Linux環境下實現基于ARM9的CAN總線通信

1.? 引言
CAN（Controller Area Network）總線最早是由德國BOSCH公司提出，實現汽車環境中的微控制器通訊,在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息,形成汽車電子控制網絡。由于其具有成本低，實時性好，容錯性高，設計靈活等特點，目前已被廣泛的應用于各種工業領域，被公認為是最有前途的現成總線之一。與此同時，隨著ARM(Advanced RISC Machines)芯片及嵌入式Linux操作系統的成熟與完善，使得CAN通信的開發更為便利，應用更為廣泛。本文就將從硬件，軟件兩方面介紹一種在Linux環境下實現基于EP9315的CAN總線通信方式。
2.? 硬件介紹及其接口實現
? 本設計選用的是Cirrus Logic公司推出的EP9315處理器及PHILIPS公司推出的SJA1000獨立CAN控制器。下面先對兩款芯片作簡要介紹，再對CAN接口硬件電路設計作詳細說明。
2.1? EP9315及SJA1000芯片簡介
EP9315是EP93XX系列微處理器的旗艦產品。內嵌先進的運行于200MHz(工業條件下推薦運行184MHz)的ARM920T微處理器核，以及支持Linux,Windows CE等操作系統的存儲器管理單元MMU，16KB指令高速緩存和16KB數據高速緩存可為現有的程序和數據提供零等待時間，或者以鎖存的方式確保對關鍵指令和數據的無延遲存取。EP9315內部集成了MaverickCrunch 數學協處理器和MaverickKey 硬件可編程ID，前者顯著提高了ARM920T的浮點，整形運算與信號處理能力，同時它還具有豐富的集成外設接口，包括1/10/100Mbps以太網MAC，3通道USB2.0全速主口，SPI、I S和AC’97串行接口，PCMCIA接口，Raster/LCD接口，圖像加速器，帶12位A/D轉換器的觸摸屏接口，鍵盤接口，UART接口，豐富的GPIO,支持4組32位SDRAM的無縫連接等。
SJA1000是一款高性能的CAN控制器，支持BasicCAN和PeliCANl兩種工作模式，提供INTEL和Motorola兩種尋址方式，地址線和數據線分時復用，SJA1000基于寄存器編址，可以通過讀寫寄存器來操作它。
2.2? 硬件接口電路設計
EP9315帶有16個增強型GPIO，可以通過配置PADR、PADDR寄存器使得EGPIO2控制SJ1000的ALE址鎖存信號，EGPIO3接收SJA1000的中斷信號，并且可以配置中斷類型。由于SJA1000的數據線與地址線分時復用, 當在送地址時，RD、WR、CS信號必須無效，送數據或讀數據時，RD、WR、CS信號才有效，因此結合CPLD(EPM7032芯片)或是一些邏輯門來實現該邏輯，并片選兩個BANK來分別用于地址操作(nCS5_PHYBASE 0x50000000)和數據操作(nCS3_PHYBASE 0x30000000)。當讀SJA1000時，首先由EP9315通過CS選通SJA1000，通過EGPIO2使得ALE有效，鎖存地址，并由CS5經CPLD選通FLASH的BANK5，將地址存入映射后的BANK5區域，然后使得ALE為0取消地址鎖存，最后置低EP9315的RD信號，經74LV32后使得SJA1000的讀信號有效，完成讀操作；寫操作時，同理選通SJA1000,使能ALE，發送地址并將其鎖存在BANK5，然后取消ALE，置低EP9315的WR信號，通過74LV32使能SJA1000的WR信號，接著發送數據置映射后的BANK3，將數據寫入SJA1000，完成寫操作。
3.? 軟件分析及實現
本文采用Linux系統，內核版本為2.4.21-rmk1，搭建ARM-LINUX交叉編譯環境同時利用動態模塊加載法來進行驅動開發。模塊化的優點在于能將內核映像尺寸保持在最小，并且具有最大的靈活性，便于檢驗新的內核代碼而不需重新編譯，引導內核。Shell用戶應用程序的開發主要采用了GDB遠程調試技術，該調試環境由宿主機GDB和目標機調試stub共同構成，兩者通過串口或TCP連接。驅動程序與應用程序的整體流程圖如圖2所示。
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????????????????????????? 圖2 驅動程序與應用程序的整體流程

3.1? Linux下CAN驅動的實現
CAN設備屬于字符型設備，是以字節為單位逐個進行I/O操作的設備，在對它發出讀寫請求時，實際的硬件I/O緊接著就發生了。字符型設備的緩存是可有可無的，而且也不支持隨機訪問。應用程序可以通過標準系統調用像訪問字節流(類似文件)一樣來打開，讀，寫，關閉字符型設備。
驅動程序主要由一下4個關鍵環節組成：
⑴模塊的初始化 module_init(Mysja1000_init)
模塊的初始化函數負責注冊模塊所提供的任何設施。module_init的使用是強制性的，這個宏會在模塊的目標代碼中增加一個特殊的段，用于說明內核初始化函數所在的位置。沒有這個定義，初始化函數永遠不會調用。當模塊正常初始化時，在初始化函數中完成了對CAN設備以及設備中斷的注冊，對SJA1000芯片中相關寄存器的配置，對EP9315中的EGPIO口的初始化設置，并且利用函數void * __ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags) 將IO地址空間映射到內核的虛擬地址空間上去,這樣就可以像讀寫RAM那樣讀寫IO內存資源了。

⑵服務于I/O請求的子程序
這部分程序又被稱為是驅動程序的上半部分。調用這部分程序是由于系統調用的結果。當該部分程序執行時，系統仍認為是與進行調用的進程屬于同一個進程，只是由用戶態變成了核心態。由于此部分程序是驅動程序與應用程序的接口，所以必須通過Linux下的一個關鍵的數據結構file_operations來實現該文件操作接口。file_operations結構中的成員幾乎全是函數指針，實質上是一個函數跳轉表。例如can_open入口點用來打開CAN設備準備進行I/O操作；can_read入口點用來實現接收CAN數據幀；can_write入口點用來實現發送CAN數據幀；can_ioctl入口點提供了一種執行CAN設備特定操作的方法，通過ioctl來實現對SJA1000寄存器的讀寫操作，使用戶根據需要方便的配置SJA1000狀態等等。
⑶中斷服務子程序
這部分程序又被稱為是驅動程序的下半部分。Linux系統負責接收硬件中斷，再由系統調用中斷服務子程序，而不是直接從ARM的中斷向量表中調用這部分程序。在模塊初始化時已經利用request_irq( )函數注冊了設備中斷，所以當IRQ(中斷請求)產生時，ISR(中斷服務例程)運行。在中斷服務程序中，首先要讀取SJA1000的中斷寄存器IR的值，識別中斷源，比如當接收中斷位RI為1則說明是接收中斷，進而調用接收函數來接收數據。當CPU讀取這個只讀存儲器時，除了RI位外的所有位都被復位。
⑷緩沖區操作
SJA1000內部設有發送緩沖器TXB(13個字節)，接收緩沖器RXB(13個字節)和RXFIFO(64個字節)。其中TXB是CPU和BSP(位流處理器)之間的接口，存儲發送到CAN網絡上的完整報文。接收緩沖器是接收過濾器和CPU之間的接口，用來接收和存儲CAN總線上的報文，RXB是RXFIFO的一個窗口，可被CPU訪問。為了提高收發效率，在驅動中開辟軟件緩沖區，大小可以根據需要設置，將大量數據經過軟件緩沖區后再進行處理。在操作軟件緩沖區時，采用生產者/消費者模型，分別設定數據存入與讀出的指針，并且利用memcopy函數完成對幀數據的操作。比如讀取數據時，首先在操作模式下將SJA1000中起始地址為16的RXB數據讀入一個數組，經過一些必要判斷，再將此數組中的數據由memcopy函數傳入指定的軟件緩沖區。硬件緩沖與軟件緩沖間一次傳遞一幀數據，幀有標準幀與擴展幀之分。
3.2? Shell應用程序的實現
??? Shell應用程序主要是為用戶提供一系列方便直觀的接口，使得用戶不必了解硬件工作的細節，不必研究驅動的具體實現，而僅僅根據自身的需要，通過一些簡單明了的命令來完成所要求的任務。本文就將在Shell應用程序中實現以下命令功能：
init初始化寄存器,rsja讀取寄存器值,wsja寫寄存器,gfrm收數據幀,sfrm發數據幀,conf配置濾波器,help幫助,exit退出。
在主函數main中，通過int open(const char * filename, int mode)函數打開CAN設備，得到一個文件句柄fd，將此句柄傳遞給shell函數,這樣就可以在各個命令函數中對CAN設備進行操作，比如可以在函數int write_sja1000(int fd,unsigned char addr, unsigned char value)中使用ioctl(fd,SJA_WRITE,®_data)來實現對SJA1000寄存器的寫操作。
在shell應用程序中，可以設定一個字符數組char cmd[5]，通過fgets(cmd,5,stdin)來接收用戶鍵入的命令，再經過strcmp函數辨認出用戶的命令類型，執行相關操作。為避免輸入緩沖區出現垃圾導致命令識別出現錯誤，需要及時清空輸入緩沖，而當gcc中fflush函數無效的情況下，則可以通過while((c=getchar())!='n'&&c!=EOF){ }來清空輸入緩沖。
完成了所有驅動以及應用程序的編寫后，用Makfile文件制定編譯規則，然后根據規則進行編譯，調試成功后可將二進制代碼通過超級終端下載到板子運行，至此結束所有工作。
4.?結語
本文提供了一種EP9315與CAN控制器SJA1000的接口方案，詳細分析了Linux操作系統下驅動與應用程序的原理及開發流程，實現了CAN設備通信，并在實際應用和測試中證明了該設計的正確性和可靠性。由于嵌入式Linux的眾多優勢以及CAN的實時性，易用性，可靠性等優點，它們將在工業控制及生活的各個領域具有更廣泛的應用前景。
本文作者創新點：利用EP9315與SJA1000實現CAN總線通信，完成了由硬件連接，底層驅動以致上層應用軟件的所有工作，利用軟件方便穩定的控制CAN通信。