|
CAN总线技术是现今流行的一种先进的现场总线技术，可以有效的支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。由于CAN总线具有通信速率高，可靠性高，连接方便和性能价格比高等诸多优点，因此在嵌入式系统开发中有普遍的应用。目前，CAN总线通信控制芯片众多，要在uClinux平台下开发基于CAN总线的应用系统，就需要自己开发uClinux下的驱动程序。本文将基于一个CAN 总线在汽车电子中的应用详细介绍在uClinux下CAN总线控制器驱动程序的设计过程。 1 系统硬件结构
本嵌入式系统主要的硬件组成为：处理器采用三星公司的S3C44B0X，CAN总线控制器和收发器分别采用MicroChip公司的MCP2510和MCP2551。开发一个uClinux的驱动，在熟悉uClinux内核结构之外，大量的工作在于阅读相应的控制芯片手册。硬件信息决定驱动的主要结构。S3C44B0X 采用的是ARM公司的16/32位ARM7TDMI内核，它是三星公司为一般应用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案，特别适合对成本和功耗敏感的应用场合。MCP2510是一款带有符合工业标准的SPI接口的CAN总线控制芯片，它支持CAN技术规范V2.0A/B，并能够发送和接收标准的和扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能。MCP2510在目前市场上是体积最小、最易于使用也是最节约成本的独立CAN控制器。MCP2551是与MCP2510相配的高速CAN总线收发器，它担负着节点和总线之间接收和发送电平转换的任务。MCP2510通过SPI接口与S3C44B0X进行数据传输，最高数据传输数率可达5 Mb/s。MCP2510再通过CAN收发器连接到CAN总线上，CAN总线上可以挂接多个节点，S3C44B0X通过MCP2510与CAN 总线上的其它微处理器进行通信。MCP2510内含3个发送缓冲区和两个接收缓冲区，同时具有灵活的中断管理能力，帧屏蔽和过滤、帧优先级设定等特性，这使得微处理器对CAN 总线的操作变得非常简便。系统原理如图1所示。
图1 嵌入式应用系统结构 2 CAN总线应用系统的软件设计
2.1 嵌入式操作系统选择uClinux
uClinux是Linux2.0版本得一个分支，被设计用在微型控制应用领域。uClinux具备标准Linux系统的稳定性，并且支持Linux内核约定的全部特性。uClinux同标准Linux的最大的区别就是在于内存管理。标准Linux是针对有内存管理单元(memory management unit，MMU)的处理器设计的。在这种处理器上，虚拟地址被送到MMU，MMU把虚拟地址映射为物理地址。嵌入式应用对成本和实时性敏感，其使用的CPU中有很多都没有MMU，例如本系统采用的S3C44B0X就是一款不带MMU 的微处理器。标准Linux无法适用于这部分嵌入式应用。uClinux通过对标准Linux中内存管理的改写，去掉了对MMU的依赖，保存了Linux内核的大多数优点，因此它在嵌入式应用中有很好的前景。uClinux的应用主要体现在驱动程序的编写和上层应用软件的编写。所以，针对CAN总线控制器MCP2510的驱动程序需要我们自己编写。
2.2 CAN总线控制器驱动程序编写
驱动程序是应用程序与硬件之间的一个中间软件层。它使某个特定的硬件响应一个定义良好的内部编程接口，同时完全隐蔽了设备的工作细节。用户通过一组标准化的调用来完成相关操作，这些标准化的调用是和具体设备驱动无关的，而驱动程序的任务就是把这些调用映射到具体设备对于实际硬件的特定操作上。驱动程序应该为应用程序展现硬件的所有功能，不应该强加其它的约束，对于硬件使用的权限和限制应该由应用程序层控制。驱动程序设计主要需要考虑下面3个方面：提供尽量多的选项给用户；提高驱动程序的速度和效率；尽量使驱动程序简单，使之易于维护。
uClinux支持的设备驱动可分为3种：字符设备，块设备，网络接口设备。MCP2510就属于字符设备。字符设备是uClinux中最简单的设备，所谓字符设备就是以字节为单位逐个进行I/O操作的设备。在uClinux中它们被映射为文件系统的一个节点，这个设备就像是一个普通文件，应用程序使用标准系统调用对它进行打开(open)、读取(read)、写入(write)和关闭(release)等操作。
2.2.1 驱动程序中定义的主要数据结构
驱动程序中读写函数需要传输多个CAN消息，我们根据CAN通信协议和系统应用的需要，设计一个称为CanData的结构体来定义所传输的数据
struct{
unsigned int id;
unsigned char data[8];
unsigned char dlc;
int IsExt;
int rxRTR;
)CanData;
其中id为CAN消息ID号；data是要传输的消息数据，最大是8个字节；dlc表示实际传输的数据长度，取值范围为0到8；IsExt是判断CAN消息是否使用扩展ID；rxRTR是判断该消息是数据帧还是远程帧。
MCP2510中有3个发送缓冲区，可以循环使用，也可以只使用一个发送缓冲区，但是必须保证在发送的时候，前一次的数据已经发送结束。两个接收缓冲区也是一样。处理器通过SPI接口对缓存区进行读取和写入。MCP2510对CAN总线的数据发送没有限制，只要用处理器通过SPI接口将待发送的数据写入MCP2510的发送缓存区，然后再调用RTS(发送请求)命令即可将数据发送到CAN总线上。而对CAN总线上的数据接收是通过两个接收缓冲区，两个接收屏蔽器，6个接收过滤器的组合来实现的。CAN总线上的帧只有同时满足至少任意一个接收屏蔽器和一个接收过滤器的条件才可以进入接收缓冲区。这里定义了一个MCP2510 REV的数据结构，用于记录接收缓冲区运行的各种状态
struct{
CanDate MCP2510_Candata[128];
int nCanRevpos;
int nCanReadpos;
int loopbackmode;
wait_queue_head_t wq;
spinlock_t lock;
)MCP2510_REV；
该结构中首先定义了一个接收缓冲区，nCanRevpos和nCanReadpos分别表示接收缓冲区和用户读取缓冲区数据的状态；loopbackmode表示支持回环模式，该模式可使器件内部发送缓冲器和接受缓冲器之间进行报文自发自收；wq定义的是一个等待队列，包含一个锁变量和一个正在睡眠进程链表，作用是当有好几个进程都在等待某件事时，uClinux会把这些进程记录到这个等待队列；lock定义的是自旋锁，自旋锁是基于共享变量来工作的，函数可以通过给某个变量设置一个特殊值来获得锁。而其它需要锁的函数则会循环查询锁是否可用，作用是实现互斥访问。
2.2.2 驱动程序的接口
驱动程序的接口主要分为3部分：
①与设备的接口，完成对设备的读写等操作；
②与内核通信的接口，由file_operations数据结构完成；
③与系统启动代码的接口，完成对设备的初始化。
uClinux继承了LimLx操作系统下用户对设备的访问方式。设备驱动与内核通信时使用的是设备类型，主次设备号等参数，但是对于应用程序的用户来说比较难于理解和记忆，所以uClinux使用了设备文件的概念。它抽象了对硬件文件的管理，为用户程序提供了一个统一的、抽象的虚拟文件系统(virtual file system，VFS)界面。如图2所示，VFS主要由一组标准的，抽象的文件操作构成，以系统调用的形式提供给用户，如open()、release()、read()、write()、ioctl()等。
图2 文件层次结构
内核是通过主设备号这个变量将设备驱动程序和设备文件相连的，而构成驱动程序的一个重要数据结构就是file_operations，内核就是通过这个结构来访问驱动程序的。file_operations结构定义于linux/fs.h文件中，它包含指向驱动程序内部大多数函数指针，它的每一个成员名称对应着一个系统调用。系统引导时，内核调用每一个驱动程序的初始化函数，将驱动程序的主设备号以及程序内部的函数地址结构的指针传输给内核。这样，内核就能通过设备驱动程序的主设备号索引访问驱动程序内部的子程序，完成打开，读写等操作。下面给出了file_operations结构体中的一些主要成员
struct file_operations{
struct module *owner；//module的拥有者
loff_t(*llseek)(struct file *,loff_t,int)；//移动文件指针的位置，只能用于可以随机存取的设备
ssize_t(*write)(struct file *,const char *,size_t,loff_t *)；//向字符设备中写入数据
ssize_t(*read)(struct file *,char *,size_t,loft_t *)；//从设备中读取数据，与write类似
unsigned int(*poll)(struct file *,struct poll_table_struct *)；
//用于查询设备是否可读写或处于某种状态
int(*ioctl)(struct inode *,struct file *,unsigned int,unsigned long)；//控制设备，除读写操作外的其它控制命令
int(*mmap)(struct file *,struct vm_area_struct *)；//用于把设备的内容映射到地址空间
int(*lock)(struct file *,int,struct file lock*)；//文件锁定，用于文件共享时的互斥访问
int(*open)(struct inode *,struct file *)；//打开设备进行I/O操作
int(*release)(struct inode *,struct file *)；//关闭设备并释放资源
……
}；//file_operations结构中的成员全部是函数指针，所以实质上就是函数跳转表
由于在file_operations结构中，每个字段都必须指向驱动程序中实现特定操作的函数，可以想象，随着内核新功能不断的增加，file_operations结构也就会变得越开越庞大。所以，现在通常采用“标记化”的方法来为该结构初始化，即对驱动中用到的函数记录到相应字段中，没用到的就不管，这样代码就精简了许多。代码片断如下
static struct file_operations s3c44b0x_fops={
owner: THIS_MODULE,
write: mcp2510_write,
read: mcp2510_read,
ioctl: mcp2510_ioctl,
open: mcp2510_open,
release: mcp2510_release,
}；
要注意的是这种表示方法不是标准C语法，而是uClinux下GNU 编译器的一种特殊扩展。它使用函数名对各结构字段初始化，好处是结构清晰，易于理解，并且避免了结构发生变化带来的许多问题。上面代码中，owner声明模块的拥有者，mcp2510_write和mcp_2510_read负责对缓冲区读写数据，mcp2510_open负责打开CAN总线控制器，并清空3个发送缓冲区，mcp2510_release负责关闭CAN总线控制器，mcp2510_ioctl负责向CAN总线控制器发送各种控制命令。mcp2510write()代码片段编写如下
static ssize_t mcp2510 write(struct file*file,const char *buffer,size_t count,loff_t *ppos)
//*flip为打开的文件，*bufer为数据缓存，count为请求传送数据长度，*ppos为用户在文件中进行存储操作的位置
{char sendbufer[sizeof(CanData)]；
if(count==sizeof(CanData)){//根据发送数据的长度，以两种模式发送数据
copy_from_user(sendbufer,bufer,sizeof(CanData))；
//将数据从应用数据空间拷贝到内核
MCP2510_canWrite((PCanData)sendbufer)；
……
}
if(count>8)
return 0;
copy_from_user(sendbufer,bufer,count)；
MCP2510_canWriteData(sendbufer,count)；
}
2.2.3 驱动程序的初始化与设备注册
定义并初始化完成file_operations结构后，下面必须定义一个初始化函数，这里我们定义了一个名为mcp2510_init()的函数。在uClinux初始化的时候要调用该初始化函数。初始化函数要完成的任务很多，主要有以下几点：
(1)初始化设备相关的参数。对MCP2510来说，这里主要完成CAN总线波特率的设置，ID过滤器的设置，清空接收和发送缓冲区，开启中断等工作。
(2)注册设备。注册设备所使用的函数原型是
int register_chrdev(unsigned int major,const char *name,struct file_operations *fops)
其中major是主设备号，name是设备名称，fops就是内核访问设备的接口。前面提到uClinux内核是通过主设备号将设备驱动程序和设备文件相连。uClinux支持的主设备号有限，2.0以前版本的内核支持l28个主设备号，在2.4版内核中已经增加到256个。为了不造成使用上的混乱，对主设备号的分配常常采用动态分配的方法，即在用register_chrdev()注册模块时，给major参数赋值为0，这样系统就会在所有未被使用的设备号中为我们选定一个，作为函数的返回值返回给我们。注册设备代码片断编写如下
#define DEVICE_NAME "s3c44b0x-mcp2510"
……
ret=register_chrdev(0,DEVICE_NAME,&s3c44b0x_fops)；
(3)注册设备使用的中断。因为中断信号往往是通过特定的中断信号线传输的，任何一款芯片留给中断信号的接口都是有限的，所以内核会维护一个中断信号线注册表，模块要使用中断就得向它申请一个中断通道，当它使用完该通道之后要释放该通道。这里使用的就是函数
request_irq(IRQ_MCP2510,s3c44b0x_isr_mcp2510,SA_INTERRUPT,DEVICE_NAME,isr_mcp2510)；
其中IRQ_MCP2510是请求的中断号；s3c44b0x_isr_mcp2510是中断处理函数的指针；SA_INTERRUPT是一个与中断管理有关的位掩码选项：DEVICE_NAME是设备名，它被用来在/proc/interrupts中显示中断拥有者；isr_mcp2510是一个惟一的标志符，通过该指针多个设备可共享信号线，驱动程序也可用它指向自己的私有数据区，用来识别哪个设备产生了中断。 3 设备驱动程序的编译和添加
在uClinux下，对驱动程序的编译添加一般有两种方式。可以静态编译进内核，再运行新的内核来测试；也可以编译成模块在运行时加载。第1种方法效率较低，但在某些场合是惟一的方法。模块方式调试效率很高，它使用insmod工具将编译的模块直接插入内核，如果出现故障，可以使用rmmod从内核中卸载模块。不需要重新启动内核，这使驱动调试效率大大提高。但嵌入式系统是针对具体应用的，所以一般采用将设备驱动程序以静态的方法编译进内核。具体步骤如下：
(1)将驱动mcp2510.c添加到/uclinux_dist/linux/drivers/char目录之下；
(2)修改该目录下的mem.c文件；在int chr_dev_init()函数中增加如下代码：
#ifdef CONFIG_S3C44B0X_MCP2510
mcp2510_init()；
#endif
(3)修改该目录下的Makefile文件；增加如下代码：
ifeq($(CONFIG_S3C44B0X_MCP2510)，y)
L_OBJS+=mcp2510.o
endif
(4)修改/uclinux dist/linux/arch/armnommu目录下config.in文件；在comment'Characterdevices'语句下面加上：
bool'Add CAN Controller MCP2510'CONFIG_S3C44B0X_MCP2510
(5)编译内核。我们在配置字符设备时就会有选项Add CAN Controller MCP2510，当选中这个选项的时候，设备驱动就加到内核中去了。编译成功后，就可以像使用普通文件一样对设备进行操作，在编写的应用程序中先打开设备再读写数据。 4 结束语
本文详细介绍了在嵌入式操作系统uClinux下CAN总线控制器MCP2510驱动程序的设计开发过程。该驱动程序根据CAN总线的通讯协议和总线控制器MCP2510的工作特点，合理的设计了数据结构和缓存区控制方法，并结合uClinux下驱动程序编写的一般规则，编写了相关的操作代码，实践证明该驱动程序正确可行。CAN总线是一种广泛应用的优秀现场总线技术，再借助源码开放的uClinux在嵌入式开发中的特点与优势，开发工作者就可以灵活快捷的开发各类相关产品。
|
