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1、中国科学技术大学 硕士学位论文 基于QEMU的CAN总线节点仿真器的研究和设计 姓名：裴建国 申请学位级别：硕士 专业：计算机系统结构 指导教师：李曦 20100411 摘 要 I 摘摘 要要 随着汽车行业的快速发展，汽车控制网络（简称车控网）在整个汽车设计 过程中，变得越来越重要。缩短车控网的开发周期，降低车控网的开发成本对汽 车开发非常重要。车控网的开发需要引入一套满足软/硬件协同设计需求的低成 本开发工具链，其中硬件仿真器是最重要的工具之一。硬件仿真器为软件开发提 供功能验证，缩短整个嵌入式系统的开发周期。 在车控网硬件平台未开发完成前， 硬件仿真器可以为车控网的软件系统开发 提供一个完
2、备的硬件仿真环境，实现软件功能的验证。目前，CAN 总线和飞思 卡尔公司的 MPC 系列处理器在车控网中使用较为普遍。 因此， 本文将以 MPC555 芯片和 TouCAN 设备为例，在分析 MPC555 微控制器体系结构，TouCAN 设备 功能特征和 QEMU 仿真平台的基础上，围绕本实验室操作系统的开发需求，设 计实现一个满足车控网软/硬件协同设计需求的 CAN 总线节点功能仿真器 （简称 CES） 。这款仿真器由 MPC555 微控制器功能仿真模块和 TouCAN 设备功能仿真 模块组成。本文的主要工作如下： 1) MPC555 微控制器功能仿真模块的实现 本文基于 QEMU 平台的
3、PowerPC401 处理器仿真模块，开发 MPC555 微控 制器的功能仿真模块，主要工作包括异常向量表，中断屏蔽控制寄存器和中断控 制器的功能仿真。 2) TouCAN 设备功能仿真模块的实现 本文通过在 QEMU 平台上添加外部设备仿真模块的方式，实现 TouCAN 设 备的功能仿真，主要工作包括寄存器编程接口，CAN 协议帧和 CAN 总线仲裁机 制的功能仿真。 关键字关键字：CAN 总线; CAN 总线节点功能仿真器; 功能仿真 Abstract II Abstract With the rapid development of automobile industry, automo
4、tive control network plays an important role in the design of automobile. It is very important for the development of vehicle that the development cycle and cost of automotive control network would improved. The development of vehicle control network is a difficult problem at present. Because it nee
5、ds a lot of cheap toolchains,which must meet the requirement of hardware/software co-design. In the toolchains, hardware emulator plays an important role. The emulator provides funcation verification for the development of software and shortens the development period of embedded system. In the devel
6、opment of the automotive control network, hardware emulator provides hardware simulation environment and the service of verification for the development of software before the completion of hardware platform. In the general automotive control nework, the connection between nodes is CAN bus and the p
7、rocessor chip in node is MPC555 microcontroller. This paper will introduce an CAN bus node funcation emulator which meet the requirement of hardware/software co-design of the development of automotive control network. For the development of the operation system of our lab, this emulator is developed
8、 base on the analysis of MPC555 chip, TouCAN device and QEMU platform.It is called CES and composed of two modules. One is MPC555 function simulation module, another is TouCAN function simulation module. The main work of this paper list as follows: 1) The function simulation module of MPC555 microco
9、ntroller Base on the PowerPC401 simulation module in QEMU platform, The paper develops the module by achieving the function simulation of exception vector table, interrupt mask control register and interrupt controller. 2) The function simulation module of TouCAN device This module is achieved in th
10、e platform of QEMU. The main work of the module includes interface register, CAN protocol frame and the arbitration mechanism of CAN bus. Keywords: CAN Bus; CAN bus node emulator; Function simulation 第 1 章 绪论 3 插图目录 插图目录 图 1.1 CAN 总线网络的 DSPN 仿真模型 .9 图 2.1 MPC555 微处理器的体系结构11 图 2.2 MPC555 微控制器的中断处理系统1
11、5 图 2.3 PowerPC 处理器中断处理系统.16 图 2.4 USIU 和 IBM3 总线模块的中断处理系统.17 图 2.5 SIPEND 寄存器结构图18 图 2.6 UIPEND 寄存器 .18 图 2.7 MPC555 微控制器的中断处理流程19 图 2.8 TouCAN 设备初始化的基本过程27 图 2.9 TouCAN 设备发送过程的初始化.28 图 2.10 MPC555 芯片的 TouCAN.26 图 2.11 CAN 协议的标准帧格式25 图 2.12 CAN 协议的扩展帧格式.25 图 2.13 CAN 总线节点竞争总线控制权的情况.30 图 3.1 QEMU 的软
12、件结构32 图 4.1 虚拟 CAN 总线网络的拓扑结构40 图 4.2 通信测试平台框架41 图 4.3 MPC555 中断管理系统仿真模块的框架图.45 图 4.4 CAN 的 CSMA/CD 通信机制流程.54 图 4.5 CAN 仿真网络中的消息格式54 图 4.6 CES 的消息发送流程.55 图 4.7 CES 的消息接收流程.56 图 5.1 CAN 中断处理时间 Tisr.61 图 5.2 CAN 总线仿真网络的可靠性分析.62 第 1 章 绪论 4 表格目录 表格目录 表 2.1 异常向量表重定位功能硬件编程接口.13 表 2.2 MPC555 处理器芯片的异常向量表.13
13、表 2.3 PowerPC 处理器的中断处理相关寄存器.16 表 2.4 OSEK 操作系统访问 MPC555 芯片的寄存器接口20 表 2.5 OSEK 操作系统使用的 PPC 指令集21 表 2.6 TouCAN 设备的寄存器接口.24 表 2.7 扩展帧和标准帧共同属性字段.25 表 2.8 扩展帧私有字段.26 表 2.9 标准帧的私有字段26 表 2.10 TouCAN 设备的中断时间槽 .29 表 3.1 客户机（即 QEMU 模拟的主机）列表.33 表 3.2 宿主机（即真正运行 QEMU 的主机）列表.33 表 3.3 qemu 操作命令选项列表35 表 3.4 MPC555
14、特殊功能寄存器描述表.43 表 3.5 MPC555 中断控制器的主要寄存器接口.46 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以
15、将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第 1 章 绪论 5 第第 1 章章 绪论 绪论 1.1 研究背景研究背景 仿真器的概念仿真器的概念 二十多年前，MICROTEK 公司推出了首台具有划时代意义的仿真器 （Micro-controller In-Circuit Emulator）1，随着 IC 和软件集成平台的飞速发展， 仿真器也不断被赋予新的内容和新的挑战。目前仿真器与示波
16、器，逻辑分析仪已 经成为研发工程师的三大法宝。仿真器的实现方式比较复杂，一般有以下几种实 现方式： 1商用 CPU 这是一种最简单的实现方式，直接采用最普通的商用 CPU 去设计仿真器。 在用商用 CPU 去设计仿真器时，基本上都会采用一些商用 CPU 的原有资源，例 如非屏蔽中断， NMI， TRAP 指令， Ready 信号等等， 最终实现仿真器的单步 Step， 全速运行 Go，断点 Breakpoint 的功能。 一般而言，仿真器不能选择速度太快的商用 CPU，如果 CPU 的速度太快， 则无法用于仿真器的设计。因为仿真器需要在 CPU 的地址和数据总线上，做截 取或插入动作。如果 CPU 的速度很快，则仿真器根本无法在时序上做截取或插 入动作。 在用商用 CPU 去做仿真 CPU 时，一般来说会碰到 I/O 管脚重整的困难，例 如最简单的 8051 或 83C196，其
