摘要：详细介绍实时多任务操作系统VxWorks环境下驱动程序的设计原理；针对驱动程序实现的困难，给出VxWorks下实现驱动程序的工作步骤。文件以PC/104-CAN适配卡为例，简要介绍硬件结构，重点给出驱动程序实现的关键代码。
关键词：RTOS VxWorks PC/104 CAN I/O系统 驱动系统
VxWorks是一款优秀的实时多任务操作系统，具有抢占式调试、中断延迟小等特点。本文在简要介绍必备的硬件环境下，以VxWorks为平台，详细介绍驱动程序的开发。
1 PC/104-CAN适配卡的硬件结构
PC/104-CAN适配卡主要由CAN控制器（SJA1000）、光电隔离（6N137），收发驱动器（82C250）及译码电路组成。编程主要了解的是控制器SJA1000。CAN适配卡原理如图1所示。
2 CAN地址译码和中断选择
系统104主板的CPU为486DX，其对接口板访问有两种方式：内存映射和I/O访问。I/O寻址采用专门的指令，每次只能传送单个字节。内存映射方式可以访问较大的地址空间并且指令丰富，便于实现快速交换数据。本文讨论的CAN卡采用存映射模式工作，与486DX接口是104总线，它与ISA总线兼容。对于Intel X86体系的CPU，ISA可以映射的空间为0xC8000～0xEFFFF。使用比较器和地址选择开关组成可选端口地址译码电路，通过开关选通内存映射基地址（C8000H、C9000H、CA000H、…、EF000H），以避免与其它器件冲突。CAN偏移地址分配如下：
00～FFH SJA1000的寄存器；
100H～1FFH 对该范围内的任意地址进行写操作，均可导致CAN硬件复位。
SJA1000的INT引脚通过跳线选择IRQ3～7、IRQ9～12或IRQ15中的一个，避免与其它的适配卡冲突。
3 PC/104-CAN适配卡驱动实现
3.1 VxWorks驱动概述
VxWorks操作系统有两种方式实现驱动。第一种方式是，把设备驱动程序作为独立任务实现，直接在顶层任务中实现硬件操作，完成特有专用的驱动程序。第二种方式是，VxWorks的I/O系统将设备程序作为内核过程实现。这种方式便于实现I/O子系统的层次模型，便于文件系统一起把设备作为特殊文件处理，提供统一的管理、统一的界面和统一的使用方法，并把设备、文件及网络通信组织成为一致的更高层次的抽象，为用户提供统一的系统服务和用户接口。我们和这种驱动方式。
作为I/O系统和硬件设备之间的连接层，VxWorks驱动就是屏蔽硬件操作，为I/O系统提供服务。实现一个完整的驱动，必须了解VxWorks下I/O的三个基本元素：File、Driver和Dervice。File是为用户提供访问设备的统一接口；Driver是实现具体的基本控制函数，也就是实现I/O系统所需要的接口；而Device则是一个抽象的硬件设备，是一系列的结构体、变量和宏定义对实际物理设备的定义。一般而言，实现一个驱动应该有三个基本的步骤：
- 用编程语言完成对实际物理设备的抽象
- 完成系统所需要的各类接口及自身的特殊接口
- 将驱动集成到操作系统中。之后还有一些调试工作
3.2 VxWorks I/O系统驱动程序框架
VxWorks为各种设备（包括字符设备、块设备、虚拟设备及网络设备）提供统一的访问接口，包括七种基本的I/O函数：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系统所起的作用就是，把用户请求分配到与设备对应的驱动例程中去。VxWorks系统中有一个驱动程序列表，其形式如表1所列。
表1 设备驱动列表（调试时可利用iosDrvShow()查看）
| 驱动号码 | create | remove | open | close | read | write | ioctl |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | |||||||
| 2 | canOpen | NULL | canOpen | canClose | canRead | canWrite | canIoctl |
I/O系统的可动态调用iosDrvInstall()函数将设备的驱动例程（即XXOpen()、XXClose()、XXRead()等）加入到设备驱动列表中，如图2所示。
同样，系统中有一个设备列表，每个设备对应于设备列表中的一项，每一项包括设备名称和设备驱动号，同时包括一个设备描述的结构。该结构第一个变量是DEV_HDR类型的变量DEV_HDR。
DEV_HDR的定义如下：
Typedef struct { DL_NODE node； /*设备列表节点*/ short drvNum; /*驱动号码*/ char *name; /*设备名*/ }DEV_HDR；
系统调用iosDevAdd()，可以将设备加入到设备列表中。系统中将驱动和设备联系起来的就是文件描述符列表，每个文件描述符列表除了包括驱动号、设备ID外，还包括文件名、可用标志和指向DEV_HDR的指针。系统每次成功执行open()，返回一个文件描述符，这样对于设备的read()、write()及ioctl（）就可以通过文件描述符进行。
文件描述符表（调试时调用iosFdShow()查看）如下：
I/O系统的整体结构如图3所示。系统启动时（一般挂接在usrroot()），XXDrv()和XXDevCreade()便将设备及其驱动加入相应的列表中。
3.3 设备驱动程序的访问过程
下面以CAN驱动程序为例，说明驱动程序的访问过程。（假定设备名“/can/1”并且以CAN设备驱动程序为例，上述中的XX在这里用Can代替。）
- fd=open(“/can/1”,O_RDWR,0644)
- I/O系统在设备列表中寻找设备名为/can/1的设备项，找到相应的设备驱动号。
- I/O系统在文件描述符中保留一个文件描述符空间。
- I/O系统在设备驱动列表中找到对应的CanOpen(CAN_DEV*PCAN_DEV,UBYTE*remainder,int flags)，该驱动例程返回设备描述符的指针。
- I/O系统将设备描述符的指针存储在文件描述符列表的Device ID，同时将对应的设备驱动号存储在文件描述符的Driver num项。最后I/O系统返回该描述符项的索引（即为fd）。
- 这样应用程序中的read()和write（）等函数调用就可以根据fd找到相应的设备驱动号，进而找到相应的驱动例程。
4 CAN驱动程序的实现
CAN驱动程序的实现即是完成下面七个函数的编写。下面简要介绍其完成的功能，并用伪指令进行说明。
int drv_num; ;/*驱动号码*/
typedef struct {
DEV_HDR pCANHDR; /*这个数据结构必须放在设备描述符的最初部分*/
/*其余与驱动有关数据*/
}CAN_DEV； /*CAN设备描述符*/
CAN_DEV can_chan_dev；
STATUS CanDrv(void){
完成驱动的一些初始化；
intconnect(); /*连接所选的IRQ与中断处理函数*/
sysIntEnablePIC(); /*486DX允许中断*/
drv_num=iosDrvInstall(CanOpen,NULL，CanOpen，CanClose，CanRead,CanWrite，CanIoctl)；/*将设备驱动例程装入设备列表中*/
}
/*iosDrvInstall()将设备的CAN驱动例程加入设备驱动列表中，7个参数为7个驱动例程的进入点（entry point），如果没有某个例程，则传递NULL。*/
STATUS CanDevCreate（）{
完成一些设备初始化
iosDevAdd (&Can_chan_dev.pCANHDR,“can0”，drv_num)；/*将设备放入设备驱动列表中*/
}
int CanOpen(CAN_DEV *pCan_Dev,UBYTE *remainder,int flags){
CAN卡硬件复位
CAN卡关中断
CAN卡进入软件复位模式
设置CAN卡工作寄存器，如接收码寄存器和屏蔽码寄存器等
CAN卡开中断和进入操作模式
Return((int)pCan_Dev); /*注意必须返回设备描述结构指针*/
}
int CanRead(int CAN_DEV_ID,UBYTE * buf,int nBytes){
等待信号量（该信号量由中断处理例程释放）
从接收缓冲区读取数据
释放接收缓冲
返回接收数据数量
}
int CanWrite(int CAN_DEV_ID,UBYTE* buf,int nbyte){
查询发送缓冲是否可用
向发送缓冲区写数据
命令发送
查询发送完成标志
返回发送数据数量
}
void interrupt_handle_routin(int arg){
处理中断事件
发送（释放）信号量
}
限于篇幅，其它函数略。
5 CAN驱动调试
硬件驱动的调试是件十分麻烦的事，经验十分重要。这里简要介绍几个帮助调试的函数。
- 可以调用iosDrvShow()、iosDevShow（）及iosFdShow()查看相关内容，判断并将驱动及设备中入相应列表。
- 使用logMsg()现实相关内容，以定位错误。
初期调试，示波器和信号灯是非常有用的，可以确定硬件的工作状况，从而有助于发现程序中的错误。
6 小结
笔者采用两种方式完成了CAN卡驱动。相对于第一种（笔者亦完成），第二种方式——VxWorks的I/O系统将设备程序作为内核过程实现，大大减少了系统的开销，实时性和可靠性有了很大的提高，并且为用户提供了统一的接口，使用十分方便。
开发驱动程序，辅助工具是非常有用的。Windows下的开发工具就比较多，而在VxWorks下开发驱动的工具相对较少。Windriver是一款不错的开发工具，可以开发VxWorks下的驱动程序（也可以开发其它操作系统下的驱动程序）。正确、熟练地使用这些辅助工具，会使开发工作事半功倍。
