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VxWorks下PC/104-CAN驅動程序設計
摘要：詳細介紹實時多任務操作系統VxWorks環境下驅動程序的設計原理；針對驅動程序實現的困難，給出VxWorks下實現驅動程序的工作步驟。文件以PC/104-CAN適配卡為例，簡要介紹硬件結構，重點給出驅動程序實現的關鍵代碼。關鍵詞：RTOS VxWorks PC/104 CAN I/O系統 驅動系統
VxWorks是一款優秀的實時多任務操作系統，具有搶占式調試、中斷延遲小等特點。本文在簡要介紹必備的硬件環境下，以VxWorks為平臺，詳細介紹驅動程序的開發。
1 PC/104-CAN適配卡的硬件結構
PC/104-CAN適配卡主要由CAN控制器（SJA1000）、光電隔離（6N137），收發驅動器（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104主板的CPU為486DX，其對接口板訪問有兩種方式：內存映射和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。內存映射方式可以訪問較大的地址空間并且指令豐富，便于實現快速交換數據。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組成可選端口地址譯碼電路，通過開關選通內存映射基地址（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 對該范圍內的任意地址進行寫操作，均可導致CAN硬件復位。
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適配卡驅動實現
3.1 VxWorks驅動概述
VxWorks操作系統有兩種方式實現驅動。第一種方式是，把設備驅動程序作為獨立任務實現，直接在頂層任務中實現硬件操作，完成特有專用的驅動程序。第二種方式是，VxWorks的I/O系統將設備程序作為內核過程實現。這種方式便于實現I/O子系統的層次模型，便于文件系統一起把設備作為特殊文件處理，提供統一的管理、統一的界面和統一的使用方法，并把設備、文件及網絡通信組織成為一致的更高層次的抽象，為用戶提供統一的系統服務和用戶接口。我們和這種驅動方式。
作為I/O系統和硬件設備之間的連接層，VxWorks驅動就是屏蔽硬件操作，為I/O系統提供服務。實現一個完整的驅動，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備的統一接口；Driver是實現具體的基本控制函數，也就是實現I/O系統所需要的接口；而Device則是一個抽象的硬件設備，是一系列的結構體、變量和宏定義對實際物理設備的定義。一般而言，實現一個驅動應該有三個基本的步驟：①用編程語言完成對實際物理設備的抽象；②完成系統所需要的各類接口及自身的特殊接口；③將驅動集成到操作系統中。之后還有一些調試工作。
3.2 VxWorks I/O系統驅動程序框架
VxWorks為各種設備（包括字符設備、塊設備、虛擬設備及網絡設備）提供統一的訪問接口，包括七種基本的I/O函數：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。VxWorks系統中有一個驅動程序列表，其形式如表1所列。
表1 設備驅動列表（調試時可利用iosDrvShow()查看）
I/O系統的可動態調用iosDrvInstall()函數將設備的驅動例程（即XXOpen()、XXClose()、XXRead()等）加入到設備驅動列表中，如圖2所示。
同樣，系統中有一個設備列表，每個設備對應于設備列表中的一項，每一項包括設備名稱和設備驅動號，同時包括一個設備描述的結構。該結構第一個變量是DEV_HDR類型的變量DEV_HDR。
DEV_HDR的定義如下：
Typedef struct
{
DL_NODE node； /*設備列表節點*/
short drvNum; /*驅動號碼*/
char *name; /*設備名*/
}DEV_HDR；
系統調用iosDevAdd()，可以將設備加入到設備列表中。系統中將驅動和設備聯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動號、設備ID外，還包括文件名、可用標志和指向DEV_HDR的指針。系統每次成功執行open()，返回一個文件描述符，這樣對于設備的read()、write()及ioctl（）就可以通過文件描述符進行。
文件描述符表（調試時調用iosFdShow()查看）如下：
I/O系統的整體結構如圖3所示。系統啟動時（一般掛接在usrroot()），XXDrv()和XXDevCreade()便將設備及其驅動加入相應的列表中。
3.3 設備驅動程序的訪問過程
下面以CAN驅動程序為例，說明驅動程序的訪問過程。（假定設備名“/can/1”并且以CAN設備驅動程序為例，上述中的XX在這里用Can代替。）
①fd=open(“/can/1”,O_RDWR,0644)
②I/O系統在設備列表中尋找設備名為/can/1的設備項，找到相應的設備驅動號。
③I/O系統在文件描述符中保留一個文件描述符空間。
④I/O系統在設備驅動列表中找到對應的CanOpen(CAN_DEV*PCAN_DEV,UBYTE*remainder,int flags)，該驅動例程返回設備描述符的指針。
⑤I/O系統將設備描述符的指針存儲在文件描述符列表的Device ID，同時將對應的設備驅動號存儲在文件描述符的Driver num項。最后I/O系統返回該描述符項的索引（即為fd）。
⑥這樣應用程序中的read()和write（）等函數調用就可以根據fd找到相應的設備驅動號，進而找到相應的驅動例程。
4 CAN驅動程序的實現
CAN驅動程序的實現即是完成下面七個函數的編寫。下面簡要介紹其完成的功能，并用偽指令進行說明。
int drv_num; ;/*驅動號碼*/
typedef struct {
DEV_HDR pCANHDR; /*這個數據結構必須放在設備描述符的最初部分*/
/*其余與驅動有關數據*/
}CAN_DEV； /*CAN設備描述符*/
CAN_DEV can_chan_dev；
STATUS CanDrv(void){
完成驅動的一些初始化；
intconnect(); /*連接所選的IRQ與中斷處理函數*/
sysIntEnablePIC(); /*486DX允許中斷*/
drv_num=iosDrvInstall(CanOpen,NULL，CanOpen，CanClose，CanRead,CanWrite，CanIoctl)；/*將設備驅動例程裝入設備列表中*/
}
/*iosDrvInstall()將設備的CAN驅動例程加入設備驅動列表中，7個參數為7個驅動例程的進入點（entry point），如果沒有某個例程，則傳遞NULL。*/
STATUS CanDevCreate（）{
完成一些設備初始化
iosDevAdd (&Can_chan_dev.pCANHDR,“can0”，drv_num)；/*將設備放入設備驅動列表中*/
}
int CanOpen(CAN_DEV *pCan_Dev,UBYTE *remainder,int flags){
CAN卡硬件復位
CAN卡關中斷
CAN卡進入軟件復位模式
設置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); /*注意必須返回設備描述結構指針*/
}
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）
從接收緩沖區讀取數據
釋放接收緩沖
返回接收數據數量
}
int CanWrite(int CAN_DEV_ID,UBYTE* buf,int nbyte){
查詢發送緩沖是否可用
向發送緩沖區寫數據
命令發送
查詢發送完成標志
返回發送數據數量
}
void interrupt_handle_routin(int arg){
處理中斷事件
發送（釋放）信號量
}
限于篇幅，其它函數略。
圖3 I/O系統整體結構
5 CAN驅動調試
硬件驅動的調試是件十分麻煩的事，經驗十分重要。這里簡要介紹幾個幫助調試的函數。
①可以調用iosDrvShow()、iosDevShow（）及iosFdShow()查看相關內容，判斷并將驅動及設備中入相應列表。
②使用logMsg()現實相關內容，以定位錯誤。
初期調試，示波器和信號燈是非常有用的，可以確定硬件的工作狀況，從而有助于發現程序中的錯誤。
6 小結
筆者采用兩種方式完成了CAN卡驅動。相對于第一種（筆者亦完成），第二種方式——VxWorks的I/O系統將設備程序作為內核過程實現，大大減少了系統的開銷，實時性和可靠性有了很大的提高，并且為用戶提供了統一的接口，使用十分方便。
開發驅動程序，輔助工具是非常有用的。Windows下的開發工具就比較多，而在VxWorks下開發驅動的工具相對較少。Windriver是一款不錯的開發工具，可以開發VxWorks下的驅動程序（也可以開發其它操作系統下的驅動程序）。正確、熟練地使用這些輔助工具，會使開發工作事半功倍。
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