ＲＴＬｉｎｕｘ下ＣＡＮ接口卡驅動程序開發

張　鵬　郭　芹

[摘要]介紹RTLinux下的設備驅動模型，以PCI接口的CAN卡為例詳細描述了RTLinux下開發設備驅動程序的一般方法。并通過RTLinux與Linux下設備驅動程序開發過程的對比，描述兩者的異同，給出將Linux下設備驅動源碼更改為RTLinux設備驅動的方法。

[關鍵詞]RTLinux 設備驅動 CAN

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0520006－02

一、引言

在飛行器控制、機器人控制、數控加工等應用場合，傳統的Windows、

Linux等桌面操作系統已不能滿足這種高實時性的應用需求，越來越多的控制器開始采用實時操作系統。RTLinux是一個源碼開放的實時操作系統，得到了廣泛的應用。對于采用RTLinux作為控制系統軟件開發平臺的設計者來說，所面臨的一大問題是設備廠商一般不會提供設備在RTLinux下的驅動程序，需要用戶自行開發。如何開發RTLinux下的設備驅動程序，為RTLinux下的實時應用程序提供操作接口，成為我們利用RTLinux開發控制系統首先要解決的問題。有些情況下設備廠商會提供Linux下驅動源碼，我們又該如何將其修改后應用到RTLinux平臺上。CAN總線是工業控制中應用十分廣泛一種現場總線，CAN接口卡也是在實時控制經常用到的典型設備。本文結合PCI接口CAN控制器的驅動設計實例，詳細介紹RTLinux下設備驅動程序的開發步驟，并與Linux下設備驅動程序的開發做出對比。

二、RTLinux設備驅動程序結構

RTLinux是在Linux的基礎上對進程調度、中斷處理等方面進行了改進，保證了系統的實時性，使實時任務能在限定的時間內得到響應。在RTLinux中，設備驅動程序是以模塊的形式存在于內核中的，用戶通過insmod命令將驅動模塊載入內核。RTLinux提供了符合POSIX標準的設備驅動設計方式，其設計方法與Linux下設備驅動程序的開發類似。所有的設備在RTLinux中都被當作一個文件來看待，所有對設備的操作都可以通過對設備文件進行操作來完成。Linux中的I/O子系統向內核中的其他部分提供了統一標準的設備接口file_operations，在RTLinux中，系統提供了類似的接口rtl_file_operations。在驅動程序初始化時通過rtl_register_chrde

v()對設備進行注冊，這樣當用戶在實時線程中通過open，release，ioctl等標準POSIX I/O接口函數對設備進行操作時，RTLinux內核將會通過rtl_file_operations結構訪問驅動程序提供的函數。同樣在RTLinux的rtl_posixio.h中提供了rtl_unregister_chrdev()，rtl_request_irq()，

rtl_free_irq()等與Linux驅動程序設計相關操作對應的函數。但RTLinux設備驅動程序在開發時與Linux下的驅動程序開發也有很多不同之處，主要包括以下幾點：

1．在RTLinux下用rtl_regiser_chrdev()注冊設備驅動程序時，是為運行在RTLinux內核空間的實時線程提供接口，而不是對用戶空間的程序提供文件系統接口，用戶也不需要根據注冊的設備號用mknod創建設備節點。

2．在Linux中，用戶程序與設備驅動程序分別運行于用戶空間和內核空間，驅動程序在與用戶程序交換數據時需要用到copy_from_user()，copy_to_user()等函數。而在RTLinux中，實時線程與設備驅動共同運行在內核空間，共享同一內存空間，他們之間的數據交換可以直接使用memcpy之類的函數來實現。

3．在RTLinux中，有軟中斷和硬中斷之分。所謂軟中斷就是指一般的Linux內核中斷，它的優點在于可以無限制的使用Linux的內核調用。而硬中斷是直接來自硬件的中斷，有非常短的中斷延遲。對于實時驅動程序而言，我們為了保證實時性必須及時響應硬中斷，可以通過rtl_request_irq

()安裝中斷處理程序，并通過rtl_hard_enable_irq()使能中斷。

在下面的CAN接口卡驅動程序的設計實例中，我們會對這幾個方面做詳細的說明。

三、CAN接口卡的設備驅動程序設計

（一）CAN卡的硬件結構

CAN總線是一種在汽車電子和工業控制中得到廣泛應用的現場總線。CAN接口卡擴展了PC設備的CAN接口，實現了PC與其他設備通過CAN總線進行通信。本文中使用的CAN卡為PCI接口的CAN控制器，用來擴展PC機上的CAN接口，實現PC機端CAN數據的收發，其硬件結構框圖如下圖1所示。

PCI9052是PLX公司的PCI總線從模式接口芯片，用來把對PCI總線上的操作轉換為對局部總線的操作，93LC46是一串行EEPROM，用來存儲初始化信息。SJA1000是PHILIPS公司的CAN總線控制器，它封裝了CAN2.0通訊協議，功能強大，方便易用。82C250為CAN總線收發器件，提供對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力。

（二）驅動程序的開發步驟

我們開發CAN卡RTLinux下驅動程序的最終目的是提供能在實時線程調用的功能函數，如發送、接收CAN消息、配置CAN網絡等，并提供統一、標準的操作接口。而這些功能的實現是通過對CAN控制芯片SJA1000內部寄存器的操作來完成的。這就需要我們首先得到這些寄存器的映射地址，然后對相應功能需要的讀寫操作進行封裝。我們采用的是Linux 2.4.20內核，RTLinux的版本為rtlinux-3.2-rc1，驅動程序的開發主要有以下步驟：

1．獲取PCI設備的資源配置信息。這一步的操作與Linux下PCI設備驅動程序的開發完全一致。當驅動程序訪問PCI設備的時候，它的內存和I/O區域已經被映射到了處理器的地址空間。我們所要做的就是得到這個設備結構指針。Linux內核中提供了相應的結構和函數用來得到設備的資源配置信息。在驅動程序的初始化階段，我們利用函數struct pci_dev * pci_

find_device(unsigned int vendor, unsigned int device, struct pci_dev *from)來尋找PCI設備。參數vendor和device是由設備廠商指定的，并存儲在EEPROM中。當找到設備后，該函數會返回一個pci_dev結構類型的指針，根據該結構中resource有關的域我們就可以得到設備的基地址、中斷號等信息。在接下來的設計中，我們就可以根據此基地址得到SJA1000內部各寄存器的地址，進行相應的I/O操作。

2．注冊中斷處理函數。由于CAN卡在接收數據時必須與系統以中斷的方式交換數據，而且在發送數據時，當遇到發送緩沖器忙的時候也需要根據發送完成產生的中斷來確定何時發送下一幀數據，所以在CAN卡的驅動程序中我們要注冊中斷處理函數。為了確保響應硬件中斷的實時性，RTLinux內核對Linux的中斷處理做了改進，在硬件中斷控制器和Linux內核之間用一層軟中斷模擬器進行隔離，避免了由于Linux關中斷造成的系統在一段時間內無法響應中斷的情況。在RTLinux中我們通過函數int rtl_requ

est_irq(unsigned int irq, void(*handler)(void))來注冊硬中斷。第一個參數為設備的中斷號，這個我們在第一步的操作中已經得到，第二個參數就是中斷處理函數的指針。這里我們定義了函數CAN_ interrupt_handle

r()。在中斷服務程序中，我們要對發送和接收中斷分別做出處理，其程序流程如下圖2所示。

3．定義并實現設備操作接口。為了實現在RTLinux的實時線程中通過標準POSIX I/O函數（如read、write等）對設備進行操作，我們在驅動程序中定義自己的rtl_file_operation結構：

struct rtl_file_operationsrtl_can_fops = {

read: CAN_read, //從CAN總線讀取數據

write: CAN_write, //向CAN總線發送數據

ioctl: CAN_ioctl, //對指定寄存器進行操作，實現配置功能

open: CAN_open, //打開設備

close: CAN_close //釋放設備

}；

在驅動程序的入口函數init_module()中我們通過int rtl_register

_chrdev(unsigned int major, const char* name, struct rtl_file_operations *fops)來注冊設備驅動程序，第一個參數為主設備號，第二個參數為設備名稱，我們取“/dev/can”，第三個參數fops即為rtl_can_fops。這樣當我們用open（）等POSIX I/O函數對設備/dev/can進行操作時，rtl_file_operations中對應的CAN_open（）等將會執行。我們分別定義了函數CAN_read()，CAN_write()，CAN_ioctl()來完成CAN卡的數據接收、發送和配置功能，函數的實現就是對相應寄存器進行操作，并與調用它的實時應用程序交換數據。限于篇幅，我們這里不對寄存器級的編程做詳細的介紹。需要注意的是，調用驅動程序的實時應用程序和驅動程序運行于同一地址空間。以int CAN_write(struct rtl_file *filp, cons

t char *buf, size_t count, loff_t* ppos)為例，我們在程序中可以直接對用戶程序傳過來的指針buf指向的內存空間進行操作，而不必像在Linux驅動程序中一樣，用copy_from_user()獲取用戶空間的數據。

四、結束語

RTLinux是性能優越的實時多任務操作系統，是構建實時控制系統的理想平臺，而RTLinux設備驅動程序是連接實時應用程序與硬件設備的橋梁。本文詳細介紹了在RTLinux下CAN接口卡驅動程序的開發過程，并將其應用于一機器人控制系統。實踐證明，該驅動程序具有良好的實時性和穩定性，機器人達到了快速、平穩的控制效果。鑒于RTLinux高實時性及源碼開放的特點，其會在工業控制及其它領域具有更廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]FSM Labs,Geting Started with RTLinux.http://www.fsmlabs.com,2

001.04.20.

[2]Corbet,J.等著，魏永明、耿岳、鐘書毅譯，Linux設備驅動程序[M].北京：中國電力出版社，2006.

作者簡介：

張鵬（1977-），男，山東水利職業學院教師，碩士，主要研究方向軟件工程；郭芹（1981-），女，山東水利職業學院教師，碩士，主要研究方向計算機圖像處理。