基于實時操作系統(tǒng)VxWorks的CAN驅動設計與實現(xiàn)

1、收稿日期:2005204218;修返日期:2005206214基金項目:國防預研資助項目(417010402基于實時操作系統(tǒng)Vx Wo rks 的CA N 驅動設計與實現(xiàn)3徐美榮,蔡銘,董金祥(浙江大學計算機科學與技術學院,浙江杭州310027摘要:設備驅動設計是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的難點。針對本系統(tǒng)可靠性和實時性要求嚴格的特點,在詳細分析Vx Works 實時操作系統(tǒng)設備驅動機制的基礎上,通過采用內核過程的方式實現(xiàn)了Vx Works 下CAN 設備驅動,達到了預期的目標。所給出的Vx Works 下設備驅動設計的一般步驟為Vx Works 其他設備驅動開發(fā)提供了參考。關鍵詞:Vx Works;實時

2、操作系統(tǒng);內核過程;設備驅動;CAN 總線中圖法分類號:TP311111文獻標識碼:A 文章編號:100123695(20060520185204Design and I m p lementati on of CAN D river Based on Real 2Ti m e Operati on Syste m Vx WorksXU Mei 2r ong,C A IM ing,DONG J in 2xiang(College of Co m puter Science &Technology,Zhejiang U niversity,Hangzhou Zhejiang 310027

3、,China Abstract:Design of device 2driver is a difficult task in e mbedded 2syste m s devel op ing .Considering the de mand of reliabilityand near real 2ti m e of this syste m,the mechanis m of device 2driver based on RT OS of Vx Works is analyzed firstly,then the de 2vice 2driver of CAN bus is i m p

4、 le mented by using kernel 2p r ocess technique .Thr ough thismethod,expectant perfor mance of tar 2get syste m is achieved .The general p r ocess of device 2driver 2design used in this paper can be refered by others device 2driver 2devel op ing based on Vx Works .Key words:Vx Works;RT OS;Kernel 2Pr

5、 ocess;Device D river;CAN Bus1引言目前,嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)越來越受到重視,嵌入式產品的應用越來越廣泛。開發(fā)所采用的操作系統(tǒng)中,Vx Works 是比較受歡迎的一種。Vx Works 是由W indR iver 公司開發(fā)的具有工業(yè)領導地位的高性能實時操作系統(tǒng)(Real 2Ti m e Operati on Syste m,RT OS ,是一個具有可伸縮、可裁剪和高可靠性,同時適用于所有主流CP U 目標平臺的實時操作系統(tǒng)。Vx Works 的微內核W ind 是一個具有較高性能的、標準的嵌入式實時操作系統(tǒng)內核。其主要特點包括快速多任務切換、搶占式任務調度、任務間通信手

6、段多樣化等。在一個典型的Vx Works 嵌入式系統(tǒng)應用中,傳送和接收少量的重要數(shù)據(jù)是必要的,這些數(shù)據(jù)必須在一個實時的時間內到達。這與非實時的網絡不同,如在PCLAN 中傳輸一個文件。控制器局域網(C AN 是Bosch 公司在現(xiàn)代汽車技術中領先推出的一種多主機局域網,由于其卓越的性能、極高的可靠性、獨特靈活的設計和低廉的價格,現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場控制、智能大廈、小區(qū)安防、交通工具、醫(yī)療儀器、環(huán)境監(jiān)控等眾多領域。一般來說CAN 報文包允許傳輸最高八個字節(jié)的數(shù)據(jù),而總線仲裁的方法保證了一個重要數(shù)據(jù)能夠在一個保證的時間內到達1。目前,Vx Works 對現(xiàn)場總線通信支持的驅動還是不多,本文詳細分

7、析了Vx Works 設備驅動機制,并通過CAN 驅動設計的實例給出了Vx Works 設備驅動設計的一般思路。2Vx Works 設備驅動分析Vx Works 操作系統(tǒng)有兩種方式實現(xiàn)驅動:把設備驅動程序作為獨立任務來實現(xiàn),直接在頂層任務中實現(xiàn)硬件操作,完成特有的專用驅動程序。Vx Works 的I/O 系統(tǒng)將設備驅動程序作為內核過程實現(xiàn),這種方式可以大大減少系統(tǒng)的開銷,提高系統(tǒng)的可靠性和實時性。Vx Works 標準設備驅動是通過I/O 系統(tǒng)來存取的,這樣做的好處是可以屏蔽底層硬件,對上層應用程序提供統(tǒng)一的接口。Vx Works 的I/O 系統(tǒng)有其獨特的特性,使得它比其他I/O 系統(tǒng)更快速、

8、靈活,這在實時系統(tǒng)中非常重要。還有一些特殊的設備驅動,如網絡設備驅動,由于其自身的特性,雖然不是通過標準I/O 來進行存取的,但是也都有它們各自相關的規(guī)范2。在這里只介紹通過I/O 系統(tǒng)存取的標準設備驅動機制。211與設備驅動關聯(lián)的表在Vx Works 中,應用程序是通過打開命名文件來訪問I/O 設備的。要理解Vx Works 設備驅動機制必須分清文件描述符表(F D _T ABLE 、設備鏈表(DE V I CE L I ST 和驅動表(DRV _T ABLE 三者的各自作用和關系3,如圖1所示。(1文件描述符表(F D_T ABLE 。主要用來管理已經打開的文件。每一個打開的文件都會在F

9、D _T ABLE 中占用一個條目(F D_E NTRY 。隨后對文件的操作,都由應用程序通過對文件在F D_T ABLE 中的索引fd 進行操作來實現(xiàn)。F D _T ABLE 中所包含的F D _E NTRY 的數(shù)量,也就是系統(tǒng)一次所能打開的最大文件數(shù)。F D_E NTRY 記錄了與每一個已經打開的文件相關的信息,主要包括該文件所在設備的設備頭指針pDevHdr,文件的名字na me,以及該條目是否可用的標志等信息。在這里最主要的是設備頭指針pDevHdr,通過該指針,操作系統(tǒng)能夠找到實際要操作的文件設備,并調用設備的驅動程序來真正地完成對設備的操作。(2設備鏈表(DE V I CE L I

10、 ST 是Vx Works 設備的雙向鏈表。要編寫驅動的設備也必須加入到該鏈表中。每一個設備數(shù)據(jù)結構的第一項必須是一個設備頭DE V_HDR 數(shù)據(jù)結構,其余是與設備相關的數(shù)據(jù),如操作設備所需的緩沖器和進行同步或互斥用的信號量等數(shù)據(jù)。DE V _HDR 數(shù)據(jù)結構記錄了某一類設備的主要信息,包括驅動號(drv_nu m 和設備名na me,以及一個用于將所有的設備鏈接起來的DL _NODE 數(shù)據(jù)結構,也就是Vx Works 中的雙向鏈表結構node 。通過node,系統(tǒng)中所有存在的設備鏈接成一個鏈表,操作系統(tǒng)能夠遍歷這個鏈表,從而知道所需的設備是否存在。驅動號drv_nu m 代表了驅動表(DRV

11、_T ABLE 中的第幾個條目,這個條目里保存有該設備的實際操作函數(shù)指針。這樣,通過drv_nu m,操作系統(tǒng)就可以最終調用設備的驅動程序。(3驅動表(DRV_T ABLE 。由驅動條目組成。它維護了系統(tǒng)內所有設備的驅動條目。驅動條目存放的是實際操作設備的驅動指針。在Vx Works 中,每一類設備的操作共分為七種類型,分別是生成、刪除、打開、關閉、讀、寫和I octl 。Vx Works I/O 系統(tǒng)的初始化工作是由根任務usr Root 調用i osI nit 例程來完成的。其原型如下:ST AT US i osI nit (int max_drivers,int max_files,ch

12、ar 3null D ev Na me 其中,參數(shù)max_drivers 是允許的最多驅動數(shù)也是驅動條目的最大數(shù)量;max_files 是允許一次打開的最多文件數(shù)也是最大的文件條目數(shù)量;null D ev Na me 是空設備的名稱。開始時,系統(tǒng)定義了一個空設備和一個空設備的寫操作;然后例程分配文件描述表,并清空所有的文件條目;分配驅動表,并清空所有的驅動條目;初始化設備鏈表;接著例程把驅動表的第一條目設置為一個空設備寫,將空設備掛入設備鏈表的第一個節(jié)點。至此已經完成I/O 系統(tǒng)的初始化工作,就形成如圖1所示的結構。212設備訪問過程Vx Works 為各種設備(包括字符設備、塊設備、虛擬設備

13、及網絡設備提供統(tǒng)一的訪問接口。用戶訪問設備是通過應用程序界面(AP I 來實現(xiàn)的。I/O 系統(tǒng)所起的作用就是把用戶請求分配到與設備對應的驅動例程中去。用戶在操作I/O 設備之前,與設備對應的文件描述符必須被打開,這是通過調用open (或create (函數(shù)來完成的3。下面以某一個設備驅動程序為例,說明設備的訪問過程(假設設備名為“/XX /0”,并且以XX 設備的驅動為例。(1調用open (“/XX /0”,O_RDWR,0644函數(shù);(2I/O 系統(tǒng)遍歷設備鏈表(DE V I CE L I ST ,尋找名字為“/XX /0”的設備項,并找到該設備相應的驅動號drv_num;(3I/O 系

14、統(tǒng)為設備文件在文件描述符表(F D _T ABLE 中分配一個空的文件條目(F D_E NTRY ;(4I/O 系統(tǒng)通過驅動號drv_nu m,在驅動表(DRV _T A 2BLE 中找到XX 設備的xx Open (xx_DE V pXX _DE V,char 3name,int flags 例程,該驅動例程返回設備描述符指針;(5如果打開成功,就將設備描述符指針、設備全文件名及驅動相關的返回值存放在新分配的文件條目里,并返回一個fd;如果設備打開失敗,就將已經分配的文件條目釋放;(6讀、寫等操作可以直接通過調用fd 找到設備驅動號,進而找到設備的驅動例程。213設備驅動設計過程通過分析知道

15、,設備驅動設計需以下的幾個步驟3,4:(1設備數(shù)據(jù)結構的定義,其第一項必須是設備頭DE V _HDR 結構;(2設備驅動例程編寫,包括生成、刪除、打開、關閉、讀、寫和I octl 例程;(3設備驅動注冊,通過調用i os D rvI nstall (函數(shù)將自己的設備驅動注冊到I/O 系統(tǒng)的驅動表(DRV_T ABLE 中;(4設備掛載,通過調用i os Dev Add (函數(shù)將設備掛載到I/O 系統(tǒng)的設備鏈表(DE V I CE L I ST 中,調用int Connect (函數(shù)完成中斷服務程序的掛接,并用sysI ntEnableP I C (函數(shù)打開設備中斷;(5把文件或函數(shù)按照BSP

16、的目錄結構加到正確的位置;(6編寫Makefile 文件,最后是編譯調試工作。3基于Vx W o rks 的CAN 設備驅動實現(xiàn)311I SA 2CAN 適配卡的硬件結構I S A 2CAN 適配卡是I S A 接口的C AN 總線通信適配卡,其主要功能是讓計算機方便地連接到CAN 總線上,實現(xiàn)CAN 210B 協(xié)議(兼容CAN 2.0A 的連接通信,CAN 的通信協(xié)議主要由C AN 控制器SJA1000完成,如圖2所示 。適配卡使用系統(tǒng)內存地址映射空間方式,對于I ntel x86體系的CP U,I S A 可以映射的空間為0xC80000xEFFFF 。使用比較器和地址選擇開關組成可選端口

17、地址譯碼電路,通過開關選通內存映射基地址(C8000H,C9000H,C A000H,EF000H ,以避免與其他器件沖突。適配卡中斷I RQ 設置通過跳線進行選擇,可選的I RQ有I RQ3,I RQ4,I RQ5,I RQ6,I RQ7, I RQ9,I RQ10,I RQ11,I RQ12和I RQ15。312CAN設備驅動主要實現(xiàn)技術31211主要數(shù)據(jù)結構(1協(xié)議幀數(shù)據(jù)結構typedef structunsigned l ong I D;/3報文I D3/unsigned char SendType;/3發(fā)送幀類型3/unsigned char Re moteFlag;/3是否是遠程幀

18、3/unsigned char ExternFlag;/3是否是擴展幀3/unsigned char Data Len;/3數(shù)據(jù)長度(<=83/unsigned char Data8;/3報文的數(shù)據(jù)3/CAN_FRAME;(2緩沖器數(shù)據(jù)結構typedef structint pT oBuf;/3寫入指針3/int pFr omBuf;/3讀出指針3/int bufsize;/3緩沖器大小3/CAN_FRAME3buf;/3CAN數(shù)據(jù)幀指針3/CANR I N G;(3CAN設備描述符結構typedef structDEV_HDR pCANHDR;/3I/O系統(tǒng)設備頭3/BOO creat

19、ed;/3TRUE如果設備已經創(chuàng)建3/CANR I N G_I D CanRdBuf;/3環(huán)狀讀緩沖器指針3/SE MAPHORE rdSyncSem;/3讀同步信號量3/SE MAPHORE mutexSe m;/3互斥信號量3/CANR I N G_I D Can W rt B uf;/3環(huán)狀寫緩沖器指針3/SE MAPHORE wrtSyncSem;/3寫同步信號量3/SEL_WAKEUP_L I ST sel W akeupL ist;/3等待設備的任務列表3/CAN_DEV;31212具體實現(xiàn)技術主要完成所需緩沖器的操作和設備基本驅動例程。驅動主要包括設備驅動初始化和設備創(chuàng)建、設備打

20、開、報文的收發(fā)和I/O控制、中斷服務等。(1緩沖器操作CAN緩沖器CANR ing是一個先進先出的環(huán)緩沖器,設有讀和寫兩個環(huán)緩沖器。創(chuàng)建時,比實際的要大一個數(shù)據(jù)幀空間。滿時,讀寫指針始終相差1;只有當空時,讀寫指針相等。由于一個讀任務和一個寫任務是分別對讀指針和寫指針進行修改的,所以它們可以同時訪問環(huán)緩沖器,這由其自身特點來保證,不需要額外的互斥操作。但對于多個讀任務或者多個寫任務同時訪問緩沖器的情況下,需要互斥機制來保證,如用信號量機制。由于C AN協(xié)議是按一幀進行讀寫的,因此環(huán)緩沖器每項的大小也是按固定的一幀大小來創(chuàng)建的,使操作時變得簡單。(2設備驅動初始化Can D rv(和設備創(chuàng)建Ca

21、n Dev Create(設備驅動初始化時,判斷驅動是否已經初始化。如還沒有初始化,則調用i os D rvI nstall(例程。該例程對于同一個設備驅動只需調用一次,它將驅動服務例程與I/O系統(tǒng)服務進行關聯(lián),將C AN驅動例程加入到驅動表DRV_T ABLE中,并且分配給CAN設備一個驅動號。設備創(chuàng)建時,完成設備的一些初始化,包括分配讀緩沖器和寫緩沖器、創(chuàng)建讀寫同步和互斥信號量和初始化等待任務列表等;調用int Connect(例程完成C AN設備的中斷注冊,該例程將中斷服務程序Can I ntr與指定的中斷向量vect or連接;調用sysI ntEnableP I C(例程允許C AN

22、設備中斷;最后調用i os De2 v Add(例程,這個例程向I/O系統(tǒng)的設備鏈表DE V I CE L I ST 中加入一個CAN設備,并設置C AN設備頭結構的驅動號(drv _nu m為設備驅動初始化時返回的驅動號和設備名na me為“/ can/0”(假設用這個設備名字,使得設備對于以后的open(和create(例程可用。(3設備打開Can Open(設備打開,主要完成CAN控制器的初始化工作,返回必須是一個CAN設備指針,這是由于該指針一定要賦值給文件表F D_T ABLE中文件條目F D_E NT RY的第一項pDevHdr。初始化CAN控制器,主要在復位時為各個寄存器設置正確

23、的初值。在設置控制器的寄存器前,必須通過讀模式寄存器的復位模式/請求(Reset Mode/Request標志來檢查控制器是否已進入復位模式,因為要得到配置信息的寄存器,僅在復位模式可寫5。在復位模式中,必須配置下面的控制段寄存器:模式寄存器選擇模式;時鐘分頻寄存器;驗收代碼寄存器和驗收屏蔽寄存器;總線定時寄存器;輸出控制寄存器;中斷使能寄存器。退出復位模式時,必須清除模式寄存器的復位模式/請求標志位,要必須先檢查標志是否確實被清除,是否進入了工作模式,才能進行下一步的操作,這通過循環(huán)讀該標志實現(xiàn)。(4報文的發(fā)送Can W rite(和報文的接收CanRead(數(shù)據(jù)流程的層次關系如圖3所示。應

24、用層調用通用i oL ib 中的函數(shù)Read和W rite,這些函數(shù)從輸入的fd中找到相應的設備描述符,然后找到DRV_T ABLE,調用DRV_T ABLE中的函數(shù)。DRV_T ABLE中的函數(shù)則是第二層的C AN驅動例程(Can2 Read,Can W rite,再由C AN驅動例程和真正的CAN設備打交道。第二層和底層的通信是通過中斷回調函數(shù)(Can I Rx、Can2 I Tx來實現(xiàn)。具體地說,中斷服務程序負責數(shù)據(jù)的收發(fā)。輸出時,底層驅動可以從CAN Out put R ing Buffer中得到數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN Bus;輸入時,底層驅動將接收到的數(shù)據(jù)讀到C AN I nput

25、 R ing Buffer中 。報文的發(fā)送主要是完成用戶向C AN寫緩沖器寫數(shù)據(jù)的工作。報文發(fā)送是以循環(huán)方式依次將每一幀數(shù)據(jù)寫入寫緩沖器的。對于每一幀數(shù)據(jù):必須獲得寫同步信號量和互斥信號量獨占緩沖區(qū);將數(shù)據(jù)寫入寫緩沖器,修改寫緩沖器的寫指針;釋放互斥信號量,如果緩沖器還有空間,則釋放寫同步信號量,退出對C AN緩沖器的獨占使用。循環(huán)結束時,返回發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。設備創(chuàng)建Can DevCreate在創(chuàng)建寫緩沖器時釋放寫同步信號量,也就是說調用該例程的第一個任務是不阻塞的。寫同步信號量釋放條件是:寫緩沖器有空余空間。釋放的時機是:寫操作結束后,判斷寫緩沖器有空余空間時;中斷寫操作Can I Tx(

26、將一幀數(shù)據(jù)從寫緩沖器寫到C AN總線后;進入寫操作后,但被I/O 控制操作取消時。調用該例程的任務,如果寫緩沖器有空余空間時,完成寫數(shù)據(jù)的工作;如果寫緩沖器滿時,則任務阻塞。報文的接收主要是完成用戶從CAN 讀緩沖器中讀數(shù)據(jù)的工作:進入一個循環(huán)。在循環(huán)體內獲得讀同步信號量和互斥信號量,如果緩沖器中有數(shù)據(jù)則退出循環(huán),否則釋放互斥信號量并繼續(xù)循環(huán)。進入依次讀取每一幀數(shù)據(jù)的循環(huán)。為了喚醒阻塞在讀同步信號量的任務,讀完一幀數(shù)據(jù)后必須檢查緩沖器是否還有數(shù)據(jù),如果有,則釋放讀同步信號量,釋放互斥信號量。返回實際讀取的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。釋放讀同步信號量條件是:讀緩沖器有數(shù)據(jù)。釋放讀同步信號量的時機:中斷讀Can

27、2I Rx (接收到C AN 總線上的數(shù)據(jù)幀,并把數(shù)據(jù)讀到讀緩沖器中后;讀操作結束后,判斷讀緩沖器還有數(shù)據(jù)時;進入讀操作后,但被I/O 控制操作取消時。調用該例程的任務,如果讀緩沖器有數(shù)據(jù)時,完成讀數(shù)據(jù)的工作;如果讀緩沖器空時,則任務阻塞。(5中斷服務Can I ntr (中斷服務Can I ntr (讀C AN 控制器的中斷寄存器來識別中斷源,然后根據(jù)不同的中斷源進入不同的工作流程。這些中斷源是由控制器復位時中斷使能寄存器賦值決定的。這里只打開了發(fā)送和接收及數(shù)據(jù)溢出三種中斷。中斷寫Can I Tx (如圖4所示,CAN 控制器只有在發(fā)送狀態(tài)為空閑、上一幀發(fā)送完畢和發(fā)送緩沖器釋放的情況下,把中

28、斷寄存器的發(fā)送中斷位置高,并產生硬件中斷信號通知CP U 把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN Bus 上去。如果CAN 設備寫緩沖器有數(shù)據(jù)在等待發(fā)送,則馬上將數(shù)據(jù)寫入CAN 控制器發(fā)送緩沖器并命令發(fā)送數(shù)據(jù),同時釋放寫同步信號量并喚醒等待設備的寫任務;如果CAN 設備寫緩沖器沒有數(shù)據(jù)在等待發(fā)送,就直接返回。中斷讀Can I Rx (如圖5所示,CAN 控制器發(fā)現(xiàn)CAN 總線上的數(shù)據(jù)己通過驗收濾波器,則把數(shù)據(jù)存在接收數(shù)據(jù)緩沖器中,同時中斷寄存器的接收中斷位置高,并產生硬件中斷信號通知CP U 有數(shù)據(jù)已經接收到。CP U 接收數(shù)據(jù)后,置位清除接收緩沖器位,釋放讀同步信號量并喚醒等待設備的讀任務。CAN 控制器自動發(fā)

29、送回應信號表示已經接收到數(shù)據(jù),對方節(jié)點可以馬上再發(fā)送另一幀數(shù)據(jù)到總線上 。當接收數(shù)據(jù)數(shù)量超出CAN 控制器的接收緩沖器容量時,中斷寄存器數(shù)據(jù)溢出位被置高,并產生硬件中斷信號,通知CP U 已經有數(shù)據(jù)丟失。此時,CP U 重新對控制器進行初始化,再次進入正常工作狀態(tài)。(6I/O 控制Can I octl (I/O 控制是根據(jù)I/O 請求控制代碼的類型來控制C AN 設備的,主要包括讀取或寫緩沖器現(xiàn)有的數(shù)據(jù)幀數(shù)量;清除CAN 設備讀或寫緩沖器;按照請求的大小重新分配CAN 設備的讀或寫緩沖器;設置CAN 總線波特率;選擇或取消CAN 設備的Select 功能;取消本次傳輸。最主要的是設置CAN 總線波特率,因為把一個節(jié)點加入到C AN 總線上時,該節(jié)點的波特率必須與其他的節(jié)點一致6。這里采用自動波特率檢測算法,這是一個不影響網絡運行操作的位速率檢測算法。在只聽模式,控制器不能發(fā)送報文也不能產生出錯幀,只能接收報文。在啟動時,用最高位速率接收報文之前,CAN 控制器使能接收中斷和出錯中斷如果C AN 總線產生錯誤,程序會轉向下一個較低的位速率,在成功地接收到一個報文后,C AN 控制器已經檢測到正確的位速率,轉向正常工作模式。4結束語按照上述思路編