CAN通信卡的Linux设备驱动程序设计实现

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。对用户程序而言,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,一般来说是把设备映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、价格低廉,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)。发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭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,并产生一个接收中断。当一个报文被成功发送后,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)为应用程序提供设置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 register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops);

其中,major是为设备驱动程序向系统申请的主设备号,如果为0则系统为此驱动程序动态分配一个主设备号;name是设备名;fops是对各个系统调用的入口点的说明。

CAN通信卡使用中断与系统交换数据,CAN设备驱动程序需要使用内存来缓存接收到的数据和发送的数据,中断和内存等资源是由Linux系统统一管