【工控研究】嵌入式系统中高实时性CAN通信方案对比研究
在嵌入式系统领域，控制器局域网络（CAN）协议广泛应用于工业自动化、汽车电子及其他需要高实时性的环境。传统CAN通信方案通常依赖于Linux用户态下的通用Socket CAN编程。这种方式的优点在于其使用了标准的Socket API，易于理解和使用。然而，其缺点也是显而易见的，尤其在需要严格实时性的应用场合。
本文将分析传统Socket CAN方案存在的局限性，并探讨基于用户态直接读写硬件寄存器的解决方案，以应对严格实时性需求。
传统Socket CAN方案
使用Socket CAN的主要问题在于其实时性。Socket API调用依赖操作系统调度，频繁的系统调用会增加内核态与用户态切换的资源开销，从而导致消息延迟。在高频率数据交互场景中（如1ms周期通信），这种延迟可能影响系统稳定性。例如，当系统负载较高时，消息传递的延迟与抖动现象会更加显著。因此，在对实时性要求严格的场景中，传统Socket CAN方案可能无法满足应用需求。
望获实时Linux系统方案：用户态下直接读写硬件寄存器
为了提升Socket CAN方案的实时性，望获实时Linux提出了一种优化方法，允许用户态程序直接与硬件交互。该方案通过绕过操作系统的中间层，使应用程序能够直接访问硬件寄存器，从而消除了系统调用带来的延迟和资源开销。
在该方案下，开发者可以在应用程序中直接控制CAN接口，通过硬件寄存器完成数据传输。这种方式减少了数据传输的延迟，提升了交互的稳定性，确保信息的快速与准确传递。此外，该方案支持多种硬件平台的适配，能够灵活应对不同应用场景的需求变化。
测试环境
本次测试采用创龙3576板卡，通过连接CAN0和CAN1接口，验证两种方案下的CAN通信性能。
传统方案
测试工具：使用cansend和candump命令。
发送周期：设定为1毫秒，同时在施加hackbench压力的条件下进行测试，测试持续时间为1小时。
数据交互测试：记录从发送到接收的最短时间、最长时间以及最大抖动值。
测试结果：
在hackbench压力测试下，Socket CAN的测试结果如下：
最短时间：374微秒
最长时间：1900000微秒
最大抖动：144059微秒
在无压力测试条件下，结果如下：
最短时间：281微秒
最长时间：993微秒
最大抖动：127微秒
望获实时Linux优化方案
测试方案：采用望获实时Linux专用CAN程序，运行在绑定的隔离核心上，并将中断绑定至指定的CPU。
发送周期：设定为1毫秒，在hackbench压力下进行为期1小时的测试。
数据交互测试：记录从发送到接收的最短时间、最长时间以及最大抖动值。
测试结果：
最短时间：128微秒
最长时间：147微秒
最大抖动：12微秒
从测试结果来看，基于用户态直接与硬件交互的CAN通信方案在实时性上显著优于传统的Socket CAN方案。该方案通过绕过操作系统直接访问硬件寄存器，减少了上下文切换和资源开销，从而降低数据传输延迟。这种性能的提升对工业自动化、汽车电子和机器人系统等需要快速响应的应用至关重要。这些领域要求系统在极短时间内处理事件，以确保正常运行和安全性。
该方案将数据交互控制权置于用户态程序，减少了系统调用开销，提升了效率和系统可靠性。测试数据显示，该方案在最短消息传递时间和最大抖动等关键指标上优于传统方案，适用于高性能需求场景。
该研究为更高效的CAN通信系统提供了新的视角与解决方案，推动了嵌入式系统中CAN通信技术的发展，并为未来在其他领域的应用创造了新的可能性。随着行业对实时性能需求的提升，该方案有望在更多领域得到验证。
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