Linux环境下实现ARM9的CAN总线通信
linux环境下实现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。
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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。
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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
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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。
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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。
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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。
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