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VxWorks下PC/104-CAN驅(qū)動程序設(shè)計
摘要：詳細介紹實時多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks環(huán)境下驅(qū)動程序的設(shè)計原理；針對驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)的困難，給出VxWorks下實現(xiàn)驅(qū)動程序的工作步驟。文件以PC/104-CAN適配卡為例，簡要介紹硬件結(jié)構(gòu)，重點給出驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵代碼。關(guān)鍵詞：RTOS VxWorks PC/104 CAN I/O系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)
VxWorks是一款優(yōu)秀的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有搶占式調(diào)試、中斷延遲小等特點。本文在簡要介紹必備的硬件環(huán)境下，以VxWorks為平臺，詳細介紹驅(qū)動程序的開發(fā)。
1 PC/104-CAN適配卡的硬件結(jié)構(gòu)
PC/104-CAN適配卡主要由CAN控制器（SJA1000）、光電隔離（6N137），收發(fā)驅(qū)動器（82C250）及譯碼電路組成。編程主要了解的是控制器SJA1000。CAN適配卡原理如圖1所示。
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2 CAN地址譯碼和中斷選擇
系統(tǒng)104主板的CPU為486DX，其對接口板訪問有兩種方式：內(nèi)存映射和I/O訪問。I/O尋址采用專門的指令，每次只能傳送單個字節(jié)。內(nèi)存映射方式可以訪問較大的地址空間并且指令豐富，便于實現(xiàn)快速交換數(shù)據(jù)。本文討論的CAN卡采用存映射模式工作，與486DX接口是104總線，它與ISA總線兼容。對于Intel X86體系的CPU，ISA可以映射的空間為0xC8000～0xEFFFF。使用比較器和地址選擇開關(guān)組成可選端口地址譯碼電路，通過開關(guān)選通內(nèi)存映射基地址（C8000H、C9000H、CA000H、…、EF000H），以避免與其它器件沖突。CAN偏移地址分配如下：
00～FFH SJA1000的寄存器；
100H～1FFH 對該范圍內(nèi)的任意地址進行寫操作，均可導(dǎo)致CAN硬件復(fù)位。
SJA1000的INT引腳通過跳線選擇IRQ3～7、IRQ9～12或IRQ15中的一個，避免與其它的適配卡沖突。
3 PC/104-CAN適配卡驅(qū)動實現(xiàn)
3.1 VxWorks驅(qū)動概述
VxWorks操作系統(tǒng)有兩種方式實現(xiàn)驅(qū)動。第一種方式是，把設(shè)備驅(qū)動程序作為獨立任務(wù)實現(xiàn)，直接在頂層任務(wù)中實現(xiàn)硬件操作，完成特有專用的驅(qū)動程序。第二種方式是，VxWorks的I/O系統(tǒng)將設(shè)備程序作為內(nèi)核過程實現(xiàn)。這種方式便于實現(xiàn)I/O子系統(tǒng)的層次模型，便于文件系統(tǒng)一起把設(shè)備作為特殊文件處理，提供統(tǒng)一的管理、統(tǒng)一的界面和統(tǒng)一的使用方法，并把設(shè)備、文件及網(wǎng)絡(luò)通信組織成為一致的更高層次的抽象，為用戶提供統(tǒng)一的系統(tǒng)服務(wù)和用戶接口。我們和這種驅(qū)動方式。
作為I/O系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間的連接層，VxWorks驅(qū)動就是屏蔽硬件操作，為I/O系統(tǒng)提供服務(wù)。實現(xiàn)一個完整的驅(qū)動，必須了解VxWorks下I/O的三個基本元素：File、Driver和Dervice。File是為用戶提供訪問設(shè)備的統(tǒng)一接口；Driver是實現(xiàn)具體的基本控制函數(shù)，也就是實現(xiàn)I/O系統(tǒng)所需要的接口；而Device則是一個抽象的硬件設(shè)備，是一系列的結(jié)構(gòu)體、變量和宏定義對實際物理設(shè)備的定義。一般而言，實現(xiàn)一個驅(qū)動應(yīng)該有三個基本的步驟：①用編程語言完成對實際物理設(shè)備的抽象；②完成系統(tǒng)所需要的各類接口及自身的特殊接口；③將驅(qū)動集成到操作系統(tǒng)中。之后還有一些調(diào)試工作。
3.2 VxWorks I/O系統(tǒng)驅(qū)動程序框架
VxWorks為各種設(shè)備（包括字符設(shè)備、塊設(shè)備、虛擬設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）提供統(tǒng)一的訪問接口，包括七種基本的I/O函數(shù)：open(filename、flags、mode)，create（filename、flags）,read(fd、&buf、nBytes)，write(fd、&buf、nBytes)，ioctl(fd、command、arg)，close（fd）及remove（filename）。I/O系統(tǒng)所起的作用就是，把用戶請求分配到與設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動例程中去。VxWorks系統(tǒng)中有一個驅(qū)動程序列表，其形式如表1所列。
表1 設(shè)備驅(qū)動列表（調(diào)試時可利用iosDrvShow()查看）
I/O系統(tǒng)的可動態(tài)調(diào)用iosDrvInstall()函數(shù)將設(shè)備的驅(qū)動例程（即XXOpen()、XXClose()、XXRead()等）加入到設(shè)備驅(qū)動列表中，如圖2所示。
同樣，系統(tǒng)中有一個設(shè)備列表，每個設(shè)備對應(yīng)于設(shè)備列表中的一項，每一項包括設(shè)備名稱和設(shè)備驅(qū)動號，同時包括一個設(shè)備描述的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)第一個變量是DEV_HDR類型的變量DEV_HDR。
DEV_HDR的定義如下：
Typedef struct
{
DL_NODE node； /*設(shè)備列表節(jié)點*/
short drvNum; /*驅(qū)動號碼*/
char *name; /*設(shè)備名*/
}DEV_HDR；
系統(tǒng)調(diào)用iosDevAdd()，可以將設(shè)備加入到設(shè)備列表中。系統(tǒng)中將驅(qū)動和設(shè)備聯(lián)系起來的就是文件描述符列表，每個文件描述符列表除了包括驅(qū)動號、設(shè)備ID外，還包括文件名、可用標志和指向DEV_HDR的指針。系統(tǒng)每次成功執(zhí)行open()，返回一個文件描述符，這樣對于設(shè)備的read()、write()及ioctl（）就可以通過文件描述符進行。
文件描述符表（調(diào)試時調(diào)用iosFdShow()查看）如下：
I/O系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)啟動時（一般掛接在usrroot()），XXDrv()和XXDevCreade()便將設(shè)備及其驅(qū)動加入相應(yīng)的列表中。
3.3 設(shè)備驅(qū)動程序的訪問過程
下面以CAN驅(qū)動程序為例，說明驅(qū)動程序的訪問過程。（假定設(shè)備名“/can/1”并且以CAN設(shè)備驅(qū)動程序為例，上述中的XX在這里用Can代替。）
①fd=open(“/can/1”,O_RDWR,0644)
②I/O系統(tǒng)在設(shè)備列表中尋找設(shè)備名為/can/1的設(shè)備項，找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動號。
③I/O系統(tǒng)在文件描述符中保留一個文件描述符空間。
④I/O系統(tǒng)在設(shè)備驅(qū)動列表中找到對應(yīng)的CanOpen(CAN_DEV*PCAN_DEV,UBYTE*remainder,int flags)，該驅(qū)動例程返回設(shè)備描述符的指針。
⑤I/O系統(tǒng)將設(shè)備描述符的指針存儲在文件描述符列表的Device ID，同時將對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動號存儲在文件描述符的Driver num項。最后I/O系統(tǒng)返回該描述符項的索引（即為fd）。
⑥這樣應(yīng)用程序中的read()和write（）等函數(shù)調(diào)用就可以根據(jù)fd找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動號，進而找到相應(yīng)的驅(qū)動例程。
4 CAN驅(qū)動程序的實現(xiàn)
CAN驅(qū)動程序的實現(xiàn)即是完成下面七個函數(shù)的編寫。下面簡要介紹其完成的功能，并用偽指令進行說明。
int drv_num; ;/*驅(qū)動號碼*/
typedef struct {
DEV_HDR pCANHDR; /*這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須放在設(shè)備描述符的最初部分*/
/*其余與驅(qū)動有關(guān)數(shù)據(jù)*/
}CAN_DEV； /*CAN設(shè)備描述符*/
CAN_DEV can_chan_dev；
STATUS CanDrv(void){
完成驅(qū)動的一些初始化；
intconnect(); /*連接所選的IRQ與中斷處理函數(shù)*/
sysIntEnablePIC(); /*486DX允許中斷*/
drv_num=iosDrvInstall(CanOpen,NULL，CanOpen，CanClose，CanRead,CanWrite，CanIoctl)；/*將設(shè)備驅(qū)動例程裝入設(shè)備列表中*/
}
/*iosDrvInstall()將設(shè)備的CAN驅(qū)動例程加入設(shè)備驅(qū)動列表中，7個參數(shù)為7個驅(qū)動例程的進入點（entry point），如果沒有某個例程，則傳遞NULL。*/
STATUS CanDevCreate（）{
完成一些設(shè)備初始化
iosDevAdd (&Can_chan_dev.pCANHDR,“can0”，drv_num)；/*將設(shè)備放入設(shè)備驅(qū)動列表中*/
}
int CanOpen(CAN_DEV *pCan_Dev,UBYTE *remainder,int flags){
CAN卡硬件復(fù)位
CAN卡關(guān)中斷
CAN卡進入軟件復(fù)位模式
設(shè)置CAN卡工作寄存器，如接收碼寄存器和屏蔽碼寄存器等
CAN卡開中斷和進入操作模式
Return((int)pCan_Dev); /*注意必須返回設(shè)備描述結(jié)構(gòu)指針*/
}
int CanRead(int CAN_DEV_ID,UBYTE * buf,int nBytes){
等待信號量（該信號量由中斷處理例程釋放）
從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)
釋放接收緩沖
返回接收數(shù)據(jù)數(shù)量
}
int CanWrite(int CAN_DEV_ID,UBYTE* buf,int nbyte){
查詢發(fā)送緩沖是否可用
向發(fā)送緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)
命令發(fā)送
查詢發(fā)送完成標志
返回發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)量
}
void interrupt_handle_routin(int arg){
處理中斷事件
發(fā)送（釋放）信號量
}
限于篇幅，其它函數(shù)略。
圖3 I/O系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
5 CAN驅(qū)動調(diào)試
硬件驅(qū)動的調(diào)試是件十分麻煩的事，經(jīng)驗十分重要。這里簡要介紹幾個幫助調(diào)試的函數(shù)。
①可以調(diào)用iosDrvShow()、iosDevShow（）及iosFdShow()查看相關(guān)內(nèi)容，判斷并將驅(qū)動及設(shè)備中入相應(yīng)列表。
②使用logMsg()現(xiàn)實相關(guān)內(nèi)容，以定位錯誤。
初期調(diào)試，示波器和信號燈是非常有用的，可以確定硬件的工作狀況，從而有助于發(fā)現(xiàn)程序中的錯誤。
6 小結(jié)
筆者采用兩種方式完成了CAN卡驅(qū)動。相對于第一種（筆者亦完成），第二種方式——VxWorks的I/O系統(tǒng)將設(shè)備程序作為內(nèi)核過程實現(xiàn)，大大減少了系統(tǒng)的開銷，實時性和可靠性有了很大的提高，并且為用戶提供了統(tǒng)一的接口，使用十分方便。
開發(fā)驅(qū)動程序，輔助工具是非常有用的。Windows下的開發(fā)工具就比較多，而在VxWorks下開發(fā)驅(qū)動的工具相對較少。Windriver是一款不錯的開發(fā)工具，可以開發(fā)VxWorks下的驅(qū)動程序（也可以開發(fā)其它操作系統(tǒng)下的驅(qū)動程序）。正確、熟練地使用這些輔助工具，會使開發(fā)工作事半功倍。
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