在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、汽車電子及其他需要高實時性的環(huán)境。傳統(tǒng)CAN通信方案通常依賴于Linux用戶態(tài)下的通用Socket CAN編程。這種方式的優(yōu)點在于其使用了標(biāo)準(zhǔn)的Socket API，易于理解和使用。然而，其缺點也是顯而易見的，尤其在需要嚴格實時性的應(yīng)用場合。

本文將分析傳統(tǒng)Socket CAN方案存在的局限性，并探討基于用戶態(tài)直接讀寫硬件寄存器的解決方案，以應(yīng)對嚴格實時性需求。

傳統(tǒng)Socket CAN方案

使用Socket CAN的主要問題在于其實時性。Socket API調(diào)用依賴操作系統(tǒng)調(diào)度，頻繁的系統(tǒng)調(diào)用會增加內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)切換的資源開銷，從而導(dǎo)致消息延遲。在高頻率數(shù)據(jù)交互場景中（如1ms周期通信），這種延遲可能影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。例如，當(dāng)系統(tǒng)負載較高時，消息傳遞的延遲與抖動現(xiàn)象會更加顯著。因此，在對實時性要求嚴格的場景中，傳統(tǒng)Socket CAN方案可能無法滿足應(yīng)用需求。

望獲實時Linux系統(tǒng)方案：用戶態(tài)下直接讀寫硬件寄存器

為了提升Socket CAN方案的實時性，望獲實時Linux提出了一種優(yōu)化方法，允許用戶態(tài)程序直接與硬件交互。該方案通過繞過操作系統(tǒng)的中間層，使應(yīng)用程序能夠直接訪問硬件寄存器，從而消除了系統(tǒng)調(diào)用帶來的延遲和資源開銷。

在該方案下，開發(fā)者可以在應(yīng)用程序中直接控制CAN接口，通過硬件寄存器完成數(shù)據(jù)傳輸。這種方式減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，提升了交互的穩(wěn)定性，確保信息的快速與準(zhǔn)確傳遞。此外，該方案支持多種硬件平臺的適配，能夠靈活應(yīng)對不同應(yīng)用場景的需求變化。

測試環(huán)境

本次測試采用創(chuàng)龍3576板卡，通過連接CAN0和CAN1接口，驗證兩種方案下的CAN通信性能。

傳統(tǒng)方案

測試工具：使用cansend和candump命令。

發(fā)送周期：設(shè)定為1毫秒，同時在施加hackbench壓力的條件下進行測試，測試持續(xù)時間為1小時。

數(shù)據(jù)交互測試：記錄從發(fā)送到接收的最短時間、最長時間以及最大抖動值。

測試結(jié)果：

在hackbench壓力測試下，Socket CAN的測試結(jié)果如下：

最短時間：374微秒

最長時間：1900000微秒

最大抖動：144059微秒

在無壓力測試條件下，結(jié)果如下：

最短時間：281微秒

最長時間：993微秒

最大抖動：127微秒

望獲實時Linux優(yōu)化方案

測試方案：采用望獲實時Linux專用CAN程序，運行在綁定的隔離核心上，并將中斷綁定至指定的CPU。

發(fā)送周期：設(shè)定為1毫秒，在hackbench壓力下進行為期1小時的測試。

數(shù)據(jù)交互測試：記錄從發(fā)送到接收的最短時間、最長時間以及最大抖動值。

測試結(jié)果：

最短時間：128微秒

最長時間：147微秒

最大抖動：12微秒

從測試結(jié)果來看，基于用戶態(tài)直接與硬件交互的CAN通信方案在實時性上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的Socket CAN方案。該方案通過繞過操作系統(tǒng)直接訪問硬件寄存器，減少了上下文切換和資源開銷，從而降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。這種性能的提升對工業(yè)自動化、汽車電子和機器人系統(tǒng)等需要快速響應(yīng)的應(yīng)用至關(guān)重要。這些領(lǐng)域要求系統(tǒng)在極短時間內(nèi)處理事件，以確保正常運行和安全性。

該方案將數(shù)據(jù)交互控制權(quán)置于用戶態(tài)程序，減少了系統(tǒng)調(diào)用開銷，提升了效率和系統(tǒng)可靠性。測試數(shù)據(jù)顯示，該方案在最短消息傳遞時間和最大抖動等關(guān)鍵指標(biāo)上優(yōu)于傳統(tǒng)方案，適用于高性能需求場景。

該研究為更高效的CAN通信系統(tǒng)提供了新的視角與解決方案，推動了嵌入式系統(tǒng)中CAN通信技術(shù)的發(fā)展，并為未來在其他領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了新的可能性。隨著行業(yè)對實時性能需求的提升，該方案有望在更多領(lǐng)域得到驗證。

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