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。
在CAN通信卡设备驱动程序中,为了增强CAN通信卡的通信能力、提高通信效率,根据CAN的特点,使用两级缓冲区结构,即直接面向CAN通信卡的收发缓冲区和直接面向系统调用的接收帧缓冲区。
通讯中的收发缓冲区一般采用环形队列(或称为FIFO队列),使用环形的缓冲区可以使得读写并发执行,读进程和写进程可以采用“生产者和消费者”的模型来访问缓冲区,从而方便了缓存的使用和管理。然而,环形缓冲区的执行效率并不高,每读一个字节之前,需要判断缓冲区是否为空,并且移动尾指针时需要进行“折行处理”(即当指针指到缓冲区内存的末尾时,需重新将其定向到缓冲区的首地址);每写一个字节之前,需要判断缓冲区是否为满,并且移动尾指针时同样需要进行“折行处理”。程序大部分的执行过程都是在处理个别极端的情况,只有小部分在进行实际有效的操作。这就是软件工程中所谓的“8比2”关系。结合CAN通讯的实际情况,在本设计中对环形队列进行了改进,可以较大地提高数据的收发效率。
由于CAN通信卡上接收和发送缓冲器每次只接收一帧CAN数据,而且根据CAN的通讯协议,CAN控制器的发送缓冲器由1个字节的标识符、一个字节的RTR和DLC位及8个字节的数据区组成,共10个字节;接收缓冲器与之类似,也有10个字节的寄存器。所以CAN控制器收发的数据是短小的定长帧(数据可以不满8字节)。
于是,采用长度为10字节的数据块来分配内存比较方便,即每次需要内存缓冲区时,直接分配10个字节,由于这10个字节的地址是线性的,故不需要进行 “折行” 处理。更重要的是,在向缓冲区中写数据时,只需要判断一次是否有空闲块并获取其块首指针就可以了,从而减少了重复性的条件判断,大大提高了程序的执行效率;同样在从缓冲队列中读取数据时,也是一次读取10字节的数据块,同样减少了重复性的条件判断。
在CAN卡驱动程序中采用如下所示的称为“Block_Ring_t”的数据结构作为收发数据的缓冲区:
typedef struct {
long signature;
unsigned char *head_p;
unsigned char *tail_p;
unsigned char *begin_p;
unsigned char *end_p;
unsigned char buffer[BLOCK_RING_BUFFER_SIZE];
int usedbytes;
}Block_Ring_t;
该数据结构在通用的环形队列上增加了一个数据成员usedbytes,它表示当前缓冲区中有多少字节的空间被占用了。使用usedbytes,可以比较方便地进行缓冲区满或空的判断。当usedbytes=0时,缓冲区空;当usedbyes=BLOCK_RING_BUFFER_SIZE时,缓冲区满。
本驱动程序除了收发缓冲区外,还有一个接收帧缓冲区,接收帧队列负责管理经Hilon A协议解包后得到的数据帧。由于有可能要同时接收多个数据帧,而根据CAN总线的通讯协议,高优先级的报文将抢占总线,则有可能在接收一个低优先级且被分为好几段发送的数据帧时,被一个优先级高的数据帧打断。这样会出现同时接收到多个数据帧中的数据包,因而需要有一个接收队列对同时接收的数据帧进行管理。
当有新的数据包到来时,应根据addr(通讯地址),mode(通讯方式),index(数据包的序号)来判断是否是新的数据帧。如果是,则开辟新的frame_node;否则如果已有相应的帧节点存在,则将数据附加到该帧的末尾;在插入数据的同时,应该检查接收包的序号是否正确,如不正确将丢弃这包数据。
每次建立新的frame_node时,需要向frame_queue申请内存空间;当frame_queue已满时,释放掉队首的节点(最早接收的但未完成的帧)并返回该节点的指针。
当系统调用读取了接收帧后,释放该节点空间,使设备驱动程序可以重新使用该节点。
2.4 服务于I/O请求的设备驱动程序部分
这部分实际上是应用程序唯一可见的,应用程序通过系统来调用这部分程序,是设备驱动程序对应用程序的接口。本驱动程序提供文件操作接口。Linux系统中,字符型设备驱动程序提供的文件操作入口点由一个结构来向系统说明,此结构定义为:
struct file_operations {
int (*lseek)(struct inode *inode,struct file *filp, off_t off,int pos);
int (*read)(struct inode *inode,struct file *filp, char *buf, int count);
int (*write)(struct inode *inode,struct file *filp, char *buf,int count);
int (*readdir)(struct inode *inode,struct file *filp,struct dirent *dirent,int count);
int (*select)(struct inode *inode,struct file *filp, int sel_type,select_table *wait);
int (*ioctl) (struct inode *inode,struct file *filp, unsigned int cmd,unsigned int arg);
int (*mmap) (void);
int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);
void (*release) (struct inode *inode, struct file *filp); int (*fsync) (struct inode *inode, struct file *filp);
};
该结构定义了10个操作入口点,但是驱动程序没有必要对每个入口点进行定义。根据需要,本驱动程序定义了如下的入口点。
can_open(struct inode *inode, struct file *filp)入口点负责打开can设备,检查can卡是否已被打开,完成can卡的初始化,设置设备的占用标志。can_release(struct inode *inode, struct file *filp)入口点负责关闭can设备。
can_read(struct inode *, struct file *, off_t, int) 入口点负责检查设备有没有接收到完整的帧,can_read函数只是判断是否有完整的数据帧可读。要获取数据帧,可以使用ioctl 的CAN_READFRAME命令。can_write(struct inode*, struct file *, const char *, int) 入口点负责向CAN发送数据。如果发送队列有足够的空间,则向设备传送数据,也可以使用ioctl的CAN_WRITEFRAME命令来实现can_write。
can_ioctl(struct inode *, struct file *, unsigned int cmd, unsigned long arg)入口点负责向CAN设备下发各种操作命令,命令代码通过cmd参数传送,命令参数通过arg参数传送。本驱动程序提供了一些命令,配合can_read()和can_write() 可以实现对CAN通信卡的控制。CAN_IOCREADFRAME命令可以从CAN通信卡上读取数据帧;CAN_IOCWRITEFRAME命令可以向CAN通信卡发送数据;CAN_IOCSETCONF命令可以设置CAN通信卡的运行参数;CAN_IOCGETCONF命令可以获取CAN控制器的运行参数;CAN_IOCQUERYBUSSTATE命令可以查询CAN总线状态;CAN_IOCCLEARBUF命令可以清除CAN通信卡的收发缓冲区。
本设备驱动程序考虑到CAN通信卡的特点和CAN网络传输数据的特点,设计了合理的数据结构和缓存管理方法,使得当有大量数据进出CAN通信卡时,既可以保证数据帧丢失和出错几率在允许范围内,又可以保证数据帧能被快速下发和接收,实际应用中性能很好。Linux擅长通信,支持大多数以太网卡。如果将CAN通信卡的设备驱动程序加入到Linux系统,由于Linux的可裁减性和对硬件资源要求低的特点,可以用小硬盘、小内存和低档CPU构成通信机连接高速以太网和低速现场总线CAN网络,经济实惠而且实用。
，CAN通信卡的Linux设备驱动程序设计实现