Android是指“機器人”，由Google公司于2007年11月5日發(fā)布的基于Linux平臺的開源手機操作系統(tǒng)，是首個為移動終端打造的真正開放和完整的移動軟件。Android是一個開放平臺，在嵌入式移動設備領域里具有良好的應用前景，但在不同的設備上往往有不同的硬件支持，要在Android中添加這些硬件應用，不是單純地在Linux內(nèi)核中添加驅動模塊，還必須在用戶空間和應用框架中添加對應的支持。
控制器局域網(wǎng)絡(Control Area Network，CAN)，屬于現(xiàn)場總線的范疇，是德國Bosch公司在20世紀80年代初，為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。由于CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有良好的可靠性、實時性和靈活性，CAN已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制等領域中得到了廣泛應用。文中以S5PV210微處理器為硬件平臺，通過擴展其SPI接口，實現(xiàn)了CAN控制器MCP 2515在Android操作系統(tǒng)下的驅動程序開發(fā)。
1 系統(tǒng)硬件結構
系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)都要通過CAN總線模塊，CAN總線模塊設計框圖如圖1所示，S5PV210通過SPI接口實現(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，構成一個完整的CAN總線收發(fā)模塊。
1．1 S5PV210的SPI接口
接口協(xié)議(Setial Peripheral Interface，SPI)是Motorola公司推出的一種使用時鐘線和2根數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)的同步串行協(xié)議，即串行外設接口。S5PV210提供的SPI接口主要用于S5PV210與外圍低速器件之間進行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)全雙工通信，傳輸速度最高可達5 Mbit·s-1。SPI總線接口主要用于主從分布式的通信網(wǎng)絡，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，時鐘信號也由主控制器發(fā)出。
1．2 CAN控制器MCP2515
MCP2515是Microchip生產(chǎn)的一款獨立CAN協(xié)議控制器。MCP2515支持CAN1．2、CAN2．0A、主動和被動CAN2．0B等版本的協(xié)議，能夠發(fā)送和接收標準和擴展報文，它還同時具備驗收過濾以及報文管理功能。圖2為MCP2515的結構框圖。該器件主要由3個部分組成：(1)CAN協(xié)議引擎。(2)為器件及其運行進行配置的控制邏輯和SRAM寄存器。(3)SPI協(xié)議模塊。
1．3 CAN收發(fā)器MCP2551
MCP2551是一個可容錯的高速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標準，且滿足24 V電壓要求。它的工作速率達1 Mbit·s-1。
2 CAN總線驅動程序的設計
2．1 Android操作系統(tǒng)驅動原理
Android雖然使用了Linux內(nèi)核，但應用程序是用Java語言開發(fā)的，所以應用程序在調用設備驅動不能像Linux應用程序那樣使用系統(tǒng)調用，必須用Java虛擬機的JNI的本地(Native)方法。另一方面，Android要成為一個通用性強的平臺，必須加強它的可移植性，這也是在Andr oid架構添加一個(HAL)硬件抽象層的原因，目的是為設備的調用提供一個更高級的封裝。圖3所示為Android驅動程序的技術結構。
HAL Stub以*．so庫的形式存在，在整個驅動架構中，它是驅動運行在用戶空間的一部分，它往上為Dalvik虛擬機提供硬件設備的抽象接口，往下通過系統(tǒng)調用與Linux內(nèi)核中的驅動程序交互數(shù)據(jù)，在這個過程中HAL可以對驅動程序的數(shù)據(jù)進行處理，即在Linux內(nèi)核中的驅動程序只需提供一個與硬件設備傳輸數(shù)據(jù)的功能，而具體的操作可以由HAL完成。Android下CAN總線驅動程序的實現(xiàn)，不但要在Linux內(nèi)核中添加CAN驅動模塊，還必須在用戶空間和應用框架中添加對應的支持。
2．2 CAN驅動程序實現(xiàn)流程
主控制器S5PV210通過其自身的SPI接口實現(xiàn)與MCP2515的連接，若要使平臺正常工作，軟件的實現(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MCP2515的寄存器進行設置。CAN驅動程序流程圖如圖4所示，第一步是實現(xiàn)S5PV210的SPI總線的加載和聲明；第二步是Linuxkernel中CAN驅動的實現(xiàn)，包括MCP2515的初始化、MCP2515的讀寫、CAN驅動的加載。第三步是Android HAL層的調用。
3 CAN總線驅動程序的實現(xiàn)
3．1 SPI總線加載和聲明
系統(tǒng)的CAN總線設備通過S5PV210的SPI總線連接，因此，需要設計SPI線驅動完成數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。關于SPI總線驅動在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備驅動spi_driver，間接與原始設備驅動建立聯(lián)系，并最終通過調用driver_register來注冊原始設備驅動，即只需要在內(nèi)核提供的spi_driver上修改調試，大幅提高了程序效率和可移植性。
這樣在結構體mop2515_driver里完成了對MCP2515驅動函數(shù)probe，remove的賦值。然后就可以通過SPI對MCP2515的寄存器進行設置來實現(xiàn)CAN總線驅動程序。
3．2 Linux中CAN驅動程序實現(xiàn)
針對MCP2515控制器，在Linux kernel設計中采用字符設備驅動開發(fā)的形式。驅動初始化函數(shù)staticint_init MCP2515_init()，首先通過ioremap()函數(shù)將S5PV210的SPI寄存器的物理地址映射到內(nèi)核空間，這樣才可以在驅動程序中訪問和配置S5PV210的SPI寄存器。在正確配置S5PV210的SPI寄存器后，通過register_chrdev()函數(shù)為MCP2515注冊設備驅動，分配主設備號，這樣在設備文件目錄中創(chuàng)建對應的設備文件后，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，分配空間包括為設備數(shù)據(jù)結構以及其內(nèi)部的接收發(fā)送緩沖區(qū)動態(tài)分配空間。同時在probe()還需要完成申請中斷工作，并初始化中斷處理隊列，在中斷處理隊列中讀取CANINTF寄存器，判斷是接收／發(fā)送中斷的哪一個緩沖器，或者說是錯誤中斷最后通過enable_irq()函數(shù)使能S5PV210相應的中斷引腳。
(1)MCP2515初始化。在實現(xiàn)了SPI的加載和聲明后，就可以利用SPI寫命令對MCP2515進行初始化。MCP2515的初始化過程為：首先將CAN控制寄存器CANCTRL的REQOP<2：0>位設置為‘100’進入配置模式，所有錯誤計數(shù)器被清零，進入配置模式后設置波特率，禁止所有中斷，設置濾波器，清除發(fā)送接收緩存，打開中斷，完成MCP2515的初始化。MCP2515初始化過程如圖5所示。
(2)MCP2515中斷方式。由于CAN總線接收數(shù)據(jù)時必須與系統(tǒng)以中斷方式交換數(shù)據(jù)，所以必須注冊中斷。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()使定義中斷鏈失效。具體代碼為request_irq(irq_EINTO mcp2515_int，IRQF_DISABLED，device_name，NULL)；其中函數(shù)request_irq()的第1個參數(shù)是設備申請的中斷號；第2個參數(shù)是向系統(tǒng)注冊的中斷處理函數(shù)；第3個參數(shù)是中斷處理的屬性，IRQF_DISABLED表示中斷處理程序是一個快速中斷處理程序，被調用時屏蔽所有中斷；第4個參數(shù)是中斷的設備名稱；第5個參數(shù)是申請時通知系統(tǒng)的設備標志，該函數(shù)返回值為0表示申請成功，返回負數(shù)表示失敗，這樣當中斷發(fā)生時，在中斷處理函數(shù)mcp2515_int()中讀取CAN狀態(tài)寄存器CANSTAT，判斷RXB0是否裝入報文，如果是則把報文通過SPI接收數(shù)據(jù)寄存器讀取到buff er中，等待系統(tǒng)函數(shù)CAN_Read()讀取。
(3)MCP2515驅動程序的核心文件結構file_operations。CAN總線應用程序通過file_operations數(shù)據(jù)結構訪問CAN設備驅動函數(shù)，<／kem el／linux／fs．h>對file_operations數(shù)據(jù)結構中的各個變量做了詳解。內(nèi)核可以通過文件結構來訪問驅動程序的函數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)調用。
CAN應用程序可以通過系統(tǒng)函數(shù)read()和write()實現(xiàn)讀取和寫入相應的數(shù)據(jù)，open()函數(shù)中完成設備的打開，close()函數(shù)中完成注銷設備的工作，ioctl()函數(shù)中需要完成MCP2515控制器的初始化工作：設置控制器的工作模式、設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驅動編譯
(1)將寫好的驅動源文件拷貝到／kernel／drivers／char／下，并打開Kconfig添加如下代碼：
config S5pv210_CAN
tristate“S5pv210 can controller driver”
depends on ARCH_S5pv210
help
This option enable support for CAN
(2)在／kernel／drivers／char／Makefile文件的適當位置添加如下代碼：
obj-$(CONFIG_S5pv210_CAN)+=S5pv210-can．o
(3)添加can功能。在／kernel／下make menuconfig DeviceDrivers→Characterdevices→<M>S5pv210 cancontroller driver動態(tài)加載CAN驅動并保存退出。
(4)重新編譯內(nèi)核。在終端進入／kernel／目錄，執(zhí)行make命令后在／kernel／drivers／char／下找到S5pv210_can．o，此為Linux kernel層生成的CAN設備驅動文件，kernel層驅動向下直接操作硬件，向上層也就是HAL層，提供／dev／can設備節(jié)點文件，提供驅動接口unclocked_ioctl()函數(shù)。
4 Android HAL層的調用
CAN驅動程序在Android系統(tǒng)下的實現(xiàn)，硬件抽象層(HAL)的調用是關鍵。將Android系統(tǒng)移植到其他硬件平臺或在Android系統(tǒng)中添加新硬件支持時，都需要對Android HAL層進行移植或實現(xiàn)在libhardware接口的頭文件hardware．h中，定義了HAL實現(xiàn)過程中的3個通用結構體struct hw_module_t、struct hw_module_methods_t和struct hw_device_tostruct hw modules_methods_t用來表示一個模塊表示方法，結構體中只包含了打開模塊的函數(shù)指針。struethw_module_t用來定義一個硬件模塊的信息，具體的硬件模塊中，需要“繼承”這個結構體。st ruct hw_device_t用來表示一個硬件設備，在一個硬件模塊中可以同時包含多個硬件設備。在一個模塊的HAL層開發(fā)中，具體的硬件調用流程為：(1)通過ID得到硬件模塊。(2)從硬件模塊得到hw_modules_t，打開得到硬件設備hw_device_t。(3)調用hw_device_t中的各個方法。(4)通過hw_device_t的close關閉設備。
Android系統(tǒng)下CAN模塊的實現(xiàn)在完成SPI總線和：MCP2515控制器的驅動后必須實現(xiàn)Android HAL層的調用。CAN總線的HAL層調用流程如圖6所示。
編寫HAL層使用struet hw_module_t、struct hw_module_methods_t和struct hw_device_t 3個結構體來設置對CAN模塊的操作方法；JNI層主要完成對HAL層提供的硬件操作方法的注冊，JNI通過CAN_HARDWARE_MODULE_ID找到對應的stub，使Framework層可以使用這些方法；Setv ice層主要聲明了JNI可以提供的方法，加載libcan_runtime．so，加載時會調用JNI層的JNI_OnLoad，這樣JNI中的方法可以被 Service調用；編寫App應用程序，使App直接調用service，完成Android HAL層的調用。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，下載并運行操作系統(tǒng)。此時，CAN總線驅動程序將會加載，這樣就實現(xiàn)了Android系統(tǒng)下CAN控制器MCP2515驅動程序的開發(fā)。
5 結束語
在分析Android驅動原理的基礎上，介紹了CAN總線在Android下的實現(xiàn)流程，并添加了CAN驅動程序在嵌入式操作系統(tǒng)Android中，對其他Android平臺非標準設備驅動程序的開發(fā)有一定的借鑒作用。
