一種CAN通信卡的Linux設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

摘要：介紹了Linux下設(shè)備驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)，描述了CAN通信卡設(shè)備驅(qū)動程序的軟件框架以及如何將CAN設(shè)備驅(qū)動程序加入到Linux系統(tǒng)內(nèi)核中。討論了具體實現(xiàn)中為了提高通信效率和通信能力，改進(jìn)設(shè)備驅(qū)動程序的緩沖區(qū)管理以及利用Linux的特點合理設(shè)計中斷處理程序。

關(guān)鍵詞：Linux操作系統(tǒng) 設(shè)備驅(qū)動程序 CAN通信卡 中斷處理程序

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(wǎng)(CAN- Controller Area Network)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，CAN通信卡作為計算機(jī)的外設(shè)將計算機(jī)接入CAN網(wǎng)絡(luò)。市場上有不少CAN通信卡，但基本上都不帶Linux驅(qū)動程序，當(dāng)需要在Linux下使用CAN通信卡設(shè)備時，需自己開發(fā)Linux的驅(qū)動程序。開發(fā)Linux驅(qū)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(qū)動程序開發(fā)的規(guī)范。本文將詳細(xì)介紹CAN通信卡的Linux驅(qū)動設(shè)備程序的設(shè)計和實現(xiàn)。

1 CAN通信卡的Linux設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)

Linux系統(tǒng)內(nèi)核通過設(shè)備驅(qū)動程序與外圍設(shè)備進(jìn)行交互，設(shè)備驅(qū)動程序是 Linux內(nèi)核的一部分，它是一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)通過定義的接口控制一個或多個設(shè)備。對應(yīng)用程序而言，設(shè)備驅(qū)動程序隱藏了設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，對各種不同設(shè)備提供一致的接口，一般來說是把設(shè)備射為一個特殊的設(shè)備文件，用戶程序可以象對普通文件一樣對此設(shè)備文件進(jìn)行操作。

Linux將每個設(shè)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(diào)用進(jìn)行讀寫。Linux的設(shè)備文件分為兩類：一是字符設(shè)備，只能對該類設(shè)備進(jìn)行順序讀寫，對外提供字節(jié)流方式的操作;二是塊設(shè)備，可以對該類設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)訪問，一般是磁盤設(shè)備等大容量存儲設(shè)備。CAN通信卡設(shè)備屬于字符型設(shè)備。

對設(shè)備的訪問是由設(shè)備驅(qū)動程序提供的。Linux的設(shè)備驅(qū)動程序可以用模塊的方式加載入內(nèi)核，設(shè)備驅(qū)動程序與Linux系統(tǒng)的關(guān)系如圖1所示。

1.1 CAN通信卡設(shè)備的特點

控制器局部網(wǎng)(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?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于其性能優(yōu)異、價格低兼，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(biāo)識符。工作時通過報文標(biāo)識符確定總線訪問優(yōu)先權(quán)，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)送期間若丟二氧化碳仲裁或由于出錯而破壞的報文可自動重發(fā)。具有成組和廣播報文功能。

當(dāng)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(chǎn)生一接收中斷。當(dāng)一個報文被成功發(fā)關(guān)垢，發(fā)送緩沖器可再次被訪問，產(chǎn)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(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù)

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(qū)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(wù)，并要對接收的多幀進(jìn)行管理。

CAN通信卡驅(qū)動程序應(yīng)該完成以下任務(wù)：

(1)為應(yīng)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(yīng)用程序提供設(shè)備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(shè)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(qū)動程序的處理流程

用戶進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用向驅(qū)動程序傳送一幀任意長度的數(shù)據(jù)，驅(qū)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(fù)責(zé)發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)包。

當(dāng)CAN通信卡接收到數(shù)據(jù)時，產(chǎn)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(nèi)容復(fù)制到接收隊列中，由中斷處理的下半部負(fù)責(zé)解包和組幀的任務(wù)，并將處理完的幀放入幀隊列中，最后用戶使用系統(tǒng)調(diào)用從接收幀隊列中讀取完整的一幀。

CAN通信卡設(shè)備驅(qū)動程序處理框架如圖2所示。

2 CAN通信卡設(shè)備驅(qū)動程序的模塊化程序設(shè)計

根據(jù)Linux對設(shè)備驅(qū)動程序的要求，模塊化的CAN驅(qū)動程序軟件結(jié)構(gòu)如圖3。

2.1 初始化加載和卸載部分

如果設(shè)備驅(qū)動程序以模塊方式加入內(nèi)核，則一定會包括兩個模塊init_module和clear_module。init_module模塊用來加載設(shè)備，系統(tǒng)初始化時調(diào)用;clear_module模塊用來卸載設(shè)備，取消設(shè)備時調(diào)用。

設(shè)備驅(qū)動程序是系統(tǒng)內(nèi)核的一部分。在任何程序使用設(shè)備驅(qū)動程序之前，設(shè)備驅(qū)動程序應(yīng)該向系統(tǒng)進(jìn)行登記，以便系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r候調(diào)用。Linux系統(tǒng)里，通過調(diào)用register_chrdev函數(shù)向系統(tǒng)注冊字符型設(shè)備驅(qū)動程序。Register_chrdev定義為：

int register_chrdev(unsigned int major,const char *name,struct file_operations *fops);

其中，major是為設(shè)備驅(qū)動程序向系統(tǒng)申請的主設(shè)備號，如果為0則系統(tǒng)為此驅(qū)動程序動態(tài)分配一個主設(shè)備號;name是設(shè)備名;fopsa是對各個系統(tǒng)調(diào)用的入口點的說明 。

CAN通信卡使用中斷與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，CAN設(shè)備驅(qū)動程序需要使用內(nèi)存來緩存接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)，中斷和內(nèi)存等資源是由Linux系統(tǒng)統(tǒng)一管理的，設(shè)備驅(qū)動程序在初始化時，需要申請資源。在資源不用的時候，應(yīng)該釋放它們，以利于資源的共享。在Linux系統(tǒng)里，對中斷的處理是屬于系統(tǒng)核心的部分，設(shè)備驅(qū)動程序通過調(diào)用request_irq()函數(shù)來申請中斷，通過 free_irq()函數(shù)來釋放中斷。作為系統(tǒng)核心的一部分，設(shè)備驅(qū)動程序在申請和釋放內(nèi)存時不是調(diào)用malloc()函數(shù)和free()函數(shù)，而代之以調(diào)用kmalloc函數(shù)和kfree()函數(shù)。

在init_module模塊中，先檢查是否存在CAN通信卡，如果不存在則退出設(shè)備驅(qū)動程序的加載;如果存在，使用request_irq()函數(shù)為CAN通信卡申請系統(tǒng)中空閑的中斷，使用kmalloc()為設(shè)備驅(qū)動程序申請輸入輸出緩存隊列，如果這些資源申請不成功，則釋放已經(jīng)申請到的系統(tǒng)資源，然后退出設(shè)備驅(qū)動程序的加載，如果申請成功，使用 register_chrdev()函數(shù)將CAN通信卡驅(qū)動程序注冊到Linux系統(tǒng)中，加載完成。

在cleanup_module模塊中先使用free_irq()函數(shù)釋放 init_module模塊中申請到的中斷，然后使用kfree()函數(shù)釋放init_module模塊中申請到的內(nèi)存空間，最后使用 unregister_chrdev()函數(shù)釋放init_module模塊中注冊的設(shè)備驅(qū)動程序，卸載完成。

2.2 CAN通信卡設(shè)備驅(qū)動程序的中斷處理部分

Linux中斷處理程序可以分為上半部和下半部。上半部即一般的中斷服務(wù)程序，由硬件中斷觸發(fā)，它一般運行在關(guān)中斷的方式下，應(yīng)當(dāng)盡可能短小，處理盡可能快;而下半部是單獨的一段處理程序，一般將其掛入立即隊列中以便快速執(zhí)行。立即隊列中的任務(wù)在退出系統(tǒng)調(diào)用或調(diào)度器獲得運行時，將最優(yōu)先地被執(zhí)行。下半部運行在一個安全的環(huán)境，即開中斷和任務(wù)串行化，可以處理一些較花時間的任務(wù)。

這樣，驅(qū)動程序上半部在處理完實時性很強(qiáng)的任務(wù)后，用queue_task()函數(shù)將下半部處理函數(shù)持入立即隊列，并用mark_bh()函數(shù)來激活立即隊列，則下半部可以最優(yōu)先地被執(zhí)行。

當(dāng)有接收中斷時，CAN通信卡設(shè)備驅(qū)動程序的中斷處理程序上半部首先獲取驅(qū)動程序接收緩存中的空閑塊，將CAN通信卡上的接收緩沖器中數(shù)據(jù)復(fù)制到驅(qū)動程序的接收緩存中，釋放CAN通信卡接收緩沖器，然后將下半部處理函數(shù)掛入立即隊列，最后激活立即隊列。

當(dāng)有發(fā)送中斷時，CAN通信卡設(shè)備驅(qū)動程序的中斷處理程序上半部首先獲取發(fā)送緩沖隊列中的數(shù)據(jù)，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖器，最后請求發(fā)送。

CAN通信卡設(shè)備驅(qū)動程序的中斷處理程序下半部使用Hilon A協(xié)議對要傳送到CAN網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)打包，并對從CAN網(wǎng)絡(luò)上接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包和組幀。這樣中斷處理程序的上半部只需要從CAN通信卡的緩沖器中將數(shù)據(jù)復(fù)制到驅(qū)動程序的緩沖區(qū)，系統(tǒng)開銷很小，但很費CPU時間;系統(tǒng)開銷較大的打包、解包和組幀處理則放在中斷處理程序的下半部，使用系統(tǒng)非中斷時間調(diào)度，可以使系統(tǒng)響應(yīng)中斷更快，通信更穩(wěn)定。

2.3 緩沖區(qū)管理

在CAN通信卡設(shè)備驅(qū)動程序中，為了增強(qiáng)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(jié)構(gòu)，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(diào)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(jìn)程和寫進(jìn)程可以采用“生產(chǎn)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(jìn)行“折行處理”(即當(dāng)指針指到緩沖區(qū)內(nèi)存的末尾時，需要新將其定向到緩沖區(qū)的首地址);每寫一個字節(jié)之前，需要判斷緩區(qū)是否為，并且移動尾指針時同樣需要進(jìn)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(jìn)行實際有效的操作。這就是軟件工程中所謂的“8比2”關(guān)系。結(jié)合CAN通訊實際情況，在本設(shè)計中對環(huán)形隊列進(jìn)行了改進(jìn)，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)送數(shù)據(jù)由1個字節(jié)的標(biāo)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，采用度為10字節(jié)的數(shù)據(jù)塊業(yè)分配內(nèi)存比較方便，即每次需要內(nèi)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(jìn)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(fù)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(fù)性的條件判斷。

在CAN卡驅(qū)動程序中采用如下所示的稱為“Block_Ring_t”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)：

typedef struct {

log 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(jié)構(gòu)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(dāng)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(jìn)行緩沖區(qū)滿或空的判斷。當(dāng)usedbytes=0時，緩沖區(qū)空;當(dāng) usedbytes=BLOCK_RING_BUFFER_SIZE時，緩沖區(qū)滿。

本驅(qū)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(fù)責(zé)管理經(jīng) Hilon A協(xié)議解包后得到的數(shù)據(jù)幀。由于有可能要同接收多個數(shù)據(jù)幀，而根據(jù)CAN總線遙通信協(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，因而需要有個接收隊列對同時接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行管理。

當(dāng)有新的數(shù)據(jù)包到來時，應(yīng)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(yīng)的幀節(jié)點存地，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(yīng)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(nèi)存空間;當(dāng)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(dāng)系統(tǒng)調(diào)用讀取了接收幀后，釋放該節(jié)點空間，使設(shè)備驅(qū)動程序可以重新使用該節(jié)點。

2.4 服務(wù)于I/O請求的設(shè)備驅(qū)動程序部分

這部分實際上是應(yīng)用程序唯一可見的，應(yīng)用程序通過系統(tǒng)來調(diào)用這部分程序，是設(shè)備驅(qū)動程序?qū)?yīng)用程序的接口。本驅(qū)動程序提供文件操作接口。Linux系統(tǒng)中，字符型設(shè)備驅(qū)動程序提供的文件操作入口點由一個結(jié)構(gòu)來向系統(tǒng)說明，此結(jié)構(gòu)定義為：

struct file_operations {

int (*lseek)(strut inode *inode,struct file *file,off_toff,int pos);

int (*read)(struct inode *inode,struct file *filp,char *buf,int count);

int (*write)(struct inode *inode,struct file *file,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(jié)構(gòu)定義為10個操作入口點，但是驅(qū)動程序沒有必要對每個入口點進(jìn)行定義。根據(jù)需要，本驅(qū)動程序定義了如下的入口點。

can_open(struct inode *inode,struct file *filp)入口點負(fù)責(zé)打開can設(shè)備，檢查can卡是否已被打開，完成can卡的初始化，設(shè)備設(shè)備的占用標(biāo)志。can_release(struct inode *inode,struct file *filp)入口點負(fù)責(zé)關(guān)閉can設(shè)備。

can_read(struct inode *,struct file , off_t,int)入口點負(fù)責(zé)檢查設(shè)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(fù)責(zé)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(shè)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_inoctl(struct inode *,struct file *,unsigned int cmd,unsigned long arg)入口點負(fù)責(zé)向CAN設(shè)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(qū)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_IOCREADFFRAME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(shè)備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_IOCQUERY-BUSSTATE命令可以查詢CAN總線狀態(tài);CAN_INCCLEARBUF命令可以清除CAN通信卡的收發(fā)緩沖區(qū)。

本設(shè)備驅(qū)動程序考慮到CAN通信卡的特點如CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的特點，設(shè)計了合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和緩存管理方法，使得當(dāng)有大量數(shù)據(jù)進(jìn)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(nèi)，又可以保證數(shù)據(jù)幀能被快速下發(fā)和接收，實現(xiàn)應(yīng)用中性能很好。Linux擅長通信，支持大多數(shù)以太網(wǎng)卡。如果將CAN通信卡的設(shè)備驅(qū)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(nèi)存和低檔CPU構(gòu)成通信機(jī)連接高速以太網(wǎng)和低速現(xiàn)場總線CAN網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)濟(jì)實惠而且實用。

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