VxWorks系統下CAN驅動的設計與優化

尹加豹,朱 濤,崔凱華

(江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222061)

0 概述

控制器局域網(Controller Area Network,CAN)總線是一種多主機半雙工異步串行通信總線,具有實時性好、抗干擾性強、數據傳輸率高和成本低等優點,是應用最廣泛的現場總線之一[1]。VxWorks系統在眾多嵌入式實時操作系統中具有強大的競爭力和非常重要的地位,在通信、航空航天、軍工等領域具有廣泛應用[2]。VxWorks系統下的CAN總線通信應用于各行各業,在多種硬件平臺上都有成熟的設計方案。文獻[3]介紹了基于SPARC V8架構的S698系列處理器內CAN模塊的驅動設計方法,文獻[4-5]給出ARM及X86平臺獨立CAN控制器驅動的設計及優化方法,上述CAN驅動都是基于國外先進處理器設計,且CAN通道路數在兩路以內。由于在國內一些關鍵領域,需要使用自主可控的硬件方案,在一些特殊領域,甚至需要使用多達數十路CAN通道,因此現有的驅動設計方案無法滿足應用要求。

本文在龍芯3A3000主板上研究開發CAN總線驅動程序,龍芯系列處理器是自主化程度最高的國產處理器,其中,3A3000/3B3000采用28 nm工藝制造,配置為單節點4核,工作主頻為1.2 GHz～1.5 GHz[6]。在MIPS平臺上,基于VxWorks系統的CAN驅動研究成果甚少,在龍芯3A3000主板上進行多板多通道CAN通信時,CAN驅動程序的中斷頻率過高、運行效率較低,且CAN板之間未進行故障隔離。針對上述問題,本文在發送、接收及設備創建等環節進行了一系列優化設計,以提高系統的運行效率和健壯性。

1 硬件設計

CAN通信板共有8路獨立的CAN總線接口,其硬件結構主要由6個部分構成,分別為CPCI總線接口單元、PCI橋接單元、FPGA可編程邏輯單元、電平轉換單元、CAN總線單元以及供電單元,其組成及原理框圖如圖1所示。

圖1 CAN通信板組成及原理框圖

由圖1可知,CAN總線單元主要由CAN總線控制器、高速光隔離器、CAN總線收發器構成。CAN總線控制器選用SJA1000T,該芯片具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作模式[7],其中,PeliCAN模式支持CAN2.0B協議,本文使用PeliCAN模式[8]。

2 VxWorks驅動程序接口

驅動程序用于控制某個硬件完成其固有功能,它直接與硬件設備交互,主要操作就是配置硬件相關寄存器,驅動程序作為接口層,對上要匹配操作系統提供的一套規范接口,對下要驅動硬件設備完成工作[9]。

在VxWorks操作系統中,大部分設備使用文件方式進行管理,應用程序通過I/O請求訪問設備文件,進而操作對應的硬件設備,系統將應用程序的I/O請求傳遞給設備專用的I/O函數,而驅動程序的主要作用就是為這些設備提供專用的I/O函數[10]。具體的過程依靠3張表,即文件描述表、設備列表與驅動程序列表實現。

VxWorks操作系統的所有驅動程序的入口函數地址均由驅動程序列表負責維護,驅動程序列表中的每一行對應一個設備驅動程序,每行包含7列,對應7個函數指針,這些函數就是要實現的設備驅動程序,當設備執行 creat、delete、open、close、read、write和ioctl函數時,需回調對應的驅動函數。VxWorks系統通過iosDrvInstall函數將驅動程序的函數入口地址注冊到驅動程序列表中, iosDrvInstall函數定義如下:

int iosDrvInstall(FUNCPTR create,FUNCPTR remove,FUNCPTR open,FUNCPTR close,FUNCPTR read,FUNCPTR write,FUNCPTR ioctl)。

在驅動程序中,每一個設備都有一個數據結構,被稱為設備描述符,用于存儲相關數據。每個設備的設備描述符都有一個結構相同的起始部分,即設備頭數據結構,I/O系統通過設備頭將所有設備描述符鏈接在一起構成設備列表。驅動程序通過iosDevAdd函數創建設備,并在設備列表中新建節點,iosDevAdd函數定義如下:

int iosDevAdd(DEV_HDR * p_hdr,const char * dev_name,int drv_num)。

以打開設備為例,驅動程序的工作流程如圖2所示[11]。

圖2 驅動程序的工作流程

3 CAN驅動程序設計

VxWorks下CAN驅動的設計工作主要包括I/O接口函數設計、中斷處理函數設計、驅動初始化函數設計和設備創建函數[12]設計。

3.1 I/O接口函數

I/O接口函數需要實現can_open、can_close、can_read、can_write和can_ioctl 5個函數。創建CAN設備結構體,針對SJA1000T控制器設計的結構體如下:

typedef struct {

DEV_HDR can_hdr;/*設備頭*/

BOOL opened;/*打開標識*/

MSG_Q_ID msg_id;/*消息隊列*/

unsigned char index; /*通道序號*/

unsigned char mode; /*濾波方式*/

unsigned long baudrate;/*波特率*/

unsigned long acc_code;/*接收代碼值*/

unsigned long acc_mask;/*接收屏蔽值*/

}CAN_DEV;

I/O接口函數設計包括以下5個部分:

1)can_open函數設計

函數原型為int can_open (DEV_HDR *dev,int option,int flags),主要用于配置CAN控制器為工作模式,并執行一些配置操作,最后返回設備結構體指針[13]。

2)can_close函數設計

函數原型為int can_close (DEV_HDR *dev),主要用于配置CAN控制器為復位模式,并清除一些狀態參數。

3)can_read函數設計

函數原型為int can_read (int dev_id,char *pBuf,int nBytes),主要用于接收總線上的CAN數據幀,SJA1000T收到CAN幀后會提起中斷,中斷處理程序接收CAN幀并發送到消息隊列,can_read則直接讀取消息隊列,若消息隊列中有數據則讀取至緩沖區,若無數據則進行阻塞。

4)can_write函數設計

函數原型為int can_write (int dev_id,char *pBuf,int nBytes),主要用于向總線發送CAN數據幀,為降低通信板提起的中斷頻率,SJA1000T的發送中斷被禁用,改用查詢方式,發送先前查詢SJA1000T狀態寄存器的發送緩沖器狀態,若為釋放狀態則立即發送CAN幀,若為鎖定狀態則循環判斷狀態,直至超時返回。具體發送流程如圖3所示。

圖3 函數的發送流程

5)can_ioctl函數設計

函數原型為int can_ioctl(int dev_id,int cmd,int arg),主要用于配置CAN通道參數,如波特率、濾波方式及參數等。

3.2 中斷處理函數

VxWorks作為一個嵌入式實時操作系統,采用中斷的方式來滿足系統實時性要求,中斷服務程序的高效執行至關重要[14]。SJA1000T有多種中斷類型,包括發送中斷、接收中斷、錯誤報警中斷、數據溢出中斷、總線錯誤中斷等[15]。中斷處理函數首先判斷中斷狀態再進行相應處理,CAN通信板的8個SJA1000T芯片共享一個中斷號,中斷方式為低電平中斷。對于接收中斷,在釋放完SJA1000T接收緩沖器中的CAN幀后會自動清除中斷。

龍芯3A3000主板的板級支持包在設計時將所有外部中斷都路由到一個CPU,其外部中斷過多,導致系統運行效率降低[16]。為降低CAN通信板的中斷頻率,禁用發送中斷,僅使用錯誤報警中斷和接收中斷并對中斷處理函數進行優化。當接收到數據后,中斷處理函數對CAN通信板的8個SJA1000T芯片的狀態寄存器進行遍歷查詢,若發現接收緩沖區有數據則接收這些數據,優化后的處理流程如圖4所示。

圖4 優化后的中斷處理流程

3.3 驅動初始化函數

驅動初始化函數的主要工作是調用iosDrvInstall函數,將can_open、can_close、can_read、can_write和can_ioctl函數注冊到驅動程序列表中[17]。在此之前,要先確定系統正常工作時每一塊CAN通信板的PCI總線信息,并為其分配通道號,本文系統共有3塊CAN通信板、24路CAN通道,PCI總線信息和通道分配如表 1所示。

表1 CAN通信板PCI總線信息及通道分配

Table 1 PCI bus information and channel allocation of CAN bus board

板號PCI總線信息busdevfunc通道號0111300～71111408～1521115016～23

驅動初始化函數,通過pciFindDevice函數查找所有的CAN通信板[18],并將其PCI總線信息與表 1信息進行對比,以確定每個通信板的狀態,具體代碼如下:

STATUS can_drv (void)

{

int i,j;

if (can_drv_num>0)/*驅動程序已安裝*/

return OK;

/*查找CAN板*/

for(i=0;(OK == pciFindDevice(VENDER_ID,DEVICE_ID,i,&bus,&slot,&func)) && (i<3);i++)

{

for(j=0;j<3;j++)

{/*查找該CAN板對應的板號并進行標記*/

if((pci_bus_info[i].bus == bus) && (pci_bus_info[i].slot == slot) && (pci_bus_info[i].func == func))

can_board_found[i] = TRUE;

}

}

/*將驅動程序添加到驅動程序描述表中*/

if((can_drv_num = iosDrvInstall(can_open,(FUNCPTR)NULL,can_open,can_close,can_read,can_write,can_ioctl)) == ERROR)

return ERROR;

return OK;

}

3.4 設備創建函數

CAN驅動的設備創建函數的輸入參數為設備名和通道號。該函數首先要判斷該通道號對應的CAN通信板是否存在,若存在則初始化該CAN通道并調用iosDevAdd函數,將CAN設備添加到設備列表中[19],具體代碼如下:

STATUS can_dev_create(char * name,int i)

{

if((name==NULL) || (i < 0) || (i > 23) || (can_dev_created[i]==TRUE))

return ERROR;

/*判斷該通道號對應的CAN通信板是否存在*/

if(can_board_found[i/8] == FALSE)

return ERROR;

p_can_dev[i] = (CAN_DEV*)malloc (sizeof(CAN_DEV));

…

/*初始化SJA1000T,并將其添加到設備列表*/

if((SJA1000T_init(p_can_dev[i],i) == ERROR) || (iosDevAdd(& p_can_dev[i]->can_hdr,name,can_drv_num) == NULL))

{

free((char*)p_can_dev[i]);

return ERROR;

}

can_dev_created[i] = TRUE;

return OK;

}

4 測試與分析

本文在龍芯3A3000主板上對CAN通信板進行測試,測試內容包括CAN總線并行工作時CAN幀的傳輸效率和驅動程序的健壯性。

傳輸效率主要通過CAN幀的收發速度和中斷的提起頻率進行衡量。計算機系統運行期間,各個模塊均占用系統資源,若各模塊中斷頻率過高,會使系統性能下降,甚至造成系統“假死機”[20]。通過優化,在高速通信時,CAN通信板的中斷頻率顯著下降,具體結果見表2。

表2 CAN通信板傳輸效率對比

Table 2 Comparison of transmission efficiency of CAN communication board

板號波特率/103Baud傳輸速度/(幀·s-1·通道-1)中斷頻率/(次·s-1)優化前優化后1502003 2001 60021255007 9962 038325080012 8003 19445001 00015 0833 99551 0002 00020 6184 182

驅動程序健壯性主要是測試部分CAN板異常時系統的運行情況,具體方法是任意拔下1～2塊CAN通信板,造成CAN通信板異常。以第1號CAN通信板異常為例,驅動程序優化前后的通道號分配如表3所示。優化前,第1號板卡異常,使得第2號板卡的CAN通道號變為8～15,在使用過程中可能會造成嚴重后果;優化后,第1號板卡異常不可用,但第0號和第2號板卡可正常使用,異常板卡被成功隔離。

表3 1號CAN通信板損壞后的通道號對比

Table 3 Comparison of channel numbers after the CAN communication board No.1 is damaged

板號PCI信息通道號busdevfunc優化前優化后0111300～70～71111402111508～1516～23

測試結果表明,針對CAN接收中斷進行優化后,有效降低了高速通信時系統的中斷頻率,提高了系統性能。針對多通信板進行的優化能夠有效隔離問題板卡,提高系統的健壯性,保證計算機系統穩定可靠運行。

5 結束語

本文以龍芯3A3000主板為硬件平臺,在VxWorks系統下提出一種CAN控制器驅動的設計與優化方案。在初始化時,使用PCI信息標記各個模塊,在發送環節,使用查詢方式進行發送,并通過對所有通道進行查詢遍歷來接收數據。實驗結果表明,該驅動程序工作穩定,性能可靠。本文主要針對龍芯3A3000主板進行設計和優化,下一步將把優化方案推廣到2K1000等其他龍芯主板上,拓展其應用范圍。