Linux环境下实现基于ARM9的CAN总线通信

Linux环境下实现基于ARM9的CAN总线通信

1.  引言
CAN（Controller Area Network）总线最早是由德国BOSCH公司提出，实现汽车环境中的微控制器通讯,在车载各电子控制装置ECU之间交换信息,形成汽车电子控制网络。由于其具有成本低，实时性好，容错性高，设计灵活等特点，目前已被广泛的应用于各种工业领域，被公认为是最有前途的现成总线之一。与此同时，随着ARM(Advanced RISC Machines)芯片及嵌入式Linux操作系统的成熟与完善，使得CAN通信的开发更为便利，应用更为广泛。本文就将从硬件，软件两方面介绍一种在Linux环境下实现基于EP9315的CAN总线通信方式。
2.  硬件介绍及其接口实现
  本设计选用的是Cirrus Logic公司推出的EP9315处理器及PHILIPS公司推出的SJA1000独立CAN控制器。下面先对两款芯片作简要介绍，再对CAN接口硬件电路设计作详细说明。
2.1  EP9315及SJA1000芯片简介
EP9315是EP93XX系列微处理器的旗舰产品。内嵌先进的运行于200MHz(工业条件下推荐运行184MHz)的ARM920T微处理器核，以及支持Linux,Windows CE等操作系统的存储器管理单元MMU，16KB指令高速缓存和16KB数据高速缓存可为现有的程序和数据提供零等待时间，或者以锁存的方式确保对关键指令和数据的无延迟存取。EP9315内部集成了MaverickCrunch 数学协处理器和MaverickKey 硬件可编程ID，前者显著提高了ARM920T的浮点，整形运算与信号处理能力，同时它还具有丰富的集成外设接口，包括1/10/100Mbps以太网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，图像加速器，带12位A/D转换器的触摸屏接口，键盘接口，UART接口，丰富的GPIO,支持4组32位SDRAM的无缝连接等。
SJA1000是一款高性能的CAN控制器，支持BasicCAN和PeliCANl两种工作模式，提供INTEL和Motorola两种寻址方式，地址线和数据线分时复用，SJA1000基于寄存器编址，可以通过读写寄存器来操作它。
2.2  硬件接口电路设计
EP9315带有16个增强型GPIO，可以通过配置PADR、PADDR寄存器使得EGPIO2控制SJ1000的ALE址锁存信号，EGPIO3接收SJA1000的中断信号，并且可以配置中断类型。由于SJA1000的数据线与地址线分时复用, 当在送地址时，RD、WR、CS信号必须无效，送数据或读数据时，RD、WR、CS信号才有效，因此结合CPLD(EPM7032芯片)或是一些逻辑门来实现该逻辑，并片选两个BANK来分别用于地址操作(nCS5_PHYBASE 0x50000000)和数据操作(nCS3_PHYBASE 0x30000000)。当读SJA1000时，首先由EP9315通过CS选通SJA1000，通过EGPIO2使得ALE有效，锁存地址，并由CS5经CPLD选通FLASH的BANK5，将地址存入映射后的BANK5区域，然后使得ALE为0取消地址锁存，最后置低EP9315的RD信号，经74LV32后使得SJA1000的读信号有效，完成读操作；写操作时，同理选通SJA1000,使能ALE，发送地址并将其锁存在BANK5，然后取消ALE，置低EP9315的WR信号，通过74LV32使能SJA1000的WR信号，接着发送数据置映射后的BANK3，将数据写入SJA1000，完成写操作。
3.  软件分析及实现
本文采用Linux系统，内核版本为2.4.21-rmk1，搭建ARM-LINUX交叉编译环境同时利用动态模块加载法来进行驱动开发。模块化的优点在于能将内核映像尺寸保持在最小，并且具有最大的灵活性，便于检验新的内核代码而不需重新编译，引导内核。Shell用户应用程序的开发主要采用了GDB远程调试技术，该调试环境由宿主机GDB和目标机调试stub共同构成，两者通过串口或TCP连接。驱动程序与应用程序的整体流程图如图2所示。
 

                          图2 驱动程序与应用程序的整体流程

3.1  Linux下CAN驱动的实现
CAN设备属于字符型设备，是以字节为单位逐个进行I/O操作的设备，在对它发出读写请求时，实际的硬件I/O紧接着就发生了。字符型设备的缓存是可有可无的，而且也不支持随机访问。应用程序可以通过标准系统调用像访问字节流(类似文件)一样来打开，读，写，关闭字符型设备。
驱动程序主要由一下4个关键环节组成：
⑴模块的初始化 module_init(Mysja1000_init)
模块的初始化函数负责注册模块所提供的任何设施。module_init的使用是强制性的，这个宏会在模块的目标代码中增加一个特殊的段，用于说明内核初始化函数所在的位置。没有这个定义，初始化函数永远不会调用。当模块正常初始化时，在初始化函数中完成了对CAN设备以及设备中断的注册，对SJA1000芯片中相关寄存器的配置，对EP9315中的EGPIO口的初始化设置，并且利用函数void * __ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags) 将IO地址空间映射到内核的虚拟地址空间上去,这样就可以像读写RAM那样读写IO内存资源了。

⑵服务于I/O请求的子程序
这部分程序又被称为是驱动程序的上半部分。调用这部分程序是由于系统调用的结果。当该部分程序执行时，系统仍认为是与进行调用的进程属于同一个进程，只是由用户态变成了核心态。由于此部分程序是驱动程序与应用程序的接口，所以必须通过Linux下的一个关键的数据结构file_operations来实现该文件操作接口。file_operations结构中的成员几乎全是函数指针，实质上是一个函数跳转表。例如can_open入口点用来打开CAN设备准备进行I/O操作；can_read入口点用来实现接收CAN数据帧；can_write入口点用来实现发送CAN数据帧；can_ioctl入口点提供了一种执行CAN设备特定操作的方法，通过ioctl来实现对SJA1000寄存器的读写操作，使用户根据需要方便的配置SJA1000状态等等。
⑶中断服务子程序
这部分程序又被称为是驱动程序的下半部分。Linux系统负责接收硬件中断，再由系统调用中断服务子程序，而不是直接从ARM的中断向量表中调用这部分程序。在模块初始化时已经利用request_irq( )函数注册了设备中断，所以当IRQ(中断请求)产生时，ISR(中断服务例程)运行。在中断服务程序中，首先要读取SJA1000的中断寄存器IR的值，识别中断源，比如当接收中断位RI为1则说明是接收中断，进而调用接收函数来接收数据。当CPU读取这个只读存储器时，除了RI位外的所有位都被复位。
⑷缓冲区操作
SJA1000内部设有发送缓冲器TXB(13个字节)，接收缓冲器RXB(13个字节)和RXFIFO(64个字节)。其中TXB是CPU和BSP(位流处理器)之间的接口，存储发送到CAN网络上的完整报文。接收缓冲器是接收过滤器和CPU之间的接口，用来接收和存储CAN总线上的报文，RXB是RXFIFO的一个窗口，可被CPU访问。为了提高收发效率，在驱动中开辟软件缓冲区，大小可以根据需要设置，将大量数据经过软件缓冲区后再进行处理。在操作软件缓冲区时，采用生产者/消费者模型，分别设定数据存入与读出的指针，并且利用memcopy函数完成对帧数据的操作。比如读取数据时，首先在操作模式下将SJA1000中起始地址为16的RXB数据读入一个数组，经过一些必要判断，再将此数组中的数据由memcopy函数传入指定的软件缓冲区。硬件缓冲与软件缓冲间一次传递一帧数据，帧有标准帧与扩展帧之分。
3.2  Shell应用程序的实现
    Shell应用程序主要是为用户提供一系列方便直观的接口，使得用户不必了解硬件工作的细节，不必研究驱动的具体实现，而仅仅根据自身的需要，通过一些简单明了的命令来完成所要求的任务。本文就将在Shell应用程序中实现以下命令功能：
init初始化寄存器,rsja读取寄存器值,wsja写寄存器,gfrm收数据帧,sfrm发数据帧,conf配置滤波器,help帮助,exit退出。
在主函数main中，通过int open(const char * filename, int mode)函数打开CAN设备，得到一个文件句柄fd，将此句柄传递给shell函数,这样就可以在各个命令函数中对CAN设备进行操作，比如可以在函数int write_sja1000(int fd,unsigned char addr, unsigned char value)中使用ioctl(fd,SJA_WRITE,®_data)来实现对SJA1000寄存器的写操作。
在shell应用程序中，可以设定一个字符数组char cmd[5]，通过fgets(cmd,5,stdin)来接收用户键入的命令，再经过strcmp函数辨认出用户的命令类型，执行相关操作。为避免输入缓冲区出现垃圾导致命令识别出现错误，需要及时清空输入缓冲，而当gcc中fflush函数无效的情况下，则可以通过while((c=getchar())!='n'&&c!=EOF){ }来清空输入缓冲。
完成了所有驱动以及应用程序的编写后，用Makfile文件制定编译规则，然后根据规则进行编译，调试成功后可将二进制代码通过超级终端下载到板子运行，至此结束所有工作。
4. 结语
本文提供了一种EP9315与CAN控制器SJA1000的接口方案，详细分析了Linux操作系统下驱动与应用程序的原理及开发流程，实现了CAN设备通信，并在实际应用和测试中证明了该设计的正确性和可靠性。由于嵌入式Linux的众多优势以及CAN的实时性，易用性，可靠性等优点，它们将在工业控制及生活的各个领域具有更广泛的应用前景。
本文作者创新点：利用EP9315与SJA1000实现CAN总线通信，完成了由硬件连接，底层驱动以致上层应用软件的所有工作，利用软件方便稳定的控制CAN通信。