基于uclinux的CAN總線嵌入式驅(qū)動編程

1 引言

早期應(yīng)用于八位單片機(jī)軟件設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)主要為前后臺系統(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)用程序是一個無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用函數(shù)完成相應(yīng)的操作，屬于后臺行為;其中斷服務(wù)程序處理異步事件，屬于前臺行為.隨著嵌入式系統(tǒng)功能越來越龐雜，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)先級不同，傳統(tǒng)的設(shè)計方法無法完成，程序長達(dá)數(shù)萬行，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)場總線、USB口等.基于免費(fèi)自由軟件Linux發(fā)展而來的嵌入式系統(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、源碼開放、性能穩(wěn)定、大量的開發(fā)工具、良好的開發(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)開發(fā)的最優(yōu)秀工具之一.

2 uclinux操作系統(tǒng)簡介

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)計和功能要求開發(fā)的應(yīng)用程序，通過調(diào)用系統(tǒng)的功能函數(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能;系統(tǒng)調(diào)用接口通過系統(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.以上四個部分之間的每個子系統(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)動程序，直接與相應(yīng)的設(shè)備打交道，并向上提供一組訪問接口;以及上層、與設(shè)備無關(guān)，根據(jù)輸入輸出請求，通過特定設(shè)備驅(qū)動提供的接口，與設(shè)備進(jìn)行通信.如通用的串口、網(wǎng)卡等驅(qū)動程序在uclinux 中都可以找到。

3 uclinux驅(qū)動編 程原理

uclinux嵌入式系統(tǒng)不能象Linux一樣動態(tài)加載驅(qū)動程序模塊，而只能同內(nèi)核一起編譯，與應(yīng)用程序、其他驅(qū)動程序一起固化到可擦寫的 Flash上，驅(qū)動程序長駐內(nèi)存，是靜態(tài)驅(qū)動程序.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)對于每個設(shè)備都對應(yīng)一個主設(shè)備號和一個次設(shè)備號，不同的設(shè)備可以對應(yīng)相同的主設(shè)備號，應(yīng)用程序訪問設(shè)備通過不同的次設(shè)備號來識別和區(qū)別設(shè)備.在Linux系統(tǒng)/dev目錄下通過輸入ls -l命令可以查到系統(tǒng)已注冊的設(shè)備，因此編寫新的驅(qū)動程序時必須向系統(tǒng)注冊該設(shè)備.在uclinux系統(tǒng)中，通過register_chrdev函數(shù)實(shí)現(xiàn)注冊。

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，因此可以對這種虛擬的設(shè)備文件系統(tǒng)進(jìn)行文件操作.通常對設(shè)備文件進(jìn)行的操作有open、read、write、release等，即打開、讀、寫、釋放文件.每一個設(shè)備驅(qū)動程序?qū)嵸|(zhì)上是用來完成特定任務(wù)的一組函數(shù)集. 驅(qū)動程序擁有一個稱為fileoperation 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其中包含指向驅(qū)動程序內(nèi)部大多數(shù)函數(shù)的指針.引導(dǎo)系統(tǒng)時，內(nèi)核調(diào)用每一個驅(qū)動程序的初始化函數(shù)，將驅(qū)動程序的主設(shè)備號以及程序內(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)核就能通過設(shè)備驅(qū)動程序的主設(shè)備號索引訪問驅(qū)動程序內(nèi)部的子程序，完成打開、讀、寫等操作.程序員經(jīng)常面臨的一項工作就是為系統(tǒng)的新設(shè)備編寫驅(qū)動程序.

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)場總線，目前CAN總線廣泛應(yīng)用于過程工業(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)均可在任意時刻主動地向網(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，可滿足不同的實(shí)時要求;CAN 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù);CAN 只需通過報文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“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(此時通信距離最長為40m).CAN 上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá)110個;采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果;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)時性和靈活性。