基于MCP2515的Linux CAN总线驱动程序设计（二）

1. 前言

        CAN(Controller Area Network)总线，即控制器局域网总线，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于其高性能、高可靠性、及独特的设计和适宜的价格而广泛应用于工业现场控制、智能楼宇、医疗器械、交通工具以及传感器等领域，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN总线规范已经被国际标准化组织制订为国际标准ISO11898，并得到了众多半导体器件厂商的支持。

        本文使用华清远见FS2416平台。FS2416使用Socket网络设备驱动和字符设备驱动两种方式向Linux内核提供MCP2515的驱动，上篇文章介绍了使用Socket方式设计的基于MCP2515的Linux CAN总线驱动程序，这篇文章主要介绍编写一个MCP2515的字符设备驱动。

2. MCP2515 CAN字符设备驱动的实现

2.1 SPI子系统简介

        基于子系统去开发驱动程序已经是Linux内核中普遍的做法了。前面介绍使用Socket编写MCP2515 CAN总线的驱动也是基于SPI子系统开发的。在驱动开发前，需要先熟悉下SPI通讯协议中的几个关键的地方，后面在编写驱动时，需要考虑相关因素。

        SPI总线由MISO（串行数据输入）、MOSI（串行数据输出）、SCK（串行移位时钟）、CS（使能信号）4个信号线组成。MCP2515与S3C2416的SPI连接如图3所示。SO脚为它的数据输入脚，SI为数据输出脚，SCK为时钟脚。

        SPI常用四种数据传输模式，主要差别在于：输出串行同步时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）可以进行配置。如果CPOL = 0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL = 1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。如果CPHA = 0，在串行同步时钟的前沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA = 1，在串行同步时钟的后沿（上升或下降）数据被采样。具体的时序如图4所示。

        这四种模式中究竟选择哪种模式取决于设备。如MCP2515芯片手册中说明它可以支持(0,0)(1,1)两种模式，即：CPOL = 0，CPHA = 0和CPOL = 1，CPHA = 1。

图1 SPI数据传输时序

2.2 Linux下SPI驱动的开发

        首先明确SPI驱动层次，如图2所示：

图2 SPI驱动层次

我们以上面的这个图为思路：

① platform bus

        platform bus对应的结构是platform_bus_type，这个内核开始就定义好的。我们不需要定义。

② platform_device

        SPI控制器对应platform_device的定义方式，同样以S3C2416中的SPI控制器为例，参看arch/arm/plat-s3c24xx/dev-spi.c文件。

static u64 s3c_device_spi0_dmamask = 0xffffffffUL;

struct platform_device s3c_device_spi0 = {
    .name = "s3c2410-spi", //名称，要和Platform_driver匹配
    .id = 0, //第0个控制器，S5PC100中有3个控制器
    .num_resources = ARRAY_SIZE(s3c_spi0_resource), //占用资源的种类
    .resource = s3c_spi0_resource, //指向资源结构数组的指针
    .dev = {
        .dma_mask = &s3c_device_spi0_dmamask, //dma寻址范围
        .coherent_dma_mask = 0xffffffffUL
        //可以通过关闭cache等措施保证一致性的dma寻址范围
   }
};

EXPORT_SYMBOL(s3c_device_spi0);

③ platform_driver

        再看platform_driver，参看drivers/spi/spi_s3c24xx.c文件

static struct platform_driver s3c24xx_spi_driver = {
    .driver = {
        .name = "s3c24xx-spi", //名称，和platform_device对应
        .owner = THIS_MODULE,
    },
    .remove = s3c24xx_spi_remove,
    .suspend = s3c24xx_spi_suspend,
    .resume = s3c24xx_spi_resume,
};

MODULE_ALIAS("platform:s3c24xx-spi");

static int __init s3c24xx_spi_init(void)
{
    return platform_driver_probe(&s3c24xx_spi_driver, s3c24xx_spi_probe);
}

        和平台中注册的platform_device匹配后，调用s3c24xx_spi_probe。然后根据传入的platform_device参数，构建一个用于描述SPI控制器的结构体spi_master，并注册。spi_register_master(master)。后续注册的spi_device需要选定自己的spi_master，并利用spi_master提供的传输功能传输spi数据。

        和I2C类似，SPI也有一个描述控制器的对象叫spi_master。其主要成员是主机控制器的序号（系统中可能存在多个SPI主机控制器）、片选数量、SPI模式和时钟设置用到的函数、数据传输用到的函数等。

struct spi_master {
    struct device dev;
    struct list_head list;
    /* 表示是SPI主机控制器的编号。由平台代码决定. */
    s16 bus_num;
    /* 控制器支持的片选数量，即能支持多少个spi设备 */
    u16 num_chipselect;
    /* some SPI controllers pose alignment requirements on DMAable
    * buffers; let protocol drivers know about these requirements. */
    u16 dma_alignment;
    /* spi_device.mode flags understood by this controller driver */
    u16 mode_bits;
    /* other constraints relevant to this driver */
    u16 flags;
    /* lock and mutex for SPI bus locking */
    spinlock_t bus_lock_spinlock;
    struct mutex bus_lock_mutex;
    /* flag indicating that the SPI bus is locked for exclusive use */
    bool bus_lock_flag;
    /* 针对设备设置SPI的工作时钟及数据传输模式等。在spi_add_device函数中调用 */
    int (*setup)(struct spi_device *spi);
    /* bidirectional bulk transfers */
    int (*transfer)(struct spi_device *spi, struct spi_message *mesg);
    /* called on release() to free memory provided by spi_master */
    void (*cleanup)(struct spi_device *spi);
};

        这样，我们就可以执行make menuconfig配置内核选项，添加SPI驱动到我们的内核了。

④ spi bus

        Spi总线对应的总线类型为spi_bus_type，在内核的drivers/spi/spi.c中定义

struct bus_type spi_bus_type = {
    .name = "spi",
    .dev_attrs = spi_dev_attrs,
    .match = spi_match_device,
    .uevent = spi_uevent,
    .pm = &spi_pm,
};

EXPORT_SYMBOL_GPL(spi_bus_type);

        对应的匹配规则如下：

static int spi_match_device(struct device *dev,
struct device_driver *drv)
{
    const struct spi_device *spi = to_spi_device(dev);    
    const struct spi_driver *sdrv = to_spi_driver(drv);

    /* Attempt an OF style match */
    if (of_driver_match_device(dev, drv))
    return 1;

    if (sdrv->id_table)
    return !!spi_match_id(sdrv->id_table, spi);

    return strcmp(spi->modalias, drv->name) == 0;
}

⑤ spi_device

        下面是spi_device的构建与注册。spi_device对应的含义是挂接在spi总线上的一个设备，所以描述它的时候应该明确它自身的设备特性、传输要求、及挂接在哪个总线上。参看arch/arm/mach-s3c2416/mach-smdk2416.c文件。

根据硬件原理图图3所示，MCP2515挂在SPI0上，使用中断GPF1。

#define SMDK2416_MCP2515 0

static struct s3c24xx_spi_csinfo smdk_spi0_csi[] = {
{
    .set_level = smdk_mmcspi_cs_set_level,
    .fb_delay = 0x3,
},
};

static struct mcp251x_platform_data mcp251x_info = {
    .oscillator_frequency = 8 * 1000 * 1000, //设置MCP2515外部晶振频率
};

static struct spi_board_info s3c_spi_devs[] __initdata = {
{
    .modalias = "mcp2515", //设备名，和spi_driver对应
    .mode = SPI_MODE_0, //CPOL=0, CPHA=0
    .max_speed_hz = 2 * 1000 * 1000, //最大的spi时钟频率
    .irq = IRQ_EINT(1), //外部中断GPF1
    .bus_num = 0,	 //设备连接在spi控制器0上
    .chip_select = 0,	 //片选线号
    .platform_data = &mcp251x_info,	 //平台信息
    .controller_data = &smdk_spi0_csi[SMDK2416_MCP2515],
},
};

        事实上上文提到的spi_master的注册会在spi_register_board_info之后，spi_master注册的过程中会调用scan_boardinfo扫描board_list，找到挂接在它上面的spi设备，然后创建并注册spi_device。

spi_register_board_info(s3c_spi_devs, ARRAY_SIZE(s3c_spi_devs));

⑥ spi_driver

        下面就要介绍SPI驱动的编写了。

        首先构建一个spi_driver；

static struct spi_driver mcp2515_driver = {
    .driver = {
        .name = DEVICE_NAME,
        .bus = &spi_bus_type,
        .owner = THIS_MODULE,
    },

    .probe = mcp2515_probe,
    .remove = __devexit_p(mcp2515_remove),
    .suspend = mcp2515_suspend,
    .resume = mcp2515_resume,
};

        需要调用spi_register_driver函数注册这个spi_driver；

static int __init mcp2515_can_init(void)
{
    return spi_register_driver(&mcp2515_driver);
}

        在有匹配的spi device时，会调用mcp2515_probe函数；

static int __devinit mcp2515_probe(struct spi_device *spi)
{
    struct mcp2515_chip *chip;
    int ret;

    /* 为设备结构体申请空间 */
    chip = kmalloc(sizeof(struct mcp2515_chip), GFP_KERNEL);
    if (!chip) {
       ret = -ENOMEM;
       goto error_alloc;
    }

    /* 初始化设备结构体 */
    dev_set_drvdata(&spi->dev, chip);

    ……

    /* 初始化工作队列 */
    INIT_WORK(&chip->irq_work, mcp2515_irq_handler);

    /* 申请中断 */
    ret = request_irq(IRQ_EINT(1), mcp2515_irq,
    IRQF_DISABLED | IRQF_TRIGGER_FALLING, DEVICE_NAME, spi);
    if (ret < 0) {
        printk("MCP2515: Request_irq() Error!\n");
        goto error_irq;
    }

    /* 初始化等待队列头 */
    init_waitqueue_head(&chip->rwq);

    /* 注册设备 */
    ……
    printk ("MCP2515: MCP2515 Can Device Driver.\n");
}

        根据传入的spi_device参数，可以找到对应的spi_master。当我们加载驱动后如下图显示即说明MCP2515驱动加载成功。

图3 加载MCP2515驱动

        接下来，我们就可以利用SPI子系统为我们完成数据交互了。

3. 总结

        至此，使用SPI子系统注册MCP2515 CAN总线驱动设计的就介绍完了。设备注册成功之后，我们就可以对CAN总线通讯设计实现函数了。

        下一篇文章将会详细介绍MCP2515功能函数的实现。