持11位和29位識(shí)別碼，位速率可達(dá)1Mbps，24MHZ時(shí)鐘頻率，芯片內(nèi)含寄存器，可由用戶配置CAN總線波特率，設(shè)置驗(yàn)收屏蔽標(biāo)識(shí)碼，可配置系統(tǒng)為PeliCAN 模式或BasicCAN模式，出錯(cuò)告警等.
   
　　該系統(tǒng)采用82C250作為收發(fā)器，其硬件連線如圖（1）所示.AD0~AD7與S3C4510B的p0~p7連線，/cs接p12，ALE接p13，/RD接p14，/wr接p15，/int接X(jué)INTREQ0.

圖1 SJA1000硬件連線

        6 驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

圖2 CAN總線初始化框圖

本設(shè)計(jì)中，CAN總線驅(qū)動(dòng)程序是作為一個(gè)模塊放在linux/deriver/char/文件夾里面，軟件流程如圖（2）所示，其設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹如下.

        模塊首先對(duì)引用的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行申明，并且定義：
　　#define IOPMOD (＊(volatile unsigned ＊)0x3ff5000)
　　#define IOPDATA (＊(volatile unsigned ＊)0x3ff5008)
　　#define IOPCON (＊(volatile unsigned ＊)0x3ff5004)
　　#define EXTDBWTH(＊(volatile unsigned ＊)0x3ff5
　　#define SYSCFG(＊(volatile unsigned ＊)0x
　　主要有以下幾個(gè)模塊：
　　void can_init(void)
　　{
　　SYSCFG =SYSCFG & 0x0fffffffd;
　　EXTDBWTH =EXTDBWTH& 0x00ff0ff;
　　IOPMOD=0xf0ff;
　　IOPDATA=0x6000; 寄存器地址0,MOD寄存器
　　IOPDATA= IO_PDATA&0xdfff; ALE=0 配置MOD寄存器
　　IOPDATA= IO_PDATA|0x3f; ； 復(fù)位模式、使能
　　IOPDATA=0x6006; ；寄存器地址6，總線定時(shí)器0寄存器
　　IOPDATA=IO_PDATA&0xdfff; ALE=0配置寄存器
　　IOPDATA= IO_PDATA|0x3f; 跳轉(zhuǎn)寬度、波特率設(shè)置
　　……；配置總線定時(shí)器1、驗(yàn)收代碼寄存器等
　　IOPDATA=0x6000; SJA1000 寄存器地址0,MOD寄存器
　　IOPDATA=IO_PDATA&0xdfff; ALE=0配置MOD寄存器
　　IOPDATA= IO_PDATA&0xfe;寫(xiě)復(fù)位位，進(jìn)入工作模式
　　result = register_chrdev(254,"can",&can_fops)；申請(qǐng)主設(shè)備號(hào)
　　if (result<0) {
　　printk(KERN_WARNING "CAN:can’t getmajor ", result);
　　return result;
　　}
　　在該驅(qū)動(dòng)程序中，定義結(jié)構(gòu)變量can_fops為應(yīng)用程序訪問(wèn)內(nèi)核的接口：
　　static struct file_operations can_fops = {
　　read: can_read,
　　write: can_write,
　　open: can_open,
　　release: can_release,
　　};　
　　static int can_release(struct inode ＊inode, struct file ＊file)
　　{
　　MOD_DEC_USE_COUNT; ；用戶減計(jì)數(shù)
　　Return 0;
　　}
　　static int can_open(struct inode ＊inode,struct file ＊file)
　　{
　　Scull_Dev ＊dev;
　　Int num = NUM(inode->i_rdev); 設(shè)備號(hào)
　　Int type = TYPE(inode->i_rdev); 設(shè)備類型
　　If (num>=scull_nr_devs) return -ENODEV;
　　dev = &scull_devices[num];
　　flip->private_data = dev;
　　MOD_INC_USE_COUNT; 用戶數(shù)人工計(jì)數(shù)
　　IOPCON=0x16; //xIRQ0
　　disable_irq(INT_can);
　　if(request_irq(INT_can, &can_rx,
　　SA_INTERRUPT, "can rx isr","can")) {
　　printk("s3c4510-can: Can"t get irq %dn",
　　INT_sja1000);
　　return -EAGAIN;
　　}
　　printk("can has get irq 0n");
　　enable_irq(INT_can);
　　…… ; 配置SJA1000內(nèi)部中斷及屏蔽寄存器
　　return 0;
　　}

       7 結(jié)束語(yǔ)
   
　　本文介紹了CAN總線在嵌入式系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)編程，對(duì)CAN總線技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索.本設(shè)計(jì)已在通信用逆變電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用.