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Linux 驱动架构

桌面机器人 Linux 驱动层位于 MCU 固件和用户空间应用之间。驱动向上只暴露 Linux 标准子系统接口，向下绑定具体控制器、总线和板级资源；语义动作仍由上层 运行时产生，MCU 固件协议仍由固件模块维护。

分层边界

用户空间 / ROS 2
        |
        | AF_CAN、termios、spidev 或 GPIO character device
        v
Linux 子系统核心
        |
        +-- SocketCAN core -------------+
        |                                 |
        |                           net_device
        |                                 |
        +-- tty / SPI / GPIO ------------+
                                          |
                                   控制器驱动
                                   (MMIO / IRQ / DMA)
                                          |
                                    PCB 外设资源

驱动不得向应用层泄漏硬件细节，也不得绕过内核子系统实现并行协议。设备节点、 网络接口、错误码和统计信息必须遵循对应内核子系统的既有语义。

生命周期契约

每个硬件模块都应按以下顺序实现和审查：

  1. probe：验证设备树/ACPI 资源、时钟、复位和中断；任何资源缺失都失败关闭。
  2. register：CAN 驱动完成 alloc_candev 后调用 register_candev；TTY 和 SPI 驱动分别调用 tty_register_driver 和 spi_register_driver 等标准注册 API， 注册成功前不对外发布可用设备。
  3. open：清空硬件状态、建立 RX/TX 队列并启用 IRQ；失败时按反向顺序回滚。
  4. transfer：上半部只确认并屏蔽必要的中断，下半部或 NAPI 完成收包、DMA 回收 和统计更新；不可在 IRQ 上下文中睡眠。
  5. stop：停止新传输、排空或取消 DMA、屏蔽 IRQ；等待正在执行的 IRQ handler、 NAPI 和 work 完成后，再释放队列和状态。
  6. remove：先撤销用户可见接口，执行与 stop 相同的同步和排空路径；确认没有 IRQ、NAPI 或 work 正在运行后，再释放映射、时钟、DMA 和中断资源。

probe、open 和 remove 的错误路径必须幂等。半初始化状态不得留下网络接口、 字符设备或可继续访问的 MMIO 映射。

并发与数据所有权

  • 配置状态使用 mutex；IRQ、TX 完成和 RX/NAPI 共享的短状态使用 spinlock。
  • DMA 描述符和缓冲区由驱动拥有，提交前执行 dma_map_*，回收后执行对应的 dma_unmap_*；不得把 DMA 地址当作 CPU 指针。
  • RX 缓冲区在交给网络栈前完成 cache 同步，网络栈释放后才能重新入队。
  • TX 队列只有在硬件确认可用时唤醒；队列满返回 NETDEV_TX_BUSY，不能静默丢帧。
  • 中断统计、错误计数和最后一次恢复原因必须使用内核原子/锁保护，并可通过 ethtool -S 或子系统标准统计读取。

CAN 驱动映射

任务书中的 LINUX2 以 SocketCAN 为验收边界：

能力 内核边界 当前状态
标准帧与扩展帧 struct can_frame、CAN_EFF_FLAG wbcan 已覆盖测试语义
CAN FD struct canfd_frame、CAN_CTRLMODE_FD 等待控制器型号和线速确认
过滤 CAN core/socket filter 由 SocketCAN 统一处理
错误统计 can_priv.can_stats、错误帧 wbcan 提供可重复的故障测试
延迟目标 TX 提交到 RX 时间戳 必须在目标硬件上测量，不能用虚拟模块代替

wbcan 的 debugfs 故障注入只用于测试，不是生产控制 ABI。物理 CAN 驱动不得 复用该 debugfs 接口作为设备配置面；生产配置应走 SocketCAN、设备树和标准网络工具。

IRQ、DMA 与恢复策略

LINUX5/LINUX6 的实现必须在硬件资源确认后补充以下内容：

  • IRQ：确认共享中断标志后再清中断；上半部只做确认和调度，下半部批量处理。
  • DMA：预分配固定大小的环形描述符，限制单次批量；错误时停止队列并回收所有 在途缓冲区，恢复成功后才重新唤醒队列。
  • 总线恢复：CAN bus-off 通过 CAN core 的 restart 语义暴露，不能自行伪造用户空间 状态；恢复失败必须保留错误计数并保持设备不可发送。
  • 可观测性：至少提供标准网络统计、错误计数、IRQ/DMA 回收计数和最近一次恢复原因， 便于性能与故障证据注册。

开发与验收

在没有目标内核头文件或真实控制器之前，只能运行静态文档检查和 wbcan 软件测试。 物理驱动 PR 还必须附带：

  1. 目标内核版本、设备树/ACPI 资源和控制器数据手册版本；
  2. make -C <module>、checkpatch.pl 和模块加载/卸载输出；
  3. SocketCAN 收发、错误恢复、并发卸载以及 DMA/IRQ 计数证据；
  4. 延迟、吞吐和 jitter 的原始采样，而不是规划值。

kernel/wbcan 是可重复的 SocketCAN 故障测试设备，不是目标板的物理 CAN 驱动， 不能作为真实吞吐、延迟或 jitter 的证据。后续驱动 PR 应先补齐目标控制器型号、 寄存器/设备树资源和内核版本，再分别实现 CAN、UART/SPI、GPIO、DMA 和 IRQ 模块， 并沿用本架构的错误回滚、数据所有权和证据要求。

LINUX6 的 IRQ 生命周期和 fake provider 位于 hardware/linux_drivers/irq/。它固化 共享线路、上半部确认、下半部 work、取消/flush 和停止同步测试，但不冻结真实 IRQ 资源、调度优先级、PREEMPT_RT 或物理 jitter 预算。

LINUX3 的 UART/SPI 软件契约和 fake transport 测试位于仓库的 hardware/linux_drivers/uart_spi/。该契约是 owner-gated 的提案：它固化边界、CRC、 序号、背压和重试测试，但不冻结物理控制器、pinmux、设备树、DMA 或 IRQ 参数。