電子發(fā)燒友App
目前,許多工業(yè)現(xiàn)場如電力系統(tǒng)、化工系統(tǒng)等大量使用控制器局部網(CAN——Controller Area Network)現(xiàn)場總線網絡,CAN通信卡作為計算機的外設將計算機接入CAN網絡。市場上有不少CAN通信卡,但基本上都不帶Linux驅動程序,當需要在Linux下使用CAN通信卡設備時,需自己開發(fā)Linux的驅動程序。開發(fā)Linux驅動程序不但要求程序員要非常熟悉Linux系統(tǒng),而且要熟悉Linux驅動程序開發(fā)的規(guī)范。本文將詳細介紹CAN通信卡的Linux驅動設備程序的設計和實現(xiàn)。
1 CAN通信卡的Linux設備驅動程序結構
????? Linux系統(tǒng)內核通過設備驅動程序與外圍設備進行交互,設備驅動程序是Linux內核的一部分,它是一組數(shù)據(jù)結構和函數(shù),這些數(shù)據(jù)結構和函數(shù)通過定義的接口控制一個或多個設備。對用戶程序而言,設備驅動程序隱藏了設備的具體細節(jié),對各種不同設備提供一致的接口,一般來說是把設備映射為一個特殊的設備文件,用戶程序可以象對普通文件一樣對此設備文件進行操作。
??? Linux將每個設備看作一個文件,即可以像對待文件那樣使用read、write等系統(tǒng)調用進行讀寫。Linux的設備文件分為兩類:一是字符設備,只能對該類設備進行順序讀寫,對外提供字節(jié)流方式的操作;二是塊設備,可以對該類設備進行隨機訪問,一般是磁盤設備等大容量存儲設備。CAN通信卡設備屬于字符型設備。
??? 對設備的訪問是由設備驅動程序提供的。Linux的設備驅動程序可以用模塊的方式加載入內核,設備驅動程序與Linux系統(tǒng)的關系如圖1所示。
1.1? CAN通信卡設備的特點
??? 控制器局部網(CAN)屬于現(xiàn)場總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。由于其性能優(yōu)異、價格低廉,很快被推廣到工業(yè)測控現(xiàn)場。
??? CAN通信卡硬件實現(xiàn)CAN定義的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,收發(fā)報文中數(shù)據(jù)長度為0～8個字節(jié),有2032個報文標識符。工作時通過報文標識符確定總線訪問優(yōu)先權,高優(yōu)先級報文具有低延遲時間,數(shù)據(jù)傳送速率可編程(最高為1Mbps)。發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯而遭破壞的報文可自動重發(fā)。具有成組和廣播報文功能。
??? 當CAN通信卡接收到一個報文時,數(shù)據(jù)保存在CAN通信卡上的接收緩存器中,并產生一個接收中斷。當一個報文被成功發(fā)送后,發(fā)送緩沖器可再次被訪問,產生一個發(fā)送中斷信號。CAN通信卡發(fā)送報文,將數(shù)據(jù)送入CAN通信卡上的發(fā)送緩存器中,CAN通信卡將數(shù)據(jù)串行化發(fā)到CAN總線上。
1.2 CAN通信卡設備驅動程序的任務
??? 由于CAN一幀的數(shù)據(jù)長度最大為8個字節(jié),可以用多幀的Hilon A協(xié)議來使CAN傳輸數(shù)據(jù)任意長。CAN通信卡驅動程序主要完成按照Hilon A協(xié)議解包接收和打包發(fā)送任務,并要對接收的多幀進行管理。
??? CAN通信卡驅動程序應該完成以下任務:
??? (1)為應用程序提供通過CAN卡發(fā)送和接收任意長度數(shù)據(jù)的能力;
??? (2)為應用程序提供設置CAN卡上CAN控制器運行參數(shù)的能力;
??? (3)以阻塞或非阻塞方式讀寫CAN設備文件;
??? (4)允許CAN卡同時收發(fā)多路數(shù)據(jù)。
1.3 CAN通信卡驅動程序的處理流程
??? 用戶進程通過系統(tǒng)調用向驅動程序傳送一幀任意長度的數(shù)據(jù),驅動程序中發(fā)送數(shù)據(jù)的程序按照Hilon A協(xié)議將該幀分段打包,放入發(fā)送隊列,并向CAN控制器請求發(fā)送,由中斷處理程序中發(fā)送部分負責發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)包。
??? 當CAN通信卡接收到數(shù)據(jù)時,產生接收中斷,啟動接收中斷處理程序上半部將CAN控制器中接收緩沖器中的內容復制到接收隊列中,由中斷處理的下半部負責解包和組幀的任務,并將處理完的幀放入幀隊列中,最后用戶使用系統(tǒng)調用從接收幀隊列中讀取完整的一幀。
??? CAN通信卡設備驅動程序處理框架如圖2所示。
2 CAN通信卡設備驅動程序的模塊化程序設計
??? 根據(jù)Linux對設備驅動程序的要求,模塊化的CAN驅動程序軟件結構如圖3。
目前,許多工業(yè)現(xiàn)場如電力系統(tǒng)、化工系統(tǒng)等大量使用控制器局部網(CAN——Controller Area Network)現(xiàn)場總線網絡,CAN通信卡作為計算機的外設將計算機接入CAN網絡。市場上有不少CAN通信卡,但基本上都不帶Linux驅動程序,當需要在Linux下使用CAN通信卡設備時,需自己開發(fā)Linux的驅動程序。開發(fā)Linux驅動程序不但要求程序員要非常熟悉Linux系統(tǒng),而且要熟悉Linux驅動程序開發(fā)的規(guī)范。本文將詳細介紹CAN通信卡的Linux驅動設備程序的設計和實現(xiàn)。
1 CAN通信卡的Linux設備驅動程序結構????? Linux系統(tǒng)內核通過設備驅動程序與外圍設備進行交互,設備驅動程序是Linux內核的一部分,它是一組數(shù)據(jù)結構和函數(shù),這些數(shù)據(jù)結構和函數(shù)通過定義的接口控制一個或多個設備。對用戶程序而言,設備驅動程序隱藏了設備的具體細節(jié),對各種不同設備提供一致的接口,一般來說是把設備映射為一個特殊的設備文件,用戶程序可以象對普通文件一樣對此設備文件進行操作。
??? Linux將每個設備看作一個文件,即可以像對待文件那樣使用read、write等系統(tǒng)調用進行讀寫。Linux的設備文件分為兩類:一是字符設備,只能對該類設備進行順序讀寫,對外提供字節(jié)流方式的操作;二是塊設備,可以對該類設備進行隨機訪問,一般是磁盤設備等大容量存儲設備。CAN通信卡設備屬于字符型設備。
??? 對設備的訪問是由設備驅動程序提供的。Linux的設備驅動程序可以用模塊的方式加載入內核,設備驅動程序與Linux系統(tǒng)的關系如圖1所示。
1.1? CAN通信卡設備的特點
??? 控制器局部網(CAN)屬于現(xiàn)場總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。由于其性能優(yōu)異、價格低廉,很快被推廣到工業(yè)測控現(xiàn)場。
??? CAN通信卡硬件實現(xiàn)CAN定義的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,收發(fā)報文中數(shù)據(jù)長度為0～8個字節(jié),有2032個報文標識符。工作時通過報文標識符確定總線訪問優(yōu)先權,高優(yōu)先級報文具有低延遲時間,數(shù)據(jù)傳送速率可編程(最高為1Mbps)。發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯而遭破壞的報文可自動重發(fā)。具有成組和廣播報文功能。
??? 當CAN通信卡接收到一個報文時,數(shù)據(jù)保存在CAN通信卡上的接收緩存器中,并產生一個接收中斷。當一個報文被成功發(fā)送后,發(fā)送緩沖器可再次被訪問,產生一個發(fā)送中斷信號。CAN通信卡發(fā)送報文,將數(shù)據(jù)送入CAN通信卡上的發(fā)送緩存器中,CAN通信卡將數(shù)據(jù)串行化發(fā)到CAN總線上。
1.2 CAN通信卡設備驅動程序的任務
??? 由于CAN一幀的數(shù)據(jù)長度最大為8個字節(jié),可以用多幀的Hilon A協(xié)議來使CAN傳輸數(shù)據(jù)任意長。CAN通信卡驅動程序主要完成按照Hilon A協(xié)議解包接收和打包發(fā)送任務,并要對接收的多幀進行管理。
??? CAN通信卡驅動程序應該完成以下任務:
??? (1)為應用程序提供通過CAN卡發(fā)送和接收任意長度數(shù)據(jù)的能力;
??? (2)為應用程序提供設置CAN卡上CAN控制器運行參數(shù)的能力;
??? (3)以阻塞或非阻塞方式讀寫CAN設備文件;
??? (4)允許CAN卡同時收發(fā)多路數(shù)據(jù)。
1.3 CAN通信卡驅動程序的處理流程
??? 用戶進程通過系統(tǒng)調用向驅動程序傳送一幀任意長度的數(shù)據(jù),驅動程序中發(fā)送數(shù)據(jù)的程序按照Hilon A協(xié)議將該幀分段打包,放入發(fā)送隊列,并向CAN控制器請求發(fā)送,由中斷處理程序中發(fā)送部分負責發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)包。
??? 當CAN通信卡接收到數(shù)據(jù)時,產生接收中斷,啟動接收中斷處理程序上半部將CAN控制器中接收緩沖器中的內容復制到接收隊列中,由中斷處理的下半部負責解包和組幀的任務,并將處理完的幀放入幀隊列中,最后用戶使用系統(tǒng)調用從接收幀隊列中讀取完整的一幀。
??? CAN通信卡設備驅動程序處理框架如圖2所示。
2 CAN通信卡設備驅動程序的模塊化程序設計
??? 根據(jù)Linux對設備驅動程序的要求,模塊化的CAN驅動程序軟件結構如圖3。
在CAN通信卡設備驅動程序中,為了增強CAN通信卡的通信能力、提高通信效率,根據(jù)CAN的特點,使用兩級緩沖區(qū)結構,即直接面向CAN通信卡的收發(fā)緩沖區(qū)和直接面向系統(tǒng)調用的接收幀緩沖區(qū)。
??? 通訊中的收發(fā)緩沖區(qū)一般采用環(huán)形隊列(或稱為FIFO隊列),使用環(huán)形的緩沖區(qū)可以使得讀寫并發(fā)執(zhí)行,讀進程和寫進程可以采用“生產者和消費者”的模型來訪問緩沖區(qū),從而方便了緩存的使用和管理。然而,環(huán)形緩沖區(qū)的執(zhí)行效率并不高,每讀一個字節(jié)之前,需要判斷緩沖區(qū)是否為空,并且移動尾指針時需要進行“折行處理”(即當指針指到緩沖區(qū)內存的末尾時,需重新將其定向到緩沖區(qū)的首地址);每寫一個字節(jié)之前,需要判斷緩沖區(qū)是否為滿,并且移動尾指針時同樣需要進行“折行處理”。程序大部分的執(zhí)行過程都是在處理個別極端的情況,只有小部分在進行實際有效的操作。這就是軟件工程中所謂的“8比2”關系。結合CAN通訊的實際情況,在本設計中對環(huán)形隊列進行了改進,可以較大地提高數(shù)據(jù)的收發(fā)效率。
??? 由于CAN通信卡上接收和發(fā)送緩沖器每次只接收一幀CAN數(shù)據(jù),而且根據(jù)CAN的通訊協(xié)議,CAN控制器的發(fā)送緩沖器由1個字節(jié)的標識符、一個字節(jié)的RTR和DLC位及8個字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)組成,共10個字節(jié);接收緩沖器與之類似,也有10個字節(jié)的寄存器。所以CAN控制器收發(fā)的數(shù)據(jù)是短小的定長幀(數(shù)據(jù)可以不滿8字節(jié))。
??? 于是,采用長度為10字節(jié)的數(shù)據(jù)塊來分配內存比較方便,即每次需要內存緩沖區(qū)時,直接分配10個字節(jié),由于這10個字節(jié)的地址是線性的,故不需要進行 “折行” 處理。更重要的是,在向緩沖區(qū)中寫數(shù)據(jù)時,只需要判斷一次是否有空閑塊并獲取其塊首指針就可以了,從而減少了重復性的條件判斷,大大提高了程序的執(zhí)行效率;同樣在從緩沖隊列中讀取數(shù)據(jù)時,也是一次讀取10字節(jié)的數(shù)據(jù)塊,同樣減少了重復性的條件判斷。
??? 在CAN卡驅動程序中采用如下所示的稱為“Block_Ring_t”的數(shù)據(jù)結構作為收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū):
??????? typedef struct {
??? long signature;
??? unsigned char *head_p;
??? unsigned char *tail_p;
??? unsigned char *begin_p;
??? unsigned char *end_p;
??? unsigned char buffer[BLOCK_RING_BUFFER_SIZE];
??? int usedbytes;
??? }Block_Ring_t;
??? 該數(shù)據(jù)結構在通用的環(huán)形隊列上增加了一個數(shù)據(jù)成員usedbytes,它表示當前緩沖區(qū)中有多少字節(jié)的空間被占用了。使用usedbytes,可以比較方便地進行緩沖區(qū)滿或空的判斷。當usedbytes=0時,緩沖區(qū)空;當usedbyes=BLOCK_RING_BUFFER_SIZE時,緩沖區(qū)滿。
??? 本驅動程序除了收發(fā)緩沖區(qū)外,還有一個接收幀緩沖區(qū),接收幀隊列負責管理經Hilon A協(xié)議解包后得到的數(shù)據(jù)幀。由于有可能要同時接收多個數(shù)據(jù)幀,而根據(jù)CAN總線的通訊協(xié)議,高優(yōu)先級的報文將搶占總線,則有可能在接收一個低優(yōu)先級且被分為好幾段發(fā)送的數(shù)據(jù)幀時,被一個優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)幀打斷。這樣會出現(xiàn)同時接收到多個數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)包,因而需要有一個接收隊列對同時接收的數(shù)據(jù)幀進行管理。
??? 當有新的數(shù)據(jù)包到來時,應根據(jù)addr(通訊地址),mode(通訊方式),index(數(shù)據(jù)包的序號)來判斷是否是新的數(shù)據(jù)幀。如果是,則開辟新的frame_node;否則如果已有相應的幀節(jié)點存在,則將數(shù)據(jù)附加到該幀的末尾;在插入數(shù)據(jù)的同時,應該檢查接收包的序號是否正確,如不正確將丟棄這包數(shù)據(jù)。
??? 每次建立新的frame_node時,需要向frame_queue申請內存空間;當frame_queue已滿時,釋放掉隊首的節(jié)點(最早接收的但未完成的幀)并返回該節(jié)點的指針。
當系統(tǒng)調用讀取了接收幀后,釋放該節(jié)點空間,使設備驅動程序可以重新使用該節(jié)點。
2.4 服務于I/O請求的設備驅動程序部分
??? 這部分實際上是應用程序唯一可見的,應用程序通過系統(tǒng)來調用這部分程序,是設備驅動程序對應用程序的接口。本驅動程序提供文件操作接口。Linux系統(tǒng)中,字符型設備驅動程序提供的文件操作入口點由一個結構來向系統(tǒng)說明,此結構定義為:?
??? struct file_operations {?
??? int (*lseek)(struct inode *inode,struct file *filp, off_t off,int pos);?
??? int (*read)(struct inode *inode,struct file *filp, char *buf, int count);?
??? int (*write)(struct inode *inode,struct file *filp, char *buf,int count);?
??? int (*readdir)(struct inode *inode,struct file *filp,struct dirent *dirent,int count);?
??? int (*select)(struct inode *inode,struct file *filp, int sel_type,select_table *wait);?
??? int (*ioctl) (struct inode *inode,struct file *filp, unsigned int cmd,unsigned int arg);?
??? int (*mmap) (void);?
??? int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);?
??? void (*release) (struct inode *inode, struct file *filp);?? int (*fsync) (struct inode *inode, struct file *filp);?
??? };
??? 該結構定義了10個操作入口點,但是驅動程序沒有必要對每個入口點進行定義。根據(jù)需要,本驅動程序定義了如下的入口點。
??? can_open(struct inode *inode, struct file *filp)入口點負責打開can設備,檢查can卡是否已被打開,完成can卡的初始化,設置設備的占用標志。can_release(struct inode *inode, struct file *filp)入口點負責關閉can設備。
??? can_read(struct inode *, struct file *, off_t, int) 入口點負責檢查設備有沒有接收到完整的幀,can_read函數(shù)只是判斷是否有完整的數(shù)據(jù)幀可讀。要獲取數(shù)據(jù)幀,可以使用ioctl 的CAN_READFRAME命令。can_write(struct inode*, struct file *, const char *, int) 入口點負責向CAN發(fā)送數(shù)據(jù)。如果發(fā)送隊列有足夠的空間,則向設備傳送數(shù)據(jù),也可以使用ioctl的CAN_WRITEFRAME命令來實現(xiàn)can_write。
??? can_ioctl(struct inode *, struct file *, unsigned int cmd, unsigned long arg)入口點負責向CAN設備下發(fā)各種操作命令,命令代碼通過cmd參數(shù)傳送,命令參數(shù)通過arg參數(shù)傳送。本驅動程序提供了一些命令,配合can_read()和can_write() 可以實現(xiàn)對CAN通信卡的控制。CAN_IOCREADFRAME命令可以從CAN通信卡上讀取數(shù)據(jù)幀;CAN_IOCWRITEFRAME命令可以向CAN通信卡發(fā)送數(shù)據(jù);CAN_IOCSETCONF命令可以設置CAN通信卡的運行參數(shù);CAN_IOCGETCONF命令可以獲取CAN控制器的運行參數(shù);CAN_IOCQUERYBUSSTATE命令可以查詢CAN總線狀態(tài);CAN_IOCCLEARBUF命令可以清除CAN通信卡的收發(fā)緩沖區(qū)。
??? 本設備驅動程序考慮到CAN通信卡的特點和CAN網絡傳輸數(shù)據(jù)的特點,設計了合理的數(shù)據(jù)結構和緩存管理方法,使得當有大量數(shù)據(jù)進出CAN通信卡時,既可以保證數(shù)據(jù)幀丟失和出錯幾率在允許范圍內,又可以保證數(shù)據(jù)幀能被快速下發(fā)和接收,實際應用中性能很好。Linux擅長通信,支持大多數(shù)以太網卡。如果將CAN通信卡的設備驅動程序加入到Linux系統(tǒng),由于Linux的可裁減性和對硬件資源要求低的特點,可以用小硬盤、小內存和低檔CPU構成通信機連接高速以太網和低速現(xiàn)場總線CAN網絡,經濟實惠而且實用。
工商網監(jiān)
評論