【工控研究】嵌入式系統中高實時性CAN通信方案對比研究

在嵌入式系統領域，控制器局域網絡（CAN）協議廣泛應用于工業自動化、汽車電子及其他需要高實時性的環境。傳統CAN通信方案通常依賴于Linux用戶態下的通用Socket CAN編程。這種方式的優點在于其使用了標準的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用場合。

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

傳統Socket CAN方案

使用Socket CAN的主要問題在于其實時性。Socket API調用依賴操作系統調度，頻繁的系統調用會增加內核態與用戶態切換的資源開銷，從而導致消息延遲。在高頻率數據交互場景中（如1ms周期通信），這種延遲可能影響系統穩定性。例如，當系統負載較高時，消息傳遞的延遲與抖動現象會更加顯著。因此，在對實時性要求嚴格的場景中，傳統Socket CAN方案可能無法滿足應用需求。

望獲實時Linux系統方案：用戶態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提出了一種優化方法，允許用戶態程序直接與硬件交互。該方案通過繞過操作系統的中間層，使應用程序能夠直接訪問硬件寄存器，從而消除了系統調用帶來的延遲和資源開銷。

在該方案下，開發者可以在應用程序中直接控制CAN接口，通過硬件寄存器完成數據傳輸。這種方式減少了數據傳輸的延遲，提升了交互的穩定性，確保信息的快速與準確傳遞。此外，該方案支持多種硬件平臺的適配，能夠靈活應對不同應用場景的需求變化。

測試環境

本次測試采用創龍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。

傳統方案

測試工具：使用cansend和candump命令。

發送周期：設定為1毫秒，同時在施加hackbench壓力的條件下進行測試，測試持續時間為1小時。

數據交互測試：記錄從發送到接收的最短時間、最長時間以及最大抖動值。

測試結果：

在hackbench壓力測試下，Socket CAN的測試結果如下：

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。

發送周期：設定為1毫秒，在hackbench壓力下進行為期1小時的測試。

數據交互測試：記錄從發送到接收的最短時間、最長時間以及最大抖動值。

測試結果：

最短時間：128微秒

最長時間：147微秒

最大抖動：12微秒

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

該方案將數據交互控制權置于用戶態程序，減少了系統調用開銷，提升了效率和系統可靠性。測試數據顯示，該方案在最短消息傳遞時間和最大抖動等關鍵指標上優于傳統方案，適用于高性能需求場景。

該研究為更高效的CAN通信系統提供了新的視角與解決方案，推動了嵌入式系統中CAN通信技術的發展，并為未來在其他領域的應用創造了新的可能性。隨著行業對實時性能需求的提升，該方案有望在更多領域得到驗證。

為了讓更多企業用戶親身體驗望獲實時Linux帶來的卓越性能和實時性優勢，望獲實時Linux官網特別推出了限時免費下載鏡像試用活動。立即點擊下方鏈接https://www.onewos.com/，只需簡單幾步操作，即可獲得望獲實時Linux V2正式版的軟件功能體驗。