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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。

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1. static u64 s3c_device_spi0_dmamask = 0xffffffffUL;  
2.   
3. struct platform_device s3c_device_spi0 = {  
4.     .name = "s3c2410-spi", //名称，要和Platform_driver匹配  
5.     .id = 0, //第0个控制器，S5PC100中有3个控制器  
6.     .num_resources = ARRAY_SIZE(s3c_spi0_resource), //占用资源的种类  
7.     .resource = s3c_spi0_resource, //指向资源结构数组的指针  
8.     .dev = {  
9.         .dma_mask = &s3c_device_spi0_dmamask, //dma寻址范围  
10.         .coherent_dma_mask = 0xffffffffUL  
11.         //可以通过关闭cache等措施保证一致性的dma寻址范围  
12.    }  
13. };  
14.   
15. EXPORT_SYMBOL(s3c_device_spi0);  

③ platform_driver

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

[cpp] view plain copy

1. static struct platform_driver s3c24xx_spi_driver = {  
2.     .driver = {  
3.         .name = "s3c24xx-spi", //名称，和platform_device对应  
4.         .owner = THIS_MODULE,  
5.     },  
6.     .remove = s3c24xx_spi_remove,  
7.     .suspend = s3c24xx_spi_suspend,  
8.     .resume = s3c24xx_spi_resume,  
9. };  
10.   
11. MODULE_ALIAS("platform:s3c24xx-spi");  
12.   
13. static int __init s3c24xx_spi_init(void)  
14. {  
15.     return platform_driver_probe(&s3c24xx_spi_driver, s3c24xx_spi_probe);  
16. }  

        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。

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1. struct spi_master {  
2.     struct device dev;  
3.     struct list_head list;  
4.     /* 表示是SPI主机控制器的编号。由平台代码决定. */  
5.     s16 bus_num;  
6.     /* 控制器支持的片选数量，即能支持多少个spi设备 */  
7.     u16 num_chipselect;  
8.     /* some SPI controllers pose alignment requirements on DMAable 
9.     * buffers; let protocol drivers know about these requirements. */  
10.     u16 dma_alignment;  
11.     /* spi_device.mode flags understood by this controller driver */  
12.     u16 mode_bits;  
13.     /* other constraints relevant to this driver */  
14.     u16 flags;  
15.     /* lock and mutex for SPI bus locking */  
16.     spinlock_t bus_lock_spinlock;  
17.     struct mutex bus_lock_mutex;  
18.     /* flag indicating that the SPI bus is locked for exclusive use */  
19.     bool bus_lock_flag;  
20.     /* 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 */  
21.     int (*setup)(struct spi_device *spi);  
22.     /* bidirectional bulk transfers */  
23.     int (*transfer)(struct spi_device *spi, struct spi_message *mesg);  
24.     /* called on release() to free memory provided by spi_master */  
25.     void (*cleanup)(struct spi_device *spi);  
26. };  

        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

[cpp] view plain copy

1. struct bus_type spi_bus_type = {  
2.     .name = "spi",  
3.     .dev_attrs = spi_dev_attrs,  
4.     .match = spi_match_device,  
5.     .uevent = spi_uevent,  
6.     .pm = &spi_pm,  
7. };  
8.   
9. EXPORT_SYMBOL_GPL(spi_bus_type);  

        对应的匹配规则如下：

[cpp] view plain copy

1. static int spi_match_device(struct device *dev,  
2. struct device_driver *drv)  
3. {  
4.     const struct spi_device *spi = to_spi_device(dev);<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">    </span>  
5.     const struct spi_driver *sdrv = to_spi_driver(drv);  
6.   
7.     /* Attempt an OF style match */  
8.     if (of_driver_match_device(dev, drv))  
9.     return 1;  
10.   
11.     if (sdrv->id_table)  
12.     return !!spi_match_id(sdrv->id_table, spi);  
13.   
14.     return strcmp(spi->modalias, drv->name) == 0;  
15. }  

 

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。

[cpp] view plain copy

1. #define SMDK2416_MCP2515 0  
2.   
3. static struct s3c24xx_spi_csinfo smdk_spi0_csi[] = {  
4. {  
5.     .set_level = smdk_mmcspi_cs_set_level,  
6.     .fb_delay = 0x3,  
7. },  
8. };  
9.   
10. static struct mcp251x_platform_data mcp251x_info = {  
11.     .oscillator_frequency = 8 * 1000 * 1000, //设置MCP2515外部晶振频率  
12. };  
13.   
14. static struct spi_board_info s3c_spi_devs[] __initdata = {  
15. {  
16.     .modalias = "mcp2515", //设备名，和spi_driver对应  
17.     .mode = SPI_MODE_0, //CPOL=0, CPHA=0  
18.     .max_speed_hz = 2 * 1000 * 1000, //最大的spi时钟频率  
19.     .irq = IRQ_EINT(1), //外部中断GPF1  
20.     .bus_num = 0,    //设备连接在spi控制器0上  
21.     .chip_select = 0,    //片选线号  
22.     .platform_data = &mcp251x_info,  //平台信息  
23.     .controller_data = &smdk_spi0_csi[SMDK2416_MCP2515],  
24. },  
25. };  

 

        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。

[cpp] view plain copy

1. 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；

[cpp] view plain copy

1. static struct spi_driver mcp2515_driver = {  
2.     .driver = {  
3.         .name = DEVICE_NAME,  
4.         .bus = &spi_bus_type,  
5.         .owner = THIS_MODULE,  
6.     },  
7.   
8.     .probe = mcp2515_probe,  
9.     .remove = __devexit_p(mcp2515_remove),  
10.     .suspend = mcp2515_suspend,  
11.     .resume = mcp2515_resume,  
12. };  

        需要调用spi_register_driver函数注册这个spi_driver；

[cpp] view plain copy

1. static int __init mcp2515_can_init(void)  
2. {  
3.     return spi_register_driver(&mcp2515_driver);  
4. }  

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

[cpp] view plain copy

1. static int __devinit mcp2515_probe(struct spi_device *spi)  
2. {  
3.     struct mcp2515_chip *chip;  
4.     int ret;  
5.   
6.     /* 为设备结构体申请空间 */  
7.     chip = kmalloc(sizeof(struct mcp2515_chip), GFP_KERNEL);  
8.     if (!chip) {  
9.        ret = -ENOMEM;  
10.        goto error_alloc;  
11.     }  
12.   
13.     /* 初始化设备结构体 */  
14.     dev_set_drvdata(&spi->dev, chip);  
15.   
16.     ……  
17.   
18.     /* 初始化工作队列 */  
19.     INIT_WORK(&chip->irq_work, mcp2515_irq_handler);  
20.   
21.     /* 申请中断 */  
22.     ret = request_irq(IRQ_EINT(1), mcp2515_irq,  
23.     IRQF_DISABLED | IRQF_TRIGGER_FALLING, DEVICE_NAME, spi);  
24.     if (ret < 0) {  
25.         printk("MCP2515: Request_irq() Error!\n");  
26.         goto error_irq;  
27.     }  
28.   
29.     /* 初始化等待队列头 */  
30.     init_waitqueue_head(&chip->rwq);  
31.   
32.     /* 注册设备 */  
33.     ……  
34.     printk ("MCP2515: MCP2515 Can Device Driver.\n");  
35. }  

        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。