王保和

（電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）

嵌入式Linux下CAN總線驅(qū)動程序設(shè)計

王保和

（電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）

嵌入式Linux下開發(fā)各類CAN總線設(shè)備，需設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動程序，以CAN控制器MCP2510為例，詳細(xì)介紹了CAN總線控制器硬件接口設(shè)計,以及嵌入式Linux下設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)流程和技巧，結(jié)合CAN控制器的特點(diǎn)，設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作代碼來實現(xiàn)CAN控制器的設(shè)備驅(qū)動程序。

嵌入式Linux；CAN總線；S3C2440；設(shè)備驅(qū)動程序；MCP2510

（一）引言

CAN現(xiàn)場總線已經(jīng)成為在儀表裝置通信的新標(biāo)準(zhǔn)，其在短距離條件下具有高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸能力，由于其成本低，實時性好，抗干擾能力強(qiáng)，因此廣泛應(yīng)用于車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。與此同時，利用 ARM處理器具有高性能耗能低等優(yōu)點(diǎn)和嵌入式 linux的多任務(wù)處理的能力，在ARM和嵌入式Linux平臺下開發(fā)CAN總線系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。本文主要介紹如何在基于ARM和嵌入式linux平臺下開發(fā)CAN總線控制器的驅(qū)動程序。

（二）CAN 控制器與S3C2440硬件接口設(shè)計

CAN節(jié)點(diǎn)主要有微控制器，CAN控制器，CAN收發(fā)器組成，在本設(shè)計中采用三星S3C2440作為微控制器，CAN控制器和收發(fā)器采用的是Microchip公司的MCP2510和MCP2551，S3C2440是一款A(yù)RM9TDMI內(nèi)核的RISC處理器，CPU主頻最高可達(dá)500M，處理速度快，可滿足 CAN節(jié)點(diǎn)實時性高的需求，但由于其片內(nèi)不帶CAN控制器，所以硬件上需要外擴(kuò)CAN控制器MCP2510，MCP2510完全支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B等版本的協(xié)議，能夠發(fā)送和接受標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展報文，它還同時具備驗收濾波以及報文管理功能，它與微控制器的通訊是采用SPI口實現(xiàn)的，其 SPI口數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 5Mb/s，同時高速 CAN收發(fā)器MCP2551把 CAN控制器生成的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成為適合總線傳輸?shù)牟罘中盘?，它也為CAN控制器和CAN總線的之間加入了緩沖器可以有效抑制高壓尖峰信號，具有很強(qiáng)的抗噪特性。在本設(shè)計中S3C2440被設(shè)置為SPI的主設(shè)備，MCP2551作為從設(shè)備，GPG6引腳控制對從設(shè)備的操作，MISO是主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出，MOSI是主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入，在這里為了減少I/O口占用，MCP2510采用通用中斷引腳與S3C2440的外部中斷1相連，MCP2510與S3C2440硬件接口電路如圖1所示：

圖1 MCP2510與S3C2440硬件接口電路

（三）MCP2510的讀寫與狀態(tài)控制操作

MCP2510是Microchip公司推出的功能很強(qiáng)的CAN控制器，該芯片包含三個發(fā)送緩存和兩個接收緩存，可以對發(fā)送優(yōu)先級進(jìn)行管理，可濾除無用信息，其主要功能是在 MCU的控制下實現(xiàn) CAN規(guī)范，其內(nèi)部的所有寄存器都映射在一個地址表上，MCU通過 SPI口發(fā)送相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)來完成對MCP2510的初始化，工作狀態(tài)的控制以及數(shù)據(jù)的讀寫。在實現(xiàn)驅(qū)動程序之前需要完成對 MCP2510進(jìn)行讀寫或控制的底層函數(shù)，而這些函數(shù)主要是根據(jù) SPI口的通信時序完成 MCP2510的讀寫操作或狀態(tài)控制如下：比如MCP2510的SPI口寫時序如圖2所示，可以按照此時序?qū)崿F(xiàn)對MCP2510進(jìn)行寫操作的的底層函數(shù)。其他的操作以此類推。

圖2 MCP2510的SPI口寫時序

write2510（u8 cmd，u8 addr，u8 data）

{CS_L；//拉低GPG6引腳啟動對MCP2510的操作

iowrite8（cmd，SPTDAT0）；//寫指令到 SPI 口

wait；//等待發(fā)送操作完成

iowrite8（addr，SPTDAT0）；//寫地址到SPI口

wait；//等待發(fā)送操作完成

iowrite8（data，SPTDAT0）；//寫數(shù)據(jù)到SPI口

wait；//等待發(fā)送操作完成

CS_H；//拉高GPG6引腳結(jié)束對MCP2510的操作

}

（四）CAN控制器驅(qū)動程序的接口

由于對MCP2510的控制是以字節(jié)為單位逐個進(jìn)行I/O操作的設(shè)備，所以其屬于字符設(shè)備，驅(qū)動程序是用戶應(yīng)用程序與硬件的接口，需要屏蔽設(shè)備的工作細(xì)節(jié)提供給用戶程序一系列的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用，其主要就是調(diào)用操作 MCP2510的底層函數(shù)實現(xiàn)open,read，write，ioctl，release等系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，來完成與內(nèi)核的通信，為了方便用戶程序與驅(qū)動的交互，可以根據(jù)CAN控制器的工作特點(diǎn)定義MCP2510的設(shè)備結(jié)構(gòu)體。MCP2510設(shè)備結(jié)構(gòu)體的定義

struct MCP2510{

wait_queue_head_t read_wq;//讀進(jìn)程的等待隊列

wait_queue_head_t write_wq;//寫進(jìn)程的等待隊列

unsigned char en_read;//讀進(jìn)程等待的條件

unsigned char en_write;//寫進(jìn)程等待的條件

struct CANR_MSG rec_buf;//接收報文緩沖器

struct CANT_MSG tra_buf;//發(fā)送報文緩沖器

struct SET_FILTER set_filter; //MCP2510寄存器配置

struct cdev cdev； // 字符設(shè)備結(jié)構(gòu)體

}

CANR_MSG結(jié)構(gòu)體作為接收報文的緩沖區(qū)，CANR_MSG結(jié)構(gòu)體作為發(fā)送報文的緩沖區(qū)，en_read是讀進(jìn)程等待隊列的等待標(biāo)志，en_write是寫進(jìn)程等待隊列的等待標(biāo)志，在驅(qū)動程序中運(yùn)用這種機(jī)制可以很好地解決與應(yīng)用程序通信的問題，定義 SET_FILTER結(jié)構(gòu)體是為了用戶應(yīng)用程序可以配置MCP2510。

1.open函數(shù)的實現(xiàn)

open函數(shù)實現(xiàn)對S3C2440的SPI口的初始化，以及通過SPI口對MCP2510的寄存器進(jìn)行相應(yīng)的初始化。包括CAN總線波特率的設(shè)置，設(shè)置報文濾波以及屏蔽寄存器，開啟中斷使能等。

2.ioctl函數(shù)的實現(xiàn)

該函數(shù)在 linux中標(biāo)準(zhǔn)定義是 int （*ioctl）（struct inode* inode，struct file* filp，unsigned int cmd，unsigned long arg），用戶程序可以通過傳遞參數(shù)給該函數(shù)實現(xiàn)對MCP2510的控制，其中形參cmd是命令，arg是命令的參數(shù)，cmd可以控制CAN控制器復(fù)位，進(jìn)入各種模式，如配置，監(jiān)聽，正常，回環(huán)，睡眠等模式，還可以配置有關(guān)報文濾波的寄存器，因此可實現(xiàn)用戶程序動態(tài)配置所需要接收的報文，其中arg是用戶程序傳遞的一個指向SET_FILTER結(jié)構(gòu)體的用戶空間指針。

3.read函數(shù)的實現(xiàn)

當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用read函數(shù)讀取接收的報文時，必須等待en_read這個變量變?yōu)?1，如果為 1的話，就會調(diào)用copy_to_user函數(shù)將儲存在內(nèi)核空間的報文數(shù)據(jù)（即設(shè)備結(jié)構(gòu)體MCP2510里面的CANR_MESSAGE）拷貝到用戶空間，否則該進(jìn)程就會進(jìn)入 read_wq等待隊列，直到接收中斷程序中喚醒它。

4.write函數(shù)的實現(xiàn)

當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用 write函數(shù)發(fā)送報文時，將同樣需要等待 en_write變量，當(dāng)發(fā)送完一幀報文后中斷程序就會將en_write變量置位，這時將調(diào)用 copy_from_user 函數(shù)將用戶空間的報文數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間的發(fā)送緩沖區(qū)（即設(shè)備結(jié)構(gòu)體MCP2510里面的CANT_MESSAGE），然后將MCP2510中的發(fā)送緩沖控制寄存器（TXBnCTL）的TXREQ置位，啟動報文發(fā)送請求。

5.release函數(shù)的實現(xiàn)

關(guān)閉設(shè)備，以及釋放申請的中斷號和分配的內(nèi)存空間。

6.中斷函數(shù)的實現(xiàn)

Linux內(nèi)核將所有的中斷統(tǒng)一編號，使用一個 irq_desc結(jié)構(gòu)數(shù)組來描述這些中斷；每個數(shù)組項對應(yīng)一個中斷號，里面記錄了中斷處理函數(shù)入口，底層的硬件訪問接口，中斷狀態(tài)等，嵌入式 linux內(nèi)核會維護(hù)一個中斷信號線注冊表，所以在使用中斷前必須先申請中斷號，使用完之后要釋放該中斷號，這里使用的就是函數(shù) request_irq（IRQ_EINT1，can_interrupt,IRQT_FALLING,DEVICE_NAME,dev_id）；來注冊一個中斷處理程序，IRQ_EINT1是所要申請的中斷號，can_interrupt是中斷處理函數(shù)的指針，IRQT_FALLING是中斷觸發(fā)的方式，這里選擇的是下降沿觸發(fā)，DEVICE_NAME是產(chǎn)生中斷的設(shè)備名稱，dev_id主要用于共享中斷線，當(dāng)一個中斷處理程序需要釋放時，內(nèi)核可以根據(jù)該參數(shù)找到中斷處理函數(shù)鏈表中的需要刪除的中斷處理程序, 由于 MCP2510的中斷比較多，所以在中斷處理程序需要處理各緩沖器的接收和發(fā)送中斷以及喚醒和錯誤處理。中斷函數(shù)代碼片段如下：

icode=read2510(0x0e)&0x0e;//讀取CANSTA寄存器

switch(icode)

{case 0x0c://接收緩沖器0中斷

for(i=1;i＜=13;i++)

{rbaddr=(icode＜＜3)+i;

temp=read2510(rbaddr)；

*((unsigned char *)(&mcp2510-＞rbuf)+i-1)=temp;

}//拷貝接收到的報文ID和數(shù)據(jù)到設(shè)備結(jié)構(gòu)體的緩沖區(qū)

mcp2510-＞en_read=1;//將讀使能標(biāo)志置1

modbits2510(0x2c,0x01,0x00); //清除中斷標(biāo)志

wake_up_interruptible(&mcp2510-＞read_wq);//喚醒正在等待的讀進(jìn)程

break;

case 0x0a://接收緩沖器1中斷

…...

}

上述代碼中icode保存的是從MCP2510的CANSTA寄存器中讀取的中斷信息，將icode值左移3位即可得到接收緩沖器0在CAN控制器中的寄存器映射地址，然后將接收到的報文ID和數(shù)據(jù)拷貝到設(shè)備結(jié)構(gòu)體中的CANR_MSG類型緩沖器，然后喚醒讀進(jìn)程，用戶應(yīng)用程序就可以得到底層硬件接收到的報文數(shù)據(jù)。其他的中斷都可以按這種方法實現(xiàn)。

（五）模塊化驅(qū)動程序的注冊

Linux驅(qū)動程序的開發(fā)有兩種實現(xiàn)方式，一種是直接將相關(guān)的驅(qū)動程序編譯進(jìn)內(nèi)核，但這樣勢必會造成內(nèi)核非常龐大，而且在開發(fā)中非常不方便，每次得重新燒寫內(nèi)核鏡像。另外一種就是將具體的設(shè)備驅(qū)動程序獨(dú)立編譯，成為可安裝的模塊，可以動態(tài)地加載和卸載模塊。本文采用后一種方式，因此需要實現(xiàn) init_module和 cleanup_module函數(shù)，init_module函數(shù)會調(diào)用 register_chrdev函數(shù)來申請設(shè)備號，同時動態(tài)地給設(shè)備結(jié)構(gòu)體分配空間，而cleanup_module函數(shù)則實現(xiàn)在卸載模塊時的釋放內(nèi)存空間，注銷主設(shè)備號，以及釋放中斷號等。

（六）驅(qū)動程序的編譯

在編寫完嵌入式 linux驅(qū)動程序后，需要將驅(qū)動程序添加到內(nèi)核中，然后編譯內(nèi)核，具體步驟如下：

1.將驅(qū)動程序 mcp2510.c文件拷貝到內(nèi)核的drivers/char目錄下，該目錄下是字符設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序。

2.修改drivers/char目錄下的Kconfig文件，添加如下腳本：

config MCP2510

tristate 〝CAN controler driver〞

default m

help

XXXXXXXX

添加這段腳本意味著在配置內(nèi)核時，在字符設(shè)備驅(qū)動的配置菜單中就會有相應(yīng)的 MCP2510這個選項，這個驅(qū)動模塊可以配置為編譯進(jìn)內(nèi)核，編譯為模塊，要么不編譯，在這里默認(rèn)的是編譯為模塊，“help”后面的內(nèi)容為幫助信息。在內(nèi)核頂層目錄下運(yùn)行make menuconfig 后會生成.config文件，該文件決定文件是否編譯進(jìn)內(nèi)核或模塊。

3.修改drivers/char目錄下的Makefile文件，在其中添加obj-$(CONFIG_MCP2510)=

MCP2510.o，在這里CONFIG_MCP2510的變量值為m，表示該文件要作為模塊編譯，可以在第二步生成的.config文件中找到該變量的賦值。

4.在內(nèi)核源代碼頂層目錄下運(yùn)行make modules命令，就會在drivers/char目錄下生成MCP2510.ko文件。

（七）驅(qū)動程序模塊的加載與測試

現(xiàn)在將驅(qū)動程序MCP2510.ko和用戶測試程序從PC交叉編譯平臺拷貝到arm+linux平臺下，也可以通過NFS服務(wù)掛載宿主機(jī)下的目錄，這樣更易于調(diào)試，運(yùn)行 insmod MCP2510.ko這時可以查看/proc/devices文件可以看到加載的設(shè)備信息，查看/proc/interrupts文件可以看到申請的中斷號信息，當(dāng)這些都沒問題時就可以運(yùn)行用戶測試程序./mcp2510_test.o。

（八）結(jié) 語

本文介紹了基于ARM平臺的CAN總線設(shè)備的硬件接口設(shè)計以及在嵌入式linux系統(tǒng)下開發(fā)CAN控制器的驅(qū)動程序的開發(fā)流程，結(jié)合 CAN控制器的工作特點(diǎn)，合理地設(shè)計了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及使用了等待隊列的機(jī)制和使用緩沖區(qū)的控制方法。經(jīng)過應(yīng)用程序測試證明該驅(qū)動可以正確運(yùn)行。同時也給在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下開發(fā)類似的接口驅(qū)動程序提供了參考。

[1] 王黎明,夏立,邵英,等.CAN 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[2] 宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[3] 饒運(yùn)濤,王進(jìn)宏,等.現(xiàn)場總線 CAN 原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[4] 鄭靈翔.嵌入式接口技術(shù)與 Linux驅(qū)動開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

TP336

A

1008-1151(2011)06-0019-02

2011-04-26

王保和，電子科技大學(xué)碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)。