Android系統(tǒng)下CAN總線驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李玉潔，朱維杰

(1.武警工程大學(xué)研究生管理大隊(duì)，陜西西安710086;2.武警工程大學(xué)通信工程系，陜西西安 710086)

Android是指“機(jī)器人”，由Google公司于2007年11月5日發(fā)布的基于Linux平臺(tái)的開(kāi)源手機(jī)操作系統(tǒng)，是首個(gè)為移動(dòng)終端打造的真正開(kāi)放和完整的移動(dòng)軟件。Android是一個(gè)開(kāi)放平臺(tái)，在嵌入式移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域里具有良好的應(yīng)用前景，但在不同的設(shè)備上往往有不同的硬件支持，要在Android中添加這些硬件應(yīng)用，不是單純地在Linux內(nèi)核中添加驅(qū)動(dòng)模塊，還必須在用戶(hù)空間和應(yīng)用框架中添加對(duì)應(yīng)的支持［1］。

控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Control Area Network，CAN)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是德國(guó)Bosch公司在20世紀(jì)80年代初，為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線［2］。由于CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有良好的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，CAN已經(jīng)在汽車(chē)工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。文中以S5PV210微處理器為硬件平臺(tái)，通過(guò)擴(kuò)展其SPI接口，實(shí)現(xiàn)了CAN控制器MCP2515在Android操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)都要通過(guò)CAN總線模塊，CAN總線模塊設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，S5PV210通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)與MCP2515的連接，MCP2515的CAN輸入輸出引腳和CAN總線收發(fā)器MCP2551接在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的CAN總線收發(fā)模塊。

圖1 CAN總線模塊設(shè)計(jì)框圖

1.1 S5PV210的SPI接口

接口協(xié)議 (Serial Peripheral Interface，SPI)是Motorola公司推出的一種使用時(shí)鐘線和2根數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)的同步串行協(xié)議，即串行外設(shè)接口［3］。S5PV210提供的SPI接口主要用于S5PV210與外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，傳輸速度最高可達(dá)5 Mbit·s-1。SPI總線接口主要用于主從分布式的通信網(wǎng)絡(luò)，由4根線即可完成主從之間的數(shù)據(jù)通信，這 4根線分別為:時(shí)鐘線(SCLK)、數(shù)據(jù)輸入線(SI)、數(shù)據(jù)輸出線(SO)和片選線(CS)，其中CS的有效與否完全由主控制器決定，時(shí)鐘信號(hào)也由主控制器發(fā)出。

1.2 CAN控制器MCP2515

MCP2515是Microchip生產(chǎn)的一款獨(dú)立CAN協(xié)議控制器。MCP2515支持CAN1.2、CAN2.0A、主動(dòng)和被動(dòng)CAN2.0B等版本的協(xié)議，能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展報(bào)文，它還同時(shí)具備驗(yàn)收過(guò)濾以及報(bào)文管理功能。圖2為MCP2515的結(jié)構(gòu)框圖。該器件主要由3個(gè)部分組成［4］:(1)CAN協(xié)議引擎。(2)為器件及其運(yùn)行進(jìn)行配置的控制邏輯和SRAM寄存器。(3)SPI協(xié)議模塊。

圖2 MCP2515的結(jié)構(gòu)框圖

1.3 CAN收發(fā)器MCP2551

MCP2551是一個(gè)可容錯(cuò)的高速CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線接口。MCP2551可為CAN協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合ISO-11898標(biāo)準(zhǔn)，且滿足24 V電壓要求。它的工作速率達(dá) 1 Mbit·s-1。

2 CAN總線驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

2.1 Android操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)原理

Android雖然使用了Linux內(nèi)核，但應(yīng)用程序是用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，所以應(yīng)用程序在調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)不能像Linux應(yīng)用程序那樣使用系統(tǒng)調(diào)用，必須用Java虛擬機(jī)的JNI的本地(Native)方法。另一方面，Android要成為一個(gè)通用性強(qiáng)的平臺(tái)，必須加強(qiáng)它的可移植性，這也是在Android架構(gòu)添加一個(gè)(HAL)硬件抽象層的原因，目的是為設(shè)備的調(diào)用提供一個(gè)更高級(jí)的封裝［5］。圖3所示為Android驅(qū)動(dòng)程序的技術(shù)結(jié)構(gòu)。

HAL Stub以*.so庫(kù)的形式存在，在整個(gè)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)中，它是驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在用戶(hù)空間的一部分，它往上為Dalvik虛擬機(jī)提供硬件設(shè)備的抽象接口，往下通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用與Linux內(nèi)核中的驅(qū)動(dòng)程序交互數(shù)據(jù)，在這個(gè)過(guò)程中HAL可以對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即在Linux內(nèi)核中的驅(qū)動(dòng)程序只需提供一個(gè)與硬件設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的功能，而具體的操作可以由 HAL完成。Android下CAN總線驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)，不但要在Linux內(nèi)核中添加CAN驅(qū)動(dòng)模塊，還必須在用戶(hù)空間和應(yīng)用框架中添加對(duì)應(yīng)的支持。

圖3 Android驅(qū)動(dòng)程序的技術(shù)結(jié)構(gòu)

2.2 CAN驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)流程

主控制器S5PV210通過(guò)其自身的SPI接口實(shí)現(xiàn)與MCP2515的連接，若要使平臺(tái)正常工作，軟件的實(shí)現(xiàn)是必需的。首先要確保S5PV210的SPI口可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)，然后利用SPI口對(duì)MCP2515的寄存器進(jìn)行設(shè)置。CAN驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖4所示，第一步是實(shí)現(xiàn)S5PV210的SPI總線的加載和聲明;第二步是Linux kernel中CAN驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，包括MCP2515的初始化、MCP2515的讀寫(xiě)、CAN驅(qū)動(dòng)的加載。第三步是Android HAL層的調(diào)用。

圖4 CAN驅(qū)動(dòng)程序流程圖

3 CAN總線驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

3.1 SPI總線加載和聲明

系統(tǒng)的CAN總線設(shè)備通過(guò)S5PV210的SPI總線連接，因此，需要設(shè)計(jì)SPI線驅(qū)動(dòng)完成數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。關(guān)于SPI總線驅(qū)動(dòng)在Linux內(nèi)核中已有良好的支持，加載并聲明SPI總線就可以直接使用。Linux內(nèi)核使用包裝后的抽象設(shè)備驅(qū)動(dòng)spi_driver，間接與原始設(shè)備驅(qū)動(dòng)建立聯(lián)系，并最終通過(guò)調(diào)用driver_register來(lái)注冊(cè)原始設(shè)備驅(qū)動(dòng)，即只需要在內(nèi)核提供的spi_driver上修改調(diào)試，大幅提高了程序效率和可移植性。

這樣在結(jié)構(gòu)體 mcp2515_driver里完成了對(duì)MCP2515驅(qū)動(dòng)函數(shù)probe，remove的賦值。然后就可以通過(guò)SPI對(duì)MCP2515的寄存器進(jìn)行設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線驅(qū)動(dòng)程序。

3.2 Linux中CAN驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

針對(duì)MCP2515控制器，在Linux kernel設(shè)計(jì)中采用字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的形式。驅(qū)動(dòng)初始化函數(shù)static int_init MCP2515_init()，首先通過(guò)ioremap()函數(shù)將S5PV210的SPI寄存器的物理地址映射到內(nèi)核空間，這樣才可以在驅(qū)動(dòng)程序中訪問(wèn)和配置S5PV210的SPI寄存器。在正確配置S5PV210的SPI寄存器后，通過(guò)register_chrdev()函數(shù)為MCP2515注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，分配主設(shè)備號(hào)，這樣在設(shè)備文件目錄中創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件后，就可以用 Linux的系統(tǒng)函數(shù)操作MCP2515了。而分配內(nèi)存部分放在probe()函數(shù)中完成，分配空間包括為設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及其內(nèi)部的接收發(fā)送緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)分配空間。同時(shí)在probe()還需要完成申請(qǐng)中斷工作，并初始化中斷處理隊(duì)列，在中斷處理隊(duì)列中讀取CANINTF寄存器，判斷是接收/發(fā)送中斷的哪一個(gè)緩沖器，或者說(shuō)是錯(cuò)誤中斷最后通過(guò)enable_irq()函數(shù)使能S5PV210相應(yīng)的中斷引腳［6］。

(1)MCP2515初始化。在實(shí)現(xiàn)了SPI的加載和聲明后，就可以利用SPI寫(xiě)命令對(duì)MCP2515進(jìn)行初始化。MCP2515的初始化過(guò)程為:首先將CAN控制寄存器CANCTRL的REQOP＜2:O＞位設(shè)置為‘100’進(jìn)入配置模式，所有錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器被清零，進(jìn)入配置模式后設(shè)置波特率，禁止所有中斷，設(shè)置濾波器，清除發(fā)送接收緩存，打開(kāi)中斷，完成MCP2515的初始化。MCP2515初始化過(guò)程如圖5所示。

圖5 MCP2515初始化流程圖

(2)MCP2515中斷方式。由于CAN總線接收數(shù)據(jù)時(shí)必須與系統(tǒng)以中斷方式交換數(shù)據(jù)，所以必須注冊(cè)中斷。使用的中斷函數(shù)有request_irq()，free_irq()，enable_irq()和disable_irq()，其中函數(shù)request_irq()是給定的中斷源裝載中斷處理程序;enable_irq()調(diào)用中斷控制函數(shù)使給定的中斷鏈有效;free_irq()釋放分配給已定中斷的內(nèi)存;disable_irq()使定義中斷鏈?zhǔn)?。具體代碼為request_irq(irq_EINT0，mcp2515_int，IRQF_DISABLED，device_name，NULL);其中函數(shù)request_irq()的第1個(gè)參數(shù)是設(shè)備申請(qǐng)的中斷號(hào);第2個(gè)參數(shù)是向系統(tǒng)注冊(cè)的中斷處理函數(shù);第3個(gè)參數(shù)是中斷處理的屬性，IRQF_DISABLED表示中斷處理程序是一個(gè)快速中斷處理程序，被調(diào)用時(shí)屏蔽所有中斷;第4個(gè)參數(shù)是中斷的設(shè)備名稱(chēng);第5個(gè)參數(shù)是申請(qǐng)時(shí)通知系統(tǒng)的設(shè)備標(biāo)志，該函數(shù)返回值為0表示申請(qǐng)成功，返回負(fù)數(shù)表示失敗，這樣當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，在中斷處理函數(shù)mcp2515_int()中讀取CAN狀態(tài)寄存器CANSTAT，判斷RXB0是否裝入報(bào)文，如果是則把報(bào)文通過(guò)SPI接收數(shù)據(jù)寄存器讀取到buffer中，等待系統(tǒng)函數(shù)CAN_Read()讀取。

(3)MCP2515驅(qū)動(dòng)程序的核心文件結(jié)構(gòu) file_operations。CAN總線應(yīng)用程序通過(guò)file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)訪問(wèn)CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)，＜/kernel/linux/fs.h＞對(duì)file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)變量做了詳解。內(nèi)核可以通過(guò)文件結(jié)構(gòu)來(lái)訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)［6］，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。

CAN應(yīng)用程序可以通過(guò)系統(tǒng)函數(shù)read()和write()實(shí)現(xiàn)讀取和寫(xiě)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，open()函數(shù)中完成設(shè)備的打開(kāi)，close()函數(shù)中完成注銷(xiāo)設(shè)備的工作，ioctl()函數(shù)中需要完成MCP2515控制器的初始化工作:設(shè)置控制器的工作模式、設(shè)置控制總線的波特率、清空發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)等。

3.3 CAN驅(qū)動(dòng)編譯

(1)將寫(xiě)好的驅(qū)動(dòng)源文件拷貝到/kernel/drivers/char/下，并打開(kāi)Kconfig添加如下代碼:

(2)在/kernel/drivers/char/Makefile文件的適當(dāng)位置添加如下代碼:

obj-$(CONFIG_S5pv210_CAN)+=S5pv210-can.o

(3)添加can功能。在/kernel/下 make menuconfig DeviceDrivers→Characterdevices→ ＜M ＞ S5pv210 can controller driver動(dòng)態(tài)加載CAN驅(qū)動(dòng)并保存退出。

(4)重新編譯內(nèi)核。在終端進(jìn)入/kernel/目錄，執(zhí)行make命令后在/kernel/drivers/char/下找到S5pv210_can.o，此為L(zhǎng)inux kernel層生成的CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件，kernel層驅(qū)動(dòng)向下直接操作硬件，向上層也就是HAL層，提供/dev/can設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件，提供驅(qū)動(dòng)接口unclocked_ioctl()函數(shù)。

4 Android HAL層的調(diào)用

CAN驅(qū)動(dòng)程序在Android系統(tǒng)下的實(shí)現(xiàn)，硬件抽象層(HAL)的調(diào)用是關(guān)鍵。將Android系統(tǒng)移植到其他硬件平臺(tái)或在Android系統(tǒng)中添加新硬件支持時(shí)，都需要對(duì)Android HAL層進(jìn)行移植或?qū)崿F(xiàn)在libhardware接口的頭文件hardware.h中，定義了HAL實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的3個(gè)通用結(jié)構(gòu)體struct hw_module_t、struct hw_module_methods_t 和 struct hw_device_t。struct hw modules_methods_t用來(lái)表示一個(gè)模塊表示方法，結(jié)構(gòu)體中只包含了打開(kāi)模塊的函數(shù)指針。struct hw_module_t用來(lái)定義一個(gè)硬件模塊的信息，具體的硬件模塊中，需要“繼承”這個(gè)結(jié)構(gòu)體。struct hw_device_t用來(lái)表示一個(gè)硬件設(shè)備，在一個(gè)硬件模塊中可以同時(shí)包含多個(gè)硬件設(shè)備。在一個(gè)模塊的HAL層開(kāi)發(fā)中，具體的硬件調(diào)用流程為［7］:(1)通過(guò)ID得到硬件模塊。(2)從硬件模塊得到hw—modules—t，打開(kāi)得到硬件設(shè)備hw-device-t。(3)調(diào)用hw-device-t中的各個(gè)方法。(4)通過(guò)hw-device-t的close關(guān)閉設(shè)備。

Android系統(tǒng)下CAN模塊的實(shí)現(xiàn)在完成SPI總線和MCP2515控制器的驅(qū)動(dòng)后必須實(shí)現(xiàn)Android HAL層的調(diào)用。CAN總線的HAL層調(diào)用流程如圖6所示。

圖6 CAN總線的HAL層調(diào)用流程圖

編寫(xiě)HAL層使用 struct hw_module_t、struct hw_module_methods_t和struct hw_device_t 3個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)設(shè)置對(duì)CAN模塊的操作方法;JNI層主要完成對(duì)HAL層提供的硬件操作方法的注冊(cè)，JNI通過(guò) CAN_HARDWARE_MODULE_ID找到對(duì)應(yīng)的stub，使Framework層可以使用這些方法;Service層主要聲明了JNI可以提供的方法，加載libcan_runtime.so，加載時(shí)會(huì)調(diào)用JNI層的 JNI_OnLoad，這樣 JNI中的方法可以被Service調(diào)用;編寫(xiě) App應(yīng)用程序，使 App直接調(diào)用service，完成Android HAL層的調(diào)用。之后將can文件夾放到系統(tǒng)development目錄下。

配置環(huán)境變量執(zhí)行../build/envsetup.sh。然后執(zhí)行mmm development/can編譯文件。最后，重新編譯內(nèi)核，生成鏡像文件，下載并運(yùn)行操作系統(tǒng)。此時(shí)，CAN總線驅(qū)動(dòng)程序?qū)?huì)加載，這樣就實(shí)現(xiàn)了Android系統(tǒng)下CAN控制器MCP2515驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在分析Android驅(qū)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，介紹了CAN總線在Android下的實(shí)現(xiàn)流程，并添加了CAN驅(qū)動(dòng)程序在嵌入式操作系統(tǒng)Android中，對(duì)其他Android平臺(tái)非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)有一定的借鑒作用。

［1］葉炳發(fā).Android操作系統(tǒng)移植及關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.廣州:暨南大學(xué)，2010.

［2］陽(yáng)憲慧.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.

［3］Samsung Conpration.S5PV210［EB/OL］.(2011-05-18)［2012 - 08 - 04］http://baike.baidu.com/view/8123492.htm.

［4］Microchip Conpration.帶有SPI接口的獨(dú)立CAN控制器MCP2515［M］.USA:Microchip Technology Inc，2005.

［5］岳傳真.Android系統(tǒng)移植和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)［D］.上海:復(fù)旦大學(xué)，2010.

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［7］孟小華，黃宗軒.Android系統(tǒng)非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30(14):7-12.