（计算机应用技术专业论文）基于armvxworks的多现场总线网关bsp及驱动程序研究.pdf

摘要 摘要 作为一种全数字化的现场通信网络，现场总线以其可控性强、可靠性高、开 放性好等优点【1 】，在现代工业控制和仪器测量等领域得到了广泛的应用。然而由 于历史和应用领域的原因，出现了多种现场总线并存的局面【2 1 。在实际应用中常 常需要在不同种类的现场总线间进行数据通信以及用户需要对不同种类的现场总 线设备进行操作和控制。同时，工业测控系统在控制层采用现场总线技术，而在 管理层采用以太网构成的企业信息网【3 】，工业网络的发展迫切需要与顶层信息网 络融合，以实现信息共享，满足对管理控制一体化的需求。为了解决以上两个问 题，本论文提出了一种基于a r m 和v x w o r k s 的多现场总线互联网关，实现多种 现场总线之间、现场总线和以太网之间的数据通信和互操作，并同时为用户提供 统一的访问接口。 本论文从互联网关的总体设计入手，分析了互联网关的结构设计，硬件平台 特征和软件设计。在互联网关的总体结构设计部分，着重阐述了互联网关中的实 时中间件层的实现原理；在硬件平台特征中，主要分析了系统从n a n d f l a s h 引导 的实现机制；在软件设计部分深入阐述了协议转换程序的实现方法。 互联网关的b s p 和驱动程序设计是本论文的重点。在b s p 设计部分，本论 文结合v x w o r k s 操作系统下b s p 设计的特点和互联网关的硬件特征，提出了两 阶段引导操作系统的方案：第一阶段的引导代码主要是初始化硬件并将第二阶段 的引导代码搬运到s d r a m 中执行，第二阶段用于实际引导v x w o r k s 操作系统。 在b s p 设计的最后，本文还着重讨论了引导程序中的异常处理机制。在驱动程序 部分，本文从v x w o r k s 操作系统下i o 子系统和驱动程序的关系入手，分析了 v x w o r k s 操作系统中i o 子系统调用到驱动程序的实现过程。在此基础上，本论 文结合项目源代码，详细分析串行设备、n a n d f l a s h 设备、网卡和c a n 控制卡驱 动的实现机制和驱动函数实现过程，并在每种设备的驱动程序最后讨论了该设备 驱动程序加载到操作系统中的过程。最后对本论文研究工作作了总结，并对下一 步工作进行了展望。 关键词：现场总线、互联网关、b s p 、驱动程序 b s t r c t a b s t r a c t 缸ad i i g i t a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nf i e l d ，f i e l d b u sh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e f i e l do fm o d e mi u d u s i a lc o n t r o la n di n s t r u m e n tm e a s u r i n gf o ri t ss t o n gc o n t r o l l a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t ya n de x c e l l e n to p e n n e s s h o w e v e f ，al o to fk i n d so ff i e l d b n s e sc o e x i s t f o rh i s t o r i c a la n da p p l i e df i e l dr e a s o n f i e l d b u s e so fd i f f e r e n tk i n d sh a v et o c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e ra n du s e r sn e e dt oo p e r a t ea n dc o n t r o lf i e l d b u sd e v i c e so f d i f f e r e n tv a r i e t i e si np r a c t i c e a tt h es a m et i m e ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi n i n d u s t r ya d o p t sf i e l d b u st e c h n o l o g y i nt h ec o n t r o ll e v e l ，b u t a d o p t se n t e r p r i s e i n f o r m a t i o nn e t w o r kc o n s t i t u t e d b ye t h e m e t i nt h e m a n a g e m e n tl e v e l t h e d e v e l o p m e n t o fi n d u s t r i a ln e t w o r kn e e d su r g e n t l yt os y n c r e t i z ei n f o r m a t i o nn e t w o r ko f t o pl e v e l ，s oa st os h a r ei n f o r m a t i o na n dm e e tt h en e e d so fi n t e g r a t i n gm a n a g e m e n ta n d c o n t r 0 1 t os o l v et h et w op r o b l e m s ，t h i sd i s s e r t a t i o np u tf o r w a r da l li n t e r c o n n e c t i n g g a t e w a yb a s e do na r ma n dv x w o r k st oi n t e r c o n n e c td i f f e r e n tf i e l d b o s e sa n d e t h e m e t t h r o u g ht h i sg a t e w a y d i f f e r e n tf i e l d b u s e sc a nc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e ra n dt h e y c a na l s oc o m m u n i c a t ew i t he t h e m e t i na d d i t i o n ，t h eg a t e w a yp r o v i d e du n i f o r m i n t e r r a c e t h i sd i s s e r t a t i o nb e g a nw i t ho v e r a l ld e s i g no ft h eg a t e w a ya n da n a l y z e do v e r a l l s t r u c t u r e d e s i g n , h a r d w a r ep l a t f o r m c h a r a c t e r i s t i c sa n ds o f t w a r e d e s i g n t h i s d i s s e r t a t i o ne x p a t i a t e dt h ei m p l e m e n t i o np r i n c i p l eo ft h er e a l t i m em i d d l e w a r eo f g a t e w a yi no v e r a hs t r u c t u r ed e s i g n t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l ya n a l y z e dt h ei m p l e m e n t i o n m e c h a n i s mo fb o o t i n gf r o mn a n d f l a s hi nh a r d w a r ep l a t f o r mb u i l d i n g t h ed i s s e r t a t i o n d e e p l ys e tf o n hc o n v e r t i o np r o g r a m m e b e t w e e nd i f f e r e n tp r o t o c o l si ns o f t w a r ed e s i g n b s pa n dd r i v e rd e s i g no ft h ei n t e r c o n n e c t i n gg a t e w a ya r et h ee m p h a s e so ft h e d i s s e r t a t i o n t h ed i s s e r t a t i o nb m u g h tf o r w a r das c h e m et ob o o to st h r o u g ht w op h a s e s i nt h ep a r to fb s pd e s i g n , c o n b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fb s pd e s i g nb a s e do nt h e v x w o r k so sa n dh a r d w a r ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei n t e r c o n n e c t i n gg a t e w a y t h eb o o t i n g c o d eo ft h ef i r s tp h a s em a i n l yi n i t i a l i z e dh a r d w a r ea n dc a r r i e dt h eb o o t i n gc o d eo ft h e s e c o n dp h a s et os d r a m ；t h eb o o t i n gc o d eo ft h es e c o n dp h a s ew a sr e s p o n s i b l ef o r a b s t r a c r b o o t i n gv x w o r k so s i nt h ee n do fb s pd e s i g n ，t h ed i s s e r t a t i o ne m p h a s i z e dt h e i m p l e m e n t i o nm e c h a n i s mo fe x c e p t i o no ft h eb o o t i n gc o d e i nt h ep a r to f d r i v e rd e s i g n ， t h ed i s s e r t a t i o ns t a r t e dw i t ht h ec o n n e c t i o nb e t w e e ni 0s u b s y s t e r na n dd r i v e ri n v x w o r k so s a n da n a l y z e dt h ei m p l e m e n t i o nc o u i s ef r o mi 0f u n c t i o nc a l lt od r i v e r a f t e rt h a t ，t h ed i s s e r t a t i o n , c o m b i n i n gw i t ht h es o u r c 宅c o d eo ft h ep r o j e c t ，a n a l y z e d d a t a i l e d l yt h ei m p l e m e n t i o nm e c h a n i s ma n dc o u r s eo ft h ed r i v e r so fs e r i a ld e v i c e , n a n d f l a s hd e v i c e ，n e t w o r kc a r da n dc a nc o n t r o l l i n gc a r d ，a n dd i s c u s s e dh o wt ol o a d t h e s ed e v i c ed r i v e r st oo sa tt h ee n do fd r i v e ra n a l y s i so fe v e r yd e v i c e t h el a s ti s s u m - u pa n df u r t h e rr e s e a r c ho fi n t e r c o n n e c t i n gg a t e w a y k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，i n t e r c o n n e c t i n gg a t e w a y , b s p , d r i v e r i i i 缩略词 f f c a n d c s c o m d c o m l l c m a c c r c c s l v c d a r m r t o s i u a c e i a 0 o r b o m g c o r b a b s p b i o s p m p l l u a r t t r u e f f s m t d s e n s 缩略词 f i e l d - b u sf o u n d a t i o n c o u t r o n e ra r e an e t w o r k d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m c o m p o n e n to b j e c tm o d e l d i s t r i c u t e dc o m l o g i ci j n kc o n t r o l m e d i u ma c c e s sc o n t r o l c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m i n t e r c o n n e c tu n i t a d a p t i v ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t 1 1 l ea c e o r b ( o b j e c tr e q u e s tb r o k e r ) o b j e c ir e q u e s tb r o k e r 0 b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e b o a r ds u p p o f lp a c k a g e b a s i ci n p u t o u t p u ts y s t e m e x e c u t ei np l a c e m a i np h a s el o c k e dl o o p s u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r t r u ef l a s hf i l es y s t e m m e m o r yt e c h n o l o g yd r i v e r s s c a l a b l ee n h a n c e dn e t w o r k ss t a c k v i i 图表索g 图表索引 图1 - 1 现场总线与以太网协议栈4 图1 2 封装技术示意图4 图1 - 3 组件技术示意图5 图1 - 4 隧道技术示意图6 图2 1a 圆通信模型的分层结构9 图2 - 2c a n 数据帧结构1 1 图2 - 3 以太网帧格式。1 4 图2 - 4 映像文件的地址映射1 7 图2 5v x w o r k s 系统存储布局( a r m ) 2 1 图3 - 1 综合网络系统结构。2 4 图3 2 互联网关结构图2 5 图3 3 综合网络软件结构图。2 6 图3 4 使用n a n d f l a s h 启动时系统的存储空间布局2 8 图牛1b s p 在系统中的层次3 5 图4 2 “黑”调试法工程步骤3 8 图4 3 上电后m p l l 的启动过程。4 2 图4 4b u i l db o o tr o m 设置图5 3 图4 - 5 操作系统移植成功截图一5 6 图4 - 6i r q 异常处理流程。5 7 图5 - 1 串行设备驱动程序的工作模式6 3 图5 2 t t y d r v 的职责6 3 图5 3 串行设备的安装过程6 8 图5 4 串口作为控制台示意图7 0 图5 5t r u e f f s 层次结构7 1 图5 - 6t r u e f f s 中n a n d l d e n t i f y ( ) 函数的调用过程7 2 v i i i 图表索日 图5 7v x w o r k s 网络模块7 6 图5 8s j a l 0 0 0 的硬件结构框图8 3 图5 9c a n 驱动数据流程8 7 图5 1 0 中断控制的报文发送( 左) 和报文接收流程( 右) 8 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：建! # _ 一日期：冲4 月2 胡 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：埠导师硌孥盗 日期：加7 年奉月劲日 第一章引言 第一章引言 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换的领域正在迅速覆 盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次睁8 l 。同时，信息技术的飞速发展， 也引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业 信息系统。现场总线就是在这种形势下逐渐发展起来的。 1 1 现场总线技术的发展及其特点 在过去的几十年中，工业过程控制仪表一直采用4 - 2 0 m a 标准的模拟信号。 随着微电子技术和大规模集成电路以及超大规模集成电路的迅速发展，微处理器 在过程控制装置、变送器、调节阀等仪表装置中的应用不断增加，出现了智能变 送器、智能调节阀等系列高新技术仪表产品，现代化的工业过程控制对仪表装置 在速度、精度、成本等诸多方面都有了更高的要求，导致了用数字信号传输技术 代替传统的模拟信号传输技术的需要翻【1 6 1 ，现场总线技术应运而生。 现场总线问世于2 0 世纪8 0 年代，最早由国际电工委员会( i e c ) 于1 9 8 5 年开始着手制定国际性现场总线标准，并将此标准命名为“f i e l d - b u s ”。此后，美 国仪表学会( i s a ) s p 5 0 也加入到该组织，但二者分歧很大，因此标准进度缓慢， 于是有的国家与一些大公司纷纷开始制订自己的标准。最终历经l s 年，结果出 现了1 2 种现场总线国际标准并存的局面，如：f f ( f i e l d - b u sf o u n d a t i o n ) 、c a n 总线、l o nw o r k s 总线等。 根据国际电工委员会( i e c ) 和美国仪表协会( i s a ) 的定义，现场总线是连 接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络t 一3 】， 它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通信。现场总线的具体任务 简单的说就是采集测量值、传送测量值和调节干预控制过程。它不仅包含有过程 控制信息交换，而且还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备 ( 智能变送器、调节阀、分析仪和分布式i o 单元) 可以方便地进行数据交换， 过程控制策略可以完全在现场设备层次上实现。 从现场总线的定义可以看出，现场总线具有以下特点【1 4 】【1 6 1 ： 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 全数字化的现场通信网络 现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的设备，使过去采 用点到点式的模拟量信号或开关量信号的单向并行传输变为多点一线的双向串行 数字式传输。 ( 2 ) 现场设备互连 现场设备是指位于生产现场的传感器、变送器和执行器等，这些现场设备可 以通过现场总线直接在现场实现互连，相互交换信息。而在d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 系统中，现场设备之间是不能直接交换信息的。 ( 3 ) 互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；互用性指不同 厂家的性能类似的设备可实现相互替换。这样就有可能在一个现场总线控制系统 中，连接多个制造商生产的设备。 ( 4 ) 系统结构的高度分散化 现场总线控制系统把功能块分散到现场仪表中执行，因此取消了传统的d c s 系统中的过程控制站。简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 5 ) 开放式互联网络 开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。现场总 线协议是一个完全开放的协议，采用公开化、标准化、规范化的通信协议。这就 意味着来自不同厂家的现场总线设备，只要符合同一种现场总线协议，就可以通 过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化。 ( 6 ) 现场总线供电 总线供电不仅简化了系统的安装布线，而且还可以通过配套的安全栅实现本 质安全系统，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中应用奠定了基础。 正是由于现场总线的种种优点，现场总线在现代工业控制和仪器测量等领域 有着广泛的应用，并取得了快速的发展。 1 2 现场总线技术发展过程中存在的问题及解决方案概述 由于历史和应用领域的原因，出现了多种现场总线并存的局面。在实际应用 中常常需要在不同种类的现场总线问进行数据通信以及用户需要对不同种类的现 场总线设备进行操作和控制，因此如何在实现这些不同种类现场总线间的互操作 以及向用户提供统一的接口供用户操作就成为一个追切的需要。 2 第一章引言 工业测控系统在控制层采用现场总线技术，而在管理层是采用以太网构成的 企业信息网1 1 6 。9 1 。以太网是i e e e 8 0 2 3 所支持的局域网标准，按照国际标准化组 织开发系统互联参考模型的7 层结构，以太网标准只定义了链路层和物理层1 2 0 1 。 作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。a p a r n e t 在制定了t c p i p 高层通信协议，并把以太网作为其数据链路层和物理层的协议之后，以太网便和 t c p i p 紧密地捆绑在一起了。以后，由于国际互联网采用了以太网和t c p i p 协 议，人们甚至把超文本传输协议h i q p 等与t c p i p 协议族放在一起，俗称为以 太网技术【2 l 】。工业网络的发展迫切需要与顶层信息网络融合，以实现信息共享， 满足对管理控制一体化的需求。因此，实现现场总线构成的测控网络与以太网构 成的管理信息网络相融合就成为目前需要解决的热点问题。实现互联以后，就可 以在操作室采集现场的测控数据并对现场的设备进行实时的控制。甚至，可以通 过互联网进行远程控制和设备维护【3 】。 如何设计一个互联网关，以实现多种现场总线之间、现场总线和以太网之间 的数据通信和互操作，并同时为用户提供统一的访问接口，就成为一个迫切的需 求。 目前对于多种现场总线之间、现场总线和以太网之间的互联，主要有封装、 组件、和隧道三种方式来实现。 ( 1 ) 封装技术 封装技术原是互联网中不同底层网络互联的一种技术。在互联网中，当一个 口数据包从源主机向目的主机传输时，中间会经过多个底层网络( 以太网，令牌 环网、点对点专线以及a t m 等) ，在传输过程中，它的i p 数据包保持不变，但数 据链路层却随着传输网络的不同而不断变化，这种上层信息保持不变、下层信息 根据需要改变封装的技术我们称之为封装技术。同样，可以将在互联网中已经普 遍使用的封装技术应用到控制网络中，并通过封装技术实现多种现场总线之间、 现场总线和以太网之间的互联。 鉴于现场总线种类繁多，我们借助o s i 参考模型来表示现场总线的协议栈。 以太网的协议栈通常采用五层结构，依次为物理层、数据链路层、网络层( 通常 为i p ) ，传输层( 通常为t c p 和u d p ) 以及应用层。现场总线协议栈和以太网协 议栈的对应关系如图1 - 1 所示。 电子科技大学硕士学位论文 ( 巫里) ( 巫至) 。应用层i 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 i 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 现场总线协议栈 以太网协议栈 图1 - 1 现场总线与以太网协议栈 为了更好的分析两种网络的互联，我们把应用层以下部分统称为通信部分， 它主要完成应用层有效数据端对端的传输功能。 用户层由运行在节点上的功能模块组成，它不属于网络协议栈。应用层的数 据到达节点后，通过用户层接口交给相应的功能模块处理；功能模块发送的数据 经用户层接口发送给应用层，然后交给通信部分进行传输。由此可见，要想保证 不同网络中用户应用的一致性，两种网络的应用层应保持一致。封装技术就是通 过保持以太网和现场总线中相同的应用层来实现两者的结合。 网关是实现两种网络互联的物理设备。数据帧从现场总线到达网关时，现场 总线的通信部分变为以太网的通信部分，应用层保持不变，并经过以太网送达目 的节点或主机，反之亦然。封装技术的工作原理如图1 2 所示。不同种现场总线 间的协议转换原理也基本一样。 现场总线协议栈以太网协议栈 豪：蝴j 嚣? 一磊 r _ 一，+ 匾甬强0 i 表示层 会话层 传输层 传输层网络层 网络层 数据链路层 数据链路层 物理层 物理层 现之：矗。i 魔。三i i ! 三网 州大 图l - 2 封装技术示意图 4 第一章引言 ( 2 ) 组件技术 在应用软件开发中，为了使不同的应用程序能够有统一的接口，实现不同应 用程序间的数据共享，m i c r o s o f t 公司提出了组件对象模型( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ，c o m ) 的概念。利用组件模型，一个系统分解为若干个组件，各个组件分 别完成不同的功能。由于采用统一的接口，因此一个组件发生的变化( 如修改代 码后重新编译) 不会影响其他组件，从而实现了软件的有机集成。 d c o m ( d i s t r i c u t e dc o m ，分布式组件对象模型) 是c o m 的扩展瞄】，它在 c o m 的基础上增加了网络访问能力。能够支持在局域网、广域网甚至是i n t e m e t 上不同计算机对象之间的通信。基于d c o m 的应用程序可以在位置上达到分布 性，从而有效地实现了分布环境下不同应用间数据与信息的共享。我们把这种技 术称为组件技术。 以太网和现场总线的结合可以采用组件技术。在这种情况下，网关设备一端 与现场总线相连，另一端与以太网相连。网关中运行组件对象进程，并通过组件 对象进程与以太网上的其他节点实现信息共享。 由于组件技术是一项软件技术，因此，从网络的角度看，它是驻留在节点上 的应用进程，处于网络协议栈上面的用户层，在实现时，需要在网关设备上进行 用户层相关数据的处理。组件技术的示意图如图1 - 3 所示。 ( 3 ) 隧道技术 现场总线协议栈以太网协议栈 麓曼藏用屡基霭 g 艇斑滋。鼍 表示层 会话层 传输层 。传输层网络层 网络层 数据链路层 数据链路层 物理层 物理层 ，见+ ：蠢一；一，：j ：网 “”。“i网关 图1 - 3 组件技术示意图 5 电子科技大学硕士学位论文 在i p 网中，有时会存在这样一种应用，即：若干小型的网络通过i p 骨干网 络连接在一起，但这些小型网络运行的协议为i p x ，a p p l e t a l k 等非i p 网络协议， 为了使这些分散的非i p 网络能够互通，在实现时，往往需要将这些非i p 的数据 报文原封不动的作为t c p i p 的应用层打包到i p 报文之上，并经i p 网传送到目的 网络。到达目的网络后，由目的网关将相应的报文从口报文中卸载下来，并经非 口的网络将数据包送交目的节点。 从两个分散的非p 网络来看，它们之间的互联时通过m 网中的一条虚拟专 用的隧道完成的，就如同在口网络中提供了一条隧道一般，因此，我们将这种实 现技术称为隧道技术。 隧道技术也可以应用到多现场总线之间、以太网和现场总线之间的结合中。 采用隧道技术后，现场总线的数据报文到达网关设备后，网关设备不对数据报文 做任何处理，而是直接将数据报文封装到t c p 口协议栈的应用层中。到达目的网 关后，网关再将原数据报文从t c p i p 协议栈中提取出来。隧道技术的通信协议栈 工作示意图如图1 4 所示。 现场总线协议栈 以太网协议栈 磁崩鏖”、 i 虑用层 i 表示层。 、 传输层 霹会逯蕨l 。 彗一传输层”j 网络层 羹+ 。髓绛屋一鏊， 数据链路层 数据链路层 物理层 物理层 ，- ：? ：一 一，一一 现场总线f 。 以太网 州大 1 3 论文主要研究内容 图l _ 4 隧道技术示意图 为实现不同现场总线之间、现场总线和以太网之间的互联，本论文提出了一 种基于a r m ，、7 x w b r k s 的多现场总线互联网关。本论文将以r s 4 8 5 总线和c a n 总线为例，讨论它们之间的互联以及它们与以太网之间的互联。本论文中采取的 6 第一章引言 基本思路是：以交换式以太网为各种现场总线数据通信的主干网络，通过实现不 同现场总线和以太网的互联来实现不同种现场总线之间的互联。本论文将从该互 联网关的总体结构设计、硬件平台特征和软件程序设计等方面进行探讨和研究， 重点研究基于a r m v x w o r k s 互联网关的b s p 程序设计和驱动程序设计。 1 4 论文结构 本论文共分六章，第一章主要介绍了现场总线技术的发展及其特点、现场总 线技术发展过程中存在的主要问题及解决方案、本论文的主要研究内容等。第二 章对本论文所涉及到的相关技术基础进行了介绍，包括：现场总线技术、以太网 技术、a r m 技术、v x w o r k s 实时操作系统相关技术。第三章从互联网关的系统 结构设计、硬件平台特征和软件设计三个方面论述了基于a r m v x w o r k s 互联网 关的总体设计方案。第四章和第五章是本论文的重点部分。其中第四章详细介绍 了基于a r m v x w o r k s 技术的b s p 相关的基本概念和基础知识，并在此基础上结 合互联网关的硬件特点重点探讨了基于a l l m x w o r k s 互联网关的b s p 程序设 计。第五章结合v x w o r k s 操作系统下驱动程序的管理策略和各硬件模块的特点详 细介绍了互联网关的串口驱动程序设计、n a n d f l a s h 驱动程序设计、网卡设备的驱 动程序设计、c a n 控制器驱动程序设计。最后章对本论文作了总结，并对今后 的研究工作进行了展望。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章相关技术基础 本章主要介绍论文中涉及的现场总线技术、以太网技术、a r m 技术和 v x w o r k s 技术的一些基本概念和基础知识。 2 1 现场总线技术 现场总线技术是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间 的全数字化、多站总线式的双向多信息数字通讯的通讯规程，是互相操作以及数 据共享的公共协议。本节将介绍论文中出现的两种现场总线技术：c a n 总线技术 和r s 4 8 5 总线技术。 2 1 1c a n 总线技术 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) b p 控制器局域网，最初被用来连接汽车内部基 于微控制器的各个部件瞄】。如今，c a n 协议也被广泛地用于制造自动化和分布式 过程控制领域【2 4 l 。在1 9 9 3 年形成了国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，有c a n 2 o a 和c a n 2 0 1 3 两个版本。c a n 总线属于现场总线的范畴，是一种有效的支持分布式控制或实时 控制的串行通信网络，与一般通信总线相比，具有突出的优点1 2 5 - 2 7 】： ( 1 ) c a n 总线属于多主方式工作，网络上任一节点均可以在任意时刻主动 的向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。 ( 2 ) c a n 总线网络上的节点信息分成不同的优先船【2 朝，可满足不同的实时 要求，高优先级的数据至多在1 3 4 u s 内得到传输。 ( 3 ) c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信 息时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而优先级高的节点可不受影响地继 续传输数据，从而大大节省了总线仲裁的时间。 ( 4 ) c a n 总线只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广 播等方式传送数据，无需专门的调度。 ( 5 ) c a n 总线的直接通信距离可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最 高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 8 第二苹相关技术基础 ( 6 ) c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报 文标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符几乎 不受限制。 ( 7 ) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 ( 8 ) c a n 的通信介质为双绞线，同轴电缆或光纤，选择灵活。 ( 9 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有关闭输出功能，以使总线上其他节 点的操作不受影响。 2 1 1 1o a n 的通信参考模型 参照i s o o s i 标准模型，c a n 分为数据链路层( 包括逻辑链路控制子层l l c 和介质访问控制子层m a c ) 和物理层1 2 9 0 0 ，c a n 的通信参考模型见图2 - 1 所示。 例2 - 1c a n 通信模型的分层结构 1 、数据链路层 按照i e e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路层又分为逻辑链路控制l l c ( l o g i c l i n kc o n t r 0 1 ) 和介质访问控制m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) ，在c a n 技术规 范2 0 版本中，l l c 和m a c 子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。 ( 1 ) 逻辑链路控制子层l l c l l c 子层的主要功能是：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 9 电子科技大学硕士学位论文 帧接收滤波：在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前的帧 跃变无关。帧内容由标识符命名，标识符并不能指明帧的目的地，但描述帧数据 的含义，每个接收器通过接收滤波确定此帧是否与自己有关。 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个l l c 数据帧或远程帧，则通 过l l c 子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或远 程帧。 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层具有自动 重发送的功能，在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。 ( 2 ) 介质访问控制子层m a c m a c 子层是c a n 协议的核心，它描述由l l c 子层接收到的报文和对l l c 子层发送的认可报文。m a c 子层由一被称为故障界定的管理实体监控，它具有 识别永久故障或短暂扰动的自动机制。 按照i e e e 8 0 2 3 标准，m a c 子层划分为完全独立工作的两个部分：发送部分 和接收部分。 发送部分功能包括发送数据封装和发送介质访问管理。发送数据封装包括： 接收l l c 帧和接口控制信息，c r c 循环计算；通过向l l c 帧附加s o f 、r t r 、 保留位、a c k 、c r c 和e o f 构造m a c 帧。发送介质访问管理包括：在确定总 线空闲后，开始发送过程( 通过帧间空闲应答) ，m a c 帧串行化，插入填充位， 在丢失仲裁的情况下，退出仲裁并转入接收方式，错误检测和应答校验，确认超 载条件，构造超载帧并开始发送，构造出错帧并开始发送，输出位流至物理层准 备发送。 接收部分功能包括接收介质访问管理和接收数据卸装。接收介质访问管理包 括：由物理层接收串行位流，解除串行结构并重新构筑帧结构，检测填充位，错 误检测和发送应答，构造出错帧并开始发送，确认超载条件，重激活超载结构并 开始发送。接收数据卸装包括从接收帧中去掉m a c 层特点信息，输出l l c 帧和 接口控制信息至l l c 子层。 2 、物理层 按照i e e e 8 0 2 3 l a n 标准规范，物理层又划分为： ( 1 ) 物理介质附件p m a ( p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 实现总线发送接收的功能电路并可提供总线故障检测方法。 ( 2 ) 介质依靠接口m d i ( m e d i u md e p e n d e n t i n t e r f a c e ) 第二章相关技术基础 实现物理介质与介质访问单元m a u ( m e d i u m a c c e s su n i t ) 之间机械和电气 接口。m a u 表示用于耦合节点至发送介质的物理层的功能部分，由p m a 和m d i 构成。 ( 3 ) 物理信令p l s ( p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 实现与位表示、定时和同步相关的功能。 2 1 1 2c a n 的帧结构 c a n 报文传送由4 种不同类型的帧表示和控制【3 1 】：数据帧携带数据由发送器 至接收器；远程帧用以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧由检测出总线 错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前和后续数据帧之间的附加延迟。数据 帧和远程帧借助帧间空间与当前帧分开。 1 、数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、 应答场和帧尾，数据长度可以为0 。c a n 2 0 a 数据帧的组成见图2 2 所示。 幽2 - 2 c a n 数据帧结构 数据帧的各个组成部分说明如下： ( 1 ) 帧起始( s o f ) 标志数据帧和远程帧的开始，它仅由一个显位构成，只 有总线处于空闲时，才允许节点开始发送，所有节点都必须同步于首先开始发送 的那个节点的帧起始位前沿。 ( 2 ) 仲裁场由标识符和远程发送请求位( r t r ) 组成。对于c a n 2 0 a 标准， 标识符的长度为l l 位，这些位以从高位到低位的顺序发送，最低位为i d 0 ，其 中最高7 位不能全为隐位。r t r 位在数据帧中必须是显位，而在远程帧中必须是 隐位。 ( 3 ) 控制场由6 位组成，包括4 位数据长度码和两位保留位。 ( 4 ) 数据场由数据帧中被发送的数据组成，它可包括0 8 字节，每个字节 8 位，首先发送的是最高有效位。 电子科技大学硕士学位论文 ( 5 ) c r c 场包括c r c 序列，后随c r c 界定符。c r c 序列由循环冗余校验 码求得的帧检查序列组成。 ( 6 ) 应答场( a c k ) 为两位，包括应答间隙额、应答界定符。 (