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　　ESM8000工控主板搭載了NXP i.MX8M Mini Quad 64位異構(gòu)處理器，包含了一顆主頻1.6GHz的四核ARM Cortex-A53和一顆主頻400MHz 的ARM Cortex-M4。Linux系統(tǒng)在Cortex-A53核心上運行，對于一些實時性要求極高的應(yīng)用，Linux系統(tǒng)可能無法滿足對中斷事件的及時響應(yīng)，而且頻繁的中斷響應(yīng)也會大大的降低操作系統(tǒng)性能。對這類應(yīng)用場合就可充分利用i.MX8MM異構(gòu)多核結(jié)構(gòu)，由高性能的Cortex-A53（Linux系統(tǒng)）完成人機交互、數(shù)據(jù)處理、通訊管理等復(fù)雜運算，而對于實時的數(shù)據(jù)采集、高速的中斷事件響應(yīng)等實時任務(wù)交由Cotex-M4完成。

　　控制器局域網(wǎng) (Controller Area Network，簡稱CAN或者CAN bus) 是一種功能豐富的總線標(biāo)準(zhǔn)。最開始作為車載總線而被設(shè)計出來，隨著CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展和完善，在工業(yè)領(lǐng)域中越來越多的行業(yè)會使用到CAN總線。在實際的應(yīng)用中，為了保證CAN總線的實時性，一般要求CAN總線的負(fù)載不能過高。因此在連接多個設(shè)備的時候，就需要使用到多路CAN總線來進行連接，保證每一路CAN總線的負(fù)載滿足要求。

　　英創(chuàng)公司針對多CAN總線應(yīng)用的需求設(shè)計了ETA706模塊，該模塊通過SPI總線與主板連接，利用ESM8000的SPI1，再通過ESM8000的兩位GPIO譯碼出4個片選，擴展了4片MCP2518FD CAN控制芯片，支持CAN2.0 / CAN FD協(xié)議，加上主板上自帶的兩路CAN，實現(xiàn)了6路CAN總線方案。CAN擴展原理框圖與硬件測試環(huán)境，如圖1、圖2所示：

圖1：6x CAN擴展驅(qū)動原理框圖

圖2:  6x CAN硬件測試環(huán)境

　　當(dāng)CAN總線上數(shù)據(jù)量較大時，SPI總線需要頻繁的中斷和讀寫操作，如果由Linux系統(tǒng)來處理中斷和SPI操作，就會占用相當(dāng)多的CPU資源。此時就可充分利用i.MX8MM異構(gòu)CPU結(jié)構(gòu)，由Crotex-M4來處理CAN中斷和SPI通訊，Linux系統(tǒng)只處理Crotex-M4傳遞過來的CAN帖數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省ESM8000上Cortex-A53的開銷，留出更多CPU資源。

　　Coretx-M4應(yīng)用程序基于FreeRTOS，完成了對MCP2518FD參數(shù)配置、中斷響應(yīng)、數(shù)據(jù)收發(fā)等工作。由于擴展的4路MCP2518FD使用ESM8000的SPI1，通過2位GPIO譯碼出4個片選，所以對SPI1的操作使用Mutex信號量進行互斥保護。對多個MCP2815FD進行片選的實現(xiàn)代碼如下：

#define CH_SEL0 ESM_GPIO26
#define CH_SEL1 ESM_GPIO27
ecspi_rtos_handle_t *DRV_SPI_ChipSelectAssert(uint8_t spiSlaveDeviceIndex, bool assert)
{
    ecspi_rtos_handle_t *handle = NULL;
    static uint8_t last_spiIndex = 0;
    if (assert)
    {        
        if(spiSlaveDeviceIndex < 2)
            handle = &spi[1 + spiSlaveDeviceIndex];
        else        {
            /* Lock resource mutex */
            xSemaphoreTake(spi1_mutex, portMAX_DELAY);  
            
            handle = &spi[0];
            spiSlaveDeviceIndex -= 2;
            /* i.MX8MM 操作一次GPIO的需要300ns左右，所以這里對操作GPIO進行優(yōu)化 */
            if(spiSlaveDeviceIndex != last_spiIndex)           {
                switch (spiSlaveDeviceIndex)
                {
                case 0:
                    GPIO_PortOutClear(CH_SEL0, (0x1 << CH_SEL0->pin) | (0x1 << CH_SEL1->pin));
                    break;
                case 1:    
                    if((last_spiIndex & 0x01) == 0)                
                        GPIO_OutSet(CH_SEL0, 1);
                    if((last_spiIndex & 0x02) != 0)
                        GPIO_OutSet(CH_SEL1, 0);
                    break;
                case 2:
                    if((last_spiIndex & 0x01) != 0)   
                        GPIO_OutSet(CH_SEL0, 0);
                    if((last_spiIndex & 0x02) == 0)
                        GPIO_OutSet(CH_SEL1, 1);
                    break;
                case 3:
                    GPIO_PortOutSet(CH_SEL0, (0x1 << CH_SEL0->pin) | (0x1 << CH_SEL1->pin));
                    break;
                default:
                    handle = NULL;
                    last_spiIndex = 0;
                    GPIO_PortOutClear(CH_SEL0, (0x1 << CH_SEL0->pin) | (0x1 << CH_SEL1->pin));
                }
                last_spiIndex = spiSlaveDeviceIndex;
            }
        }
    }
    else    {
        if (spiSlaveDeviceIndex > 1)        {
            /* Unlock resource mutex */
            (void)xSemaphoreGive(spi1_mutex);
        }
    }
return handle;
}

　　4路MCP2815FD的中斷輸出直接連接到ESM8000的4位GPIO， GPIO在i.MX8MM處理器上是按組(PORT)操作的。每組32位IO，而IO中斷又在PORT內(nèi)再次被分為高低兩組，每組對應(yīng)16位IO，共享一個中斷源。以擴展的CAN2和CAN3為例，它們的中斷輸出分別連接到ESM8000的GPIO2、GPIO3，分別對應(yīng)到i.MX8MM的GPIO_PORT5_Pin26和GPIO_PORT5_Pin27，它們使用同一個GPIO中斷源GPIO5_Combined_16_31_IRQn。當(dāng)GPIO中斷產(chǎn)生后，需要通過讀取gpio_isr中斷狀態(tài)寄存器來判斷具體是那位GPIO引起的中斷。對應(yīng)的中斷處理代碼如下所示：

static inline void GPIO_CommonIRQHandler(uint8_t index, uint32_t gpio_isr, uint32_t gpio_imr, BaseType_t *reschedule)
{        
    if (((gpio_imr >> mcp251xfd[index].int_gpio->pin) & 1) != 0)
    {               
        if (((gpio_isr >> mcp251xfd[index].int_gpio->pin) & 1) != 0)
        {
            /* Disable GPIO pin interrupt */            
            GPIO_PinIntEnalbe_FromISR(mcp251xfd[index].int_gpio, false);            
            /* clear the interrupt status */
            GPIO_ClearStatus(mcp251xfd[index].int_gpio);
            /* Unlock the task to process the event. */
            xSemaphoreGiveFromISR(mcp251xfd[index].xMcp251xINT_event, reschedule);
        }        
    }    
}
void GPIO5_Combined_16_31_IRQHandler(void)
{
    uint32_t gpio_isr, gpio_imr;
    BaseType_t reschedule = false;
    gpio_isr = GPIO_PortGetStatus(GPIO5);  
    gpio_imr = GPIO_PortGetIMR(GPIO5);      
    GPIO_CommonIRQHandler(2, gpio_isr, gpio_imr, &reschedule);
    GPIO_CommonIRQHandler(3, gpio_isr, gpio_imr, &reschedule);
    /* Perform a context switch to wake the higher priority task. */
    portYIELD_FROM_ISR(reschedule);      
}

　　在ESM8000的Linux系統(tǒng)中，可以通過RPMsg和Crotex-M4進行通訊來獲取相關(guān)的信息，關(guān)于RPMsg的介紹可以參考《ESM7000異構(gòu)CPU實時應(yīng)用之二基于rpmsg的通訊機制》。英創(chuàng)公司已經(jīng)提供了相應(yīng)的驅(qū)動文件，加載后會生成標(biāo)準(zhǔn)的CAN設(shè)備。在驅(qū)動中會通過RPMsg和Crotex-M4進行通信以及數(shù)據(jù)的處理，但對于用戶來說是不需要關(guān)心的，直接使用標(biāo)準(zhǔn)的socketcan操作驅(qū)動生成的CAN設(shè)備就行了，用戶程序?qū)AN設(shè)備的操作，驅(qū)動都會將對應(yīng)的操作通過RPMsg發(fā)送給Crotex-M4，然后由Crotex-M4實際對硬件執(zhí)行對應(yīng)的操作，如下圖所示：

圖3：軟件原理框圖

　　驅(qū)動文件在系統(tǒng)啟動完成后會自動加載，如下圖：

　　通過命令ifconfig –a可以查看新生成的can0-can5這6個CAN設(shè)備，使用標(biāo)準(zhǔn)的socketcan就能夠?qū)@6個CAN設(shè)備進行操作。詳細的程序可以參考英創(chuàng)公司提供的例程test_socketcan。下面主要介紹針對這6路CAN設(shè)備進行的測試情況。

　　首先測試單路CAN總線（can0）的性能，測試采用250Kbps波特率，在該波特率下，CAN總線負(fù)載最高大約為每秒2000幀，分別測試了收發(fā)不同數(shù)據(jù)量情況下主板的負(fù)載表現(xiàn)，為了更直觀的體現(xiàn)出M4對負(fù)載的分擔(dān)，我們在同樣條件下測試了直接使用Linux系統(tǒng)（即Cortex-A53）控制時的負(fù)載：

　　因為運行Linux系統(tǒng)的Cortex-A53為4核心，所以A53總負(fù)載為400%。通常系統(tǒng)會自動均衡負(fù)載，比如20%的負(fù)載，理想狀態(tài)下會自動為4個核心各配分5%的負(fù)載。

　　下面同時對比測試兩路CAN總線（can0和can1）通訊的情況：

　　通過上面表格的對比，可以看出來通過Cortex-M4擴展的方案可以有效的降低Linux系統(tǒng)的負(fù)載，留出更多的CPU資源給用戶使用。

　　下面我們采用比較極限的情況來進行測試這套擴展方案的性能，將6路CAN總線同時運行起來，測試每一路CAN總線在250Kbps波特率下每秒接收1000幀和2000幀數(shù)據(jù)時的系統(tǒng)負(fù)載，測試數(shù)據(jù)如下表：

　　同時我們驗證了每一路CAN總線接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，均沒有出現(xiàn)丟幀的情況。在250Kbps波特率下，每秒2000幀數(shù)據(jù)已經(jīng)達到CAN總線的滿載。而6路CAN總線均滿載的情況下Cortex-M4也已經(jīng)達到滿載，說明這套方案的極限性能大約為6路CAN總線每一路達到每秒2000幀的數(shù)據(jù)量。

　　如果對這套方案感興趣的客戶，可以和英創(chuàng)的工程師聯(lián)系，獲取詳細的測試代碼和資料。