CAN總線在嵌入式Linux下驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

1        引言

基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工業(yè)控制裝置，在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)受到各種干擾，如電磁、粉塵、天氣等對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成很大的影響。在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)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(qiáng)、穩(wěn)定、傳輸速率快的現(xiàn)場(chǎng)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(kuò)展CAN總線；將嵌入式操作系統(tǒng)嵌入到S3C44B0X微處理器中，能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、友好圖形用戶界面；針對(duì)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(kuò)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(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)。文章重點(diǎn)解決了CAN總線在嵌入式操作系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的問題。對(duì)于用戶來(lái)說，CAN設(shè)備在嵌入式操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)程序的正確性，能提高整個(gè)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(cuò)誤檢定特性也增強(qiáng)了CAN的抗電磁干擾能力。

2        系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用S3C44B0X微處理器,需要擴(kuò)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(duì)SJA1000操作時(shí)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(kuò)展，收發(fā)器采用82C250。MCP2510控制器特點(diǎn)：1.支持標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)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(zhǎng)度，支持遠(yuǎn)程幀；3.最大1Mb/s的可編程波特率；4.2個(gè)支持過濾器的接受緩沖區(qū)，3個(gè)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(gè)光隔6N137。其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1：

  圖1.S3C44B0X擴(kuò)展CAN結(jié)構(gòu)框圖                 圖2.字符設(shè)備注冊(cè)表

3        CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

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(cè)該設(shè)備，增加它的驅(qū)動(dòng)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(duì)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(qǐng)求，由內(nèi)核調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。因此首先建立Linux設(shè)備管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、設(shè)備注冊(cè)、Linux中斷這幾個(gè)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(duì)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(dòng)程序的上層，與設(shè)備無(wú)關(guān)的，這部分根據(jù)輸入輸出請(qǐng)求，通過特定的設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)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(lái)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(dòng)程序，這樣方便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行裁減。Linux內(nèi)核對(duì)設(shè)備的識(shí)別是根據(jù)設(shè)備類型和設(shè)備號(hào)。在字符設(shè)備中使用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的每種設(shè)備都有唯一的主設(shè)備號(hào)。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(hào)分別為can、125。

3.2 file_operations結(jié)構(gòu)體

Linux對(duì)設(shè)備操作的具體實(shí)現(xiàn)是由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加載到系統(tǒng)中通過設(shè)備注冊(cè)實(shí)現(xiàn)。Linux驅(qū)動(dòng)程序?qū)ξ募牟僮魍ㄟ^file_operations結(jié)構(gòu)體來(lái)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(gè)成員項(xiàng)指向的操作函數(shù)就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的各個(gè)操作例程，編寫驅(qū)動(dòng)程序?qū)嵸|(zhì)上就是編寫該結(jié)構(gòu)體中的各個(gè)函數(shù)。對(duì)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(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員的名字都對(duì)應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用，來(lái)調(diào)用自己的驅(qū)動(dòng)接口,系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,然后讀取這個(gè)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(cè)

在linux中，當(dāng)一種設(shè)備安裝到系統(tǒng)時(shí)必須向系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)，設(shè)備注冊(cè)的主要任務(wù)是把設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加載到系統(tǒng)中。Linux對(duì)不同的設(shè)備（如字符設(shè)備和塊設(shè)備）分開進(jìn)行注冊(cè)管理。每個(gè)設(shè)備描述符包括兩個(gè)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(dòng)程序各個(gè)操作例程的指針。圖2給出了linux字符設(shè)備注冊(cè)表的示意圖。CAN字符設(shè)備的注冊(cè)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(dòng)程序。

3.4 Linux中斷的處理

在linux系統(tǒng)里，對(duì)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(dòng)程序作為系統(tǒng)核心的一部分。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過用request_irq函數(shù)來(lái)申請(qǐng)中斷，通過free_irq來(lái)釋放中斷。由于本實(shí)驗(yàn)未用到中斷，因此在此不作詳細(xì)介紹。

3.5 CAN驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

3.5.1 編寫驅(qū)動(dòng)程序操作例程

CAN設(shè)備屬于字符設(shè)備，對(duì)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(dòng)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(cè)CAN設(shè)備

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

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

[!--empirenews.page--]編寫CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序各個(gè)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(shè)置波特率

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

MCP2510_Write(CLKCTRL, MODE_LOOPBACK| CLK| CLK1);break;case SETID://設(shè)置標(biāo)識(shí)符

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

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

2.open函數(shù)（打開設(shè)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(dòng)程序

交叉編譯驅(qū)動(dòng)程序需要一臺(tái)裝了Red Hat Linux的宿主機(jī)。安裝交叉編譯工具的方法請(qǐng)參考相關(guān)文檔（交叉編譯工具：arm-elf-tools-20030314.sh）。驅(qū)動(dòng)程序的使用可以按照兩種方式進(jìn)行編譯，一種是靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，一種是編譯成模塊以供動(dòng)態(tài)加載。由于uclinux不支持模塊動(dòng)態(tài)加載，所以這里只介紹將驅(qū)動(dòng)程序靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核的方法。為了讓編譯器編譯所添加的驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(yīng)的CAN驅(qū)動(dòng)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(shí)將出現(xiàn)mcp2510的配置選項(xiàng)。

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(cè)一個(gè)字符設(shè)備can，該設(shè)備主設(shè)備號(hào)為125，次設(shè)備號(hào)為0。在make menuconfig時(shí)進(jìn)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(dòng)程序的測(cè)試

4.1 編寫應(yīng)用程序

為了驗(yàn)證所添加的驅(qū)動(dòng)程序的正確性，編寫一個(gè)應(yīng)用程序CAN2510.C進(jìn)行測(cè)試，在應(yīng)用程序中使用下面函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)線程用來(lái)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(dòng)程序s3c44b0_mcp2510_write（）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，用read（）函數(shù)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序s3c44b0_mcp2510_read()接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)，用printf()輸出節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證接收到的數(shù)據(jù)是否正確。

4.2  編譯CAN應(yīng)用程序

編譯應(yīng)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(gè)Makefile文件，還需要修改相應(yīng)文件，比較麻煩；另外一種辦法是單獨(dú)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(shí)驗(yàn)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(duì)編譯進(jìn)行優(yōu)化，can2510是編譯產(chǎn)生的可執(zhí)行文件名稱。把can2510復(fù)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(biāo)板，運(yùn)行can2510進(jìn)行CAN驅(qū)動(dòng)測(cè)試。

5  結(jié)論

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：在分析Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工作原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，獨(dú)立添加了CAN總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序到嵌入式操作系統(tǒng)Linux中。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明嵌入式系統(tǒng)下擴(kuò)展CAN總線傳輸數(shù)據(jù)可靠、抗干擾強(qiáng)，在工業(yè)控制場(chǎng)合有很大的使用價(jià)值；同時(shí)，CAN設(shè)備在嵌入式操作系統(tǒng)linux下驅(qū)動(dòng)程序的成功實(shí)現(xiàn)，為在嵌入式系統(tǒng)中擴(kuò)展其他硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了很好的參考價(jià)值。