一种CAN通信卡的Linux设备驱动程序设计

摘要：介绍了Linux下设备驱动程序的结构，描述了CAN通信卡设备驱动程序的软件框架以及如何将CAN设备驱动程序加入到Linux系统内核中。讨论了具体实现中为了提高通信效率和通信能力，改进设备驱动程序的缓冲区管理以及利用Linux的特点合理设计中断处理程序。

关键词：Linux操作系统 设备驱动程序 CAN通信卡 中断处理程序

目前，许多工业现场如电力系统、化工系统等大量使用控制器局部网(CAN- Controller Area Network)现场总线网络，CAN通信卡作为计算机的外设将计算机接入CAN网络。市场上有不少CAN通信卡，但基本上都不带Linux驱动程序，当需要在Linux下使用CAN通信卡设备时，需自己开发Linux的驱动程序。开发Linux驱动程序不但要求程序员要非常熟悉Linux系统，而且要熟悉Linux驱动程序开发的规范。本文将详细介绍CAN通信卡的Linux驱动设备程序的设计和实现。

1 CAN通信卡的Linux设备驱动程序结构

Linux系统内核通过设备驱动程序与外围设备进行交互，设备驱动程序是 Linux内核的一部分，它是一组数据结构和函数，这些数据结构和函数通过定义的接口控制一个或多个设备。对应用程序而言，设备驱动程序隐藏了设备的具体细节，对各种不同设备提供一致的接口，一般来说是把设备射为一个特殊的设备文件，用户程序可以象对普通文件一样对此设备文件进行操作。

Linux将每个设备看作一个文件，即可以像对待文件那样使用read、 write等系统调用进行读写。Linux的设备文件分为两类：一是字符设备，只能对该类设备进行顺序读写，对外提供字节流方式的操作;二是块设备，可以对该类设备进行随机访问，一般是磁盘设备等大容量存储设备。CAN通信卡设备属于字符型设备。

对设备的访问是由设备驱动程序提供的。Linux的设备驱动程序可以用模块的方式加载入内核，设备驱动程序与Linux系统的关系如图1所示。

1.1 CAN通信卡设备的特点

控制器局部网(CAN)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于其性能优异、价格低兼，很快被推广到工业测控现场。

CAN通信卡硬件实现CAN定义的物理层和数据链路层功能，收发报文中数据长度为0～8个字节，有2032个报文标识符。工作时通过报文标识符确定总线访问优先权，高优先级报文具有低延迟时间，数据传送速率可编程(最高为 1Mbps)。发送期间若丢二氧化碳仲裁或由于出错而破坏的报文可自动重发。具有成组和广播报文功能。

当CAN通信卡接收到一个报文时，数据保存在CAN通信卡上的接收缓存器中，并产生一接收中断。当一个报文被成功发关垢，发送缓冲器可再次被访问，产生一个发送中断信号。CAN通信卡发送报文，将数据送入CAN通信卡上的发送缓存器中，CAN通信卡将数据串行化发到CAN总线上。

1.2 CAN通信卡设备驱动程序的任务

由于CAN一帧的数据长度最大为8个字节，可以用多帧的Hilon A协议来使CAN传输数据任意长。CAN通信卡驱动程序主要完成按照Hilon A协议解包接收和打包发送任务，并要对接收的多帧进行管理。

CAN通信卡驱动程序应该完成以下任务：

(1)为应用程序提供通过CAN卡发送和接收任意长度数据的能力;

(2)为应用程序提供设备CAN卡上CAN控制器运行参数的能力;

(3)以阻塞或非阻塞方式读写CAN设备文件;

(4)允许CAN卡同时收发多路数据。

1.3 CAN通信卡驱动程序的处理流程

用户进程通过系统调用向驱动程序传送一帧任意长度的数据，驱动程序中发送数据的程序按照Hilon A协议将该帧分段打包，放入发送队列，并向CAN控制器请求发送，由中断处理程序中发送部分负责发送完所有的数据包。

当CAN通信卡接收到数据时，产生接收中断，启动接收中断处理程序上半部将CAN控制器中接收缓冲器中的内容复制到接收队列中，由中断处理的下半部负责解包和组帧的任务，并将处理完的帧放入帧队列中，最后用户使用系统调用从接收帧队列中读取完整的一帧。

CAN通信卡设备驱动程序处理框架如图2所示。

2 CAN通信卡设备驱动程序的模块化程序设计

根据Linux对设备驱动程序的要求，模块化的CAN驱动程序软件结构如图3。

2.1 初始化加载和卸载部分

如果设备驱动程序以模块方式加入内核，则一定会包括两个模块init_module和clear_module。init_module模块用来加载设备，系统初始化时调用;clear_module模块用来卸载设备，取消设备时调用。

设备驱动程序是系统内核的一部分。在任何程序使用设备驱动程序之前，设备驱动程序应该向系统进行登记，以便系统在适当的时候调用。Linux系统里，通过调用register_chrdev函数向系统注册字符型设备驱动程序。Register_chrdev定义为：

int r