摘要：文章重點解決了CAN總線在嵌入式操作系統下驅動程序實現的問題。對于用戶來說，CAN設備在嵌入式操作系統驅動的實現為用戶屏蔽了硬件的細節，用戶不用關心硬件就可以編出自己的用戶程序。實驗結果表明驅動程序的正確性，能提高整個系統的抗*力，穩定性好，zui大傳輸速率達到1Mb/s；硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁*力。

        1、引言
　　
　　基于嵌入式系統設計的工業控制裝置，在工業控制現場受到各種干擾，如電磁、粉塵、天氣等對系統的正常運行造成很大的影響。在工業控制現場各個設備之間要經常交換、傳輸數據，需要一種抗干擾性強、穩定、傳輸速率快的現場總線進行通信。文章采用CAN總線，基于嵌入式系統32位的S3C44B0X微處理器，通過其SPI接口，MCP2510CAN控制器擴展CAN總線；將嵌入式操作系統嵌入到S3C44B0X微處理器中，能實現多任務、友好圖形用戶界面；針對S3C44B0X微處理器沒有內存管理單元MMU，采用uClinux嵌入式操作系統。這樣在嵌入式系統中擴展CAN設備關鍵技術就是CAN設備在嵌入式操作系統下驅動程序的實現。　　

　　2、系統硬件設計
　　
　　系統采用S3C44B0X微處理器,需要擴展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標準。SJA1000采用的總線是地址線和數據線復用的方式，但是嵌入式處理器外部總線大多是地址線和數據線分開的結構，這樣每次對SJA1000操作時需要先后寫入地址和數據2次數據，而且SJA1000使用5V邏輯電平。所以應用MCP2510控制器進行擴展，收發器采用82C250。MCP2510控制器特點：1.支持標準格式和擴展格式的CAN數據幀結構（CAN2.0B）；2.0～8字節的有效數據長度，支持遠程幀；3.zui大1Mb/s的可編程波特率；4.2個支持過濾器的接受緩沖區，3個發送緩沖區；5.SPI高速串行總線，zui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。為了進一步提高系統抗干擾性，可在CAN控制器和收發器之間加一個光隔6N137。其結構原理框圖如圖1：
　　
　　圖1.S3C44B0X擴展CAN結構框圖圖2.字符設備注冊表
　　
　　3、CAN設備驅動程序的設計
　　
　　Linux把設備看成特殊的文件進行管理，添加一種設備，首先要注冊該設備，增加它的驅動。設備驅動程序是操作系統內核與設備硬件之間的接口，并為應用程序屏蔽了硬件細節。在linux中用戶進程不能直接對物理設備進行操作，必須通過系統調用向內核提出請求，由內核調用相應的設備驅動。因此首先建立Linux設備管理、設備驅動、設備注冊、Linux中斷這幾個概念。
　　
　　3.1Linux的設備管理
　　
　　Linux支持各種各樣的外圍設備,對這些設備的管理通稱為設備管理。設備管理分為兩部分：一部分是驅動程序的上層，與設備無關的，這部分根據輸入輸出請求，通過特定的設備驅動程序接口與設備進行通信；另一部分是下層，與設備有關的，通常稱為設備驅動程序，它直接與硬件打交道，并且向上層提供一組訪問接口。Linux設備管理為了對設備進行讀、寫等操作，把物理設備邏輯化，把它看成特殊的文件，稱為設備文件，采用文件系統接口和系統調用來管理和控制設備。Linux把設備分為三類，塊設備、字符設備和網絡設備。每類設備都有不同管理控制方式和不同的驅動程序，這樣方便于對系統進行裁減。Linux內核對設備的識別是根據設備類型和設備號。在字符設備中使用同一個驅動程序的每種設備都有*的主設備號。CAN設備通過在/vendor/Samsung/44b0/Makefile文件下設置設備類型和設備號分別為can、125。
　　
　　3.2file_operations結構體
　　
　　Linux對設備操作的具體實現是由設備驅動程序完成。設備驅動程序加載到系統中通過設備注冊實現。Linux驅動程序對文件的操作通過file_operations結構體來完成。file_operations結構體是文件操作函數指針的集合。在設備管理中該結構體各個成員項指向的操作函數就是設備驅動程序的各個操作例程，編寫驅動程序實質上就是編寫該結構體中的各個函數。對不同的設備可以配備其中全部或部分的操作函數，不使用的函數指針置為NULL。下面是CAN設備file_operations結構體：
　　
　　Staticstructfile_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,//打開設備
　　
　　release:s3c44b0_mcp2510_release};//關閉設備
　　
　　這個結構的每一個成員的名字都對應著一個系統調用。用戶進程利用系統調用，來調用自己的驅動接口,系統調用通過設備文件的主設備號找到相應的設備驅動程序,然后讀取這個數據結構相應的函數指針,接著把控制權交給該函數。
　　
　　3.3設備注冊
　　
　　在linux中，當一種設備安裝到系統時必須向系統進行注冊，設備注冊的主要任務是把設備驅動程序加載到系統中。Linux對不同的設備（如字符設備和塊設備）分開進行注冊管理。每個設備描述符包括兩個指針：name指向設備名字符串，fops指向文件操作函數結構file_operations，該結構體中包含著指向驅動程序各個操作例程的指針。圖2給出了linux字符設備注冊表的示意圖。CAN字符設備的注冊函數是內核函數:register_chrdev（MAJOR_NR,DEVICE_NAME,&s3c44b0_mcp2510_fops）;
　　
　　其中參數DEVICE_NAME表示設備名，s3c44b0_mcp2510_fops表示指向file_operations結構體的指針，即指向設備的驅動程序。
　　
　　3.4Linux中斷的處理
　　
　　在linux系統里，對中斷的處理是屬于系統核心部分，因而如果設備與系統之間以中斷方式進行數據交換，就必須把該設備的驅動程序作為系統核心的一部分。設備驅動程序通過用request_irq函數來申請中斷，通過free_irq來釋放中斷。由于本實驗未用到中斷，因此在此不作詳細介紹。
　　
　　3.5CAN驅動程序的實現
　　
　　3.5.1編寫驅動程序操作例程
　　
　　CAN設備屬于字符設備，對于CAN總線設備，除了發送（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、設置工作模式、設置ID等，所以使用ioctl是zui合適的方法。
　　
　　CAN驅動程序的入口函數：
　　
　　int__inits3c44b0_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CAN設備
　　
　　CAN驅動程序的退出函數：void__exits3c44b0_mcp2510_exit（void）{
　　
　　unregister_chrdev（MAJOR_NR,DEVICE_NAME）;printk（"MCP2510Eixt！\n"）;}
　　
　　編寫CAN設備驅動程序各個操作例程：
　　
　　1.ioctl函數：
　　
　　Staticints3c44b0_mcp2510_ioctl（structinode*inode,structfile*file,unsinedcmd,unsignedlongarg）{switch（cmd）{caseSETBAND://設置波特率
　　
　　MCP2510_SetBandRate（BandRate,TRUE）;break；caseSETLPBK://設置工作方式
　　
　　MCP2510_Write（CLKCTRL,MODE_LOOPBACK|CLK|CLK1）;break;caseSETID://設置標識符
　　
　　MCP2510_Write_Can_ID（RXF0SIDH,U8ID,0）;break;caseSETFILTER://設置屏蔽碼
　　
　　MCP2510_Write_Can_ID（RXM0SIDH,0x1ff,0）;break;}}
　　
　　2.open函數（打開設備）：
　　
　　staticints3c44b0_mcp2510_open（structinode*inode,structfile*file）
　　
　　{printk（"deviceopen\n"）;return0;}
　　
　　3.write函數（發送數據）：
　　
　　staticssize_ts3c44b0_mcp2510_write（structfile*file,constchar*buffer,size_tcount,loff_t*ppos）{copy_from_user（&temp,buffer,sizeof（mcpcan_data））;canWrite（temp.id,temp.data,temp.DataLen,temp.IdType,temp.BufNo）;}//發送數據函數
　　
　　4.read函數（接收數據）：
　　
　　staticssize_ts3c44b0_mcp2510_read（structfile*file,char*buffer,size_tcount,loff_t*ppos）{Revdata（0x66,datas,0x08）;//接收數據函數
　　
　　copy_to_user（buffer,Receivedata.data,0x08）;returncount;}
　　
　　3.5.2交叉編譯CAN驅動程序
　　
　　交叉編譯驅動程序需要一臺裝了RedHatLinux的宿主機。安裝交叉編譯工具的方法請參考相關文檔（交叉編譯工具：arm-elf-tools-20030314.sh）。驅動程序的使用可以按照兩種方式進行編譯，一種是靜態編譯進內核，一種是編譯成模塊以供動態加載。由于uclinux不支持模塊動態加載，所以這里只介紹將驅動程序靜態編譯進內核的方法。為了讓編譯器編譯所添加的驅動程序，需要修改相關文件。
　　
　　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加進內核。
　　
　　2.修改linux-2.4.x/driver/char/mem.c，在文件中增加如下代碼:
　　
　　#IfdefCONFIG_MCP2510（換行）externvoidmcp2510_init（）;
　　
　　#Endif//通過該文件告訴內核調用相應的CAN驅動程序
　　
　　#IfdefCONFIG_MCP2510（換行）mcp2510_init（）;（換行）#Endif
　　
　　3.修改linux-2.4.x/driver/char/Config.in文件，在字符字段內添加如下代碼：
　　
　　Bool‘mcp2510support’CONFIG_MCP2510
　　
　　這樣在makemenuconfig時將出現mcp2510的配置選項。
　　
　　4.修改/uClinux/vendor/Samsung/44b0/Makefile
　　
　　在DEVICES部分添加內容:can,c,125,0。這句話的意思是在device中注冊一個字符設備can，該設備主設備號為125，次設備號為0。在makemenuconfig時進入Characterdevices,選中里面的supportmcp2510。在root權限下執行下列命令編譯內核：
　　
　　1、#makedep；2、#makelib_only；3、#makeromfs；4、#makeimage；5、#make
　　
　　4、CAN驅動程序的測試
　　
　　4.1編寫應用程序
　　
　　為了驗證所添加的驅動程序的正確性，編寫一個應用程序CAN2510.C進行測試，在應用程序中使用下面函數創建一個線程用來發送數據：
　　
　　pthread_creat（&id,NULL,（void*）cansend,&sendata）；
　　
　　在cansend（）函數中用write（）函數調用驅動程序s3c44b0_mcp2510_write（）實現數據的發送，用read（）函數調用驅動程序s3c44b0_mcp2510_read（）接收節點發送過來的數據，用printf（）輸出節點發送過來的數據，驗證接收到的數據是否正確。
　　
　　4.2編譯CAN應用程序
　　
　　編譯應用程序有兩種方法：一是放到內核中編譯，這種方法需要寫一個Makefile文件，還需要修改相應文件，比較麻煩；另外一種辦法是單獨編譯，把編譯產生的可執行文件添加到uclinux文件系統romfs中的bin文件夾下，重新編譯內核。本實驗采用了后者。執行：#arm-elf-gcc–elf2fltcan2510.c–ocan2510–lpthread
　　
　　其中arm-elf-gcc是編譯器，增加參數–elf2flt是由于uclinux只支持flat格式的可執行文件，-0是對編譯進行優化，can2510是編譯產生的可執行文件名稱。把can2510復制到/home/cai/uclinux/romfs/bin目錄下，重新編譯內核，把產生的映像文件image.rom或image.ram下載到目標板，運行can2510進行CAN驅動測試。
　　
　　5、結論
　　
　　本文的創新點：在分析Linux設備驅動程序工作原理和結構的基礎上，獨立添加了CAN總線設備驅動程序到嵌入式操作系統Linux中。經實驗表明嵌入式系統下擴展CAN總線傳輸數據可靠、抗干擾強，在工業控制場合有很大的使用價值；同時，CAN設備在嵌入式操作系統linux下驅動程序的成功實現，為在嵌入式系統中擴展其他硬件設備驅動程序提供了很好的參考價值。