摘要：分析了紅外網(wǎng)絡通信標準IrDA的層次結(jié)構,介紹了Linux網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序在內(nèi)核中的工作機理,并以在高端嵌入式處理器PXA255上實現(xiàn)的紅外網(wǎng)絡通信為實例,給出了Linux網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序的一種開發(fā)模式和實現(xiàn)要點,為復雜網(wǎng)絡驅(qū)動程序的設計和各類嵌入式設備開發(fā)中紅外網(wǎng)絡通信的應用提供了一種實用的方法。
關鍵詞：IrDA；Linux；網(wǎng)絡設備驅(qū)動；PXA255　

1         引言

隨著Internet的飛速發(fā)展,從WAN到MAN,再到LAN,PAN,這些技術已逐漸成熟。目前,各類網(wǎng)絡中最具增長潛力的是無線網(wǎng)絡,采用無線局域網(wǎng)(WLAN)來拓展現(xiàn)有網(wǎng)絡,獲得在有效區(qū)域內(nèi)部移動接入網(wǎng)絡的能力,是目前網(wǎng)絡應用研究的熱點之一。紅外網(wǎng)絡通信具有無需申請頻率使用權、成本低廉、連接方便、簡單易用和結(jié)構緊湊等特點,使之與藍牙、802111(Wi2Fi)一樣,成為三種最流行的短距離無線數(shù)據(jù)通信的標準。

Linux是目前最具活力的操作系統(tǒng)之一,其對各類計算機架構的兼容和支持,強健的網(wǎng)絡功能,獨特的自由軟件的特征,近幾年發(fā)展勢頭極為迅猛,它的各種商業(yè)、非商業(yè)的版本,廣泛應用于企業(yè)資源管理、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、網(wǎng)絡運作等各個領域,基于Linux的各種應用開發(fā)成為目前的主流技術之一。

2　IrDA標準簡介

紅外通信是以紅外線作為載體來傳送數(shù)據(jù)信息的,要使各種設備能夠通過紅外口隨意連接,需有一個統(tǒng)一的軟硬件規(guī)范。成立于1993年的紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會IrDA(InfraredDataAssociation)最初制定的IrDA1.0,簡稱為SIR(SerialInfraRed),是基于HP2SIR開發(fā)出來的一種異步、半雙工的紅外通信方式,它依托系統(tǒng)中的異步通信收發(fā)器(UART),通過對串行數(shù)據(jù)脈沖的波形壓縮和對所接收的光信號電脈沖的波形擴展這一編碼解碼過程(3ˆ16EnDec)實現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)傳輸,但最高通信速率只有11512kbˆs。IrDA1.1(也稱FIR,FastInfrared,1996年底推出)由于不依托UART,最高通信速率可達4Mbˆs,它采用了全新的4×10^-6調(diào)制解調(diào),即通過分析脈沖的相位來辨別所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。目前許多嵌入式處理器中的紅外口兼容了SIR和FIR二種標準,即根據(jù)使用時通信速率的選定,自動套用不同的標準。

IrDA標準包括3個基本的規(guī)范和協(xié)議:紅外物理層規(guī)范(IrPHY)、紅外數(shù)據(jù)鏈路訪問協(xié)議(IrLAP)和紅外鏈接管理協(xié)議IrLMP。物理層規(guī)范制定了紅外通信硬件設計上的目標和要求,IrLAP和IrLMP為二個軟件層,負責對鏈接進行設置、管理和維護。IrLAP是為IrDA設備提供基本鏈接層連接的協(xié)議,在HDLC和SDLC基礎上擴充了一些獨特的紅外通訊特性,提供連接制定、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移、流控制等功能,并具有紅外線媒質(zhì)獨特屬性的附加特點。IrLMP取決于連接的關系和由IrLAP提供的處理特性,它允許多個Ir設備連接,并可運行超過一個以上的IrLAP,解決在搜尋IrLAP中的地址沖突,處理在多個設備中的重復地址并產(chǎn)生新的地址,給出連接操作的信息(IAS)。

3　Linux網(wǎng)絡設備的驅(qū)動

由于IrDA不是單純的串口物理通信規(guī)范,而是一種網(wǎng)絡傳輸控制標準。Linux必須按網(wǎng)絡設備驅(qū)動方法來組織紅外數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸。Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序的體系結(jié)構如圖1所示 

體系結(jié)構劃分為四層,自上而下分別為協(xié)議接口層,網(wǎng)絡設備接口層,提供實際功能的設備驅(qū)動功能層,以及網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡媒介層。網(wǎng)絡驅(qū)動程序的設計,最主要的工作就是完成設備驅(qū)動功能層,使其滿足應用中所需的功能。Linux對所有網(wǎng)絡設備都抽象為一個接口,這個接口提供了對所有網(wǎng)絡設備的操作集合。由數(shù)據(jù)結(jié)構structdevice來表示網(wǎng)絡設備在內(nèi)核中的運行情況,即網(wǎng)絡設備接口,它既包括純軟件網(wǎng)絡設備接口,也包括硬件網(wǎng)絡設備接口,由以devbase為頭指針的設備鏈表來集體管理所有網(wǎng)絡設備,該設備鏈表中的每個元素代表一個網(wǎng)絡設備接口。數(shù)據(jù)結(jié)構device(在內(nèi)核中也就是net_device)中有很多供系統(tǒng)訪問和協(xié)議層調(diào)用的設備方法,包括供設備初始化和進行系統(tǒng)注冊用的init函數(shù),打開和關閉網(wǎng)絡設備的open和stop函數(shù),處理數(shù)據(jù)包發(fā)送的函數(shù)hard_start_xmit,以及中斷處理函數(shù)等。

3.1　初始化

網(wǎng)絡設備的初始化主要是由device數(shù)據(jù)結(jié)構中的init函數(shù)指針所指的初始化函數(shù)來完成的,當內(nèi)核啟動或加載網(wǎng)絡驅(qū)動模塊的時候,就會調(diào)用初始化過程。首先檢測網(wǎng)絡物理設備是否存在,這是通過檢測物理設備的硬件特征來完成(系統(tǒng)中的紅外串行接口),然后再對設備進行資源配置,隨后構造設備的device數(shù)據(jù)結(jié)構,用檢測到的數(shù)值對device中的變量初始化。最后向Linux內(nèi)核中注冊該設備并申請內(nèi)存空間。

3.2　數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收

數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收是實現(xiàn)Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序中兩個最關鍵的過程。圖1中明確反映了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的傳輸過程:首先在網(wǎng)絡設備驅(qū)動加載時,通過device域中的init函數(shù)指針調(diào)用網(wǎng)絡設備的初始化函數(shù)對設備進行初始化,如果操作成功就可以通過device域中的open函數(shù)指針調(diào)用網(wǎng)絡設備的打開函數(shù)打開設備,再通過device域中的建立硬件包頭函數(shù)指針hard_header來建立硬件包頭信息。最后通過協(xié)議接口層函數(shù)dev_queue_xmit來調(diào)用device域中的hard_start_xmit函數(shù)指針來完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送。該函數(shù)將把存放在套接字緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到物理設備,該緩沖區(qū)是由數(shù)據(jù)結(jié)構sk_buff來表示的。

數(shù)據(jù)包的接收是通過中斷機制來完成的,當有數(shù)據(jù)到達時,就產(chǎn)生中斷信號,網(wǎng)絡設備驅(qū)動功能層就調(diào)用中斷處理程序,該中斷處理的核心工作是數(shù)據(jù)包的接收,然后網(wǎng)絡協(xié)議接口層調(diào)用netifrx函數(shù),把接收到的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)骄W(wǎng)絡協(xié)議的上層進行處理。

3.3　實現(xiàn)模式

實現(xiàn)Linux網(wǎng)絡設備驅(qū)動功能主要有兩種形式。一是通過內(nèi)核來進行加載,內(nèi)核啟動時即加載網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序,內(nèi)核啟動完成后,網(wǎng)絡驅(qū)動功能隨之實現(xiàn);二是通過模塊加載的形式。在此著重對靈活性更強的模塊加載形式進行討論。

模塊設計是Linux中特有的技術,它使Linux內(nèi)核功能更容易擴展和裁剪,并使各類設備驅(qū)動的開發(fā)模式化。模塊加載網(wǎng)絡驅(qū)動程序的設計步驟是:首先通過模塊加載命令insmod把網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序插入到內(nèi)核之中,然后insmod將調(diào)用init_module()函數(shù)對網(wǎng)絡設備的init函數(shù)指針初始化,通過調(diào)用register_netdev()函數(shù)在Linux系統(tǒng)中注冊該網(wǎng)絡設備。如果成功,再調(diào)用init函數(shù)指針所指的網(wǎng)絡設備初始化函數(shù)對設備初始化,并將設備的device數(shù)據(jù)結(jié)構插入到dev_base鏈表的末尾。最后通過執(zhí)行模塊卸載命令rmmod來調(diào)用網(wǎng)絡驅(qū)動程序中的cleanup_module()函數(shù)對網(wǎng)絡驅(qū)動程序模塊卸載。具體實現(xiàn)過程如圖2所示。

用模塊初始化網(wǎng)絡接口是在編譯內(nèi)核時標記編譯為模塊的,系統(tǒng)在啟動時并不知道該接口的存在,需要用戶在/etc/rc d/目錄中定義的初始啟動腳本中寫入命令或手動將模塊插入內(nèi)核空間來激活網(wǎng)絡接口。這樣可靈活地決定在何時加載網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序,這也是與內(nèi)核加載形式的最大區(qū)別。

4　應用實例

下面以在PXA255處理器實現(xiàn)紅外網(wǎng)絡通信的實例,介紹基于Linux開發(fā)的流程和實現(xiàn)方法。

4.1　PXA255的紅外通信接口

PXA255是InterlXScale構架系列中的一款CPU,我們使用的IntelPXA250開發(fā)板提供了全面的軟硬件開發(fā)環(huán)境。PXA255處理器提供了對紅外通信的支持,其與紅外口相關的板級寄存器如表1所示?！?/P>

該CPU上的3個串行接口,包含符合IrDA串行紅外物理連接標準的紅外發(fā)送編碼器和接收解碼器,且都可工作于64字節(jié)長度的FIFO緩沖方式。每個串行接口有13個寄存器,其中12個用作UART,與常規(guī)的PC16550沒有大的區(qū)別,如數(shù)據(jù)接收緩沖寄存器/發(fā)送保持寄存器、波特率分頻寄存器、中斷控制及標志寄存器、線路/Modem控制及狀態(tài)寄存器等,紅外選擇寄存器則專門用于選擇IrDA的工作方式。

4.2　紅外口的驅(qū)動程序

4.2.1　紅外模塊加載和紅外設備的初始化

把紅外模塊加載到Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡設備中,并定義紅外設備的中斷,初始化紅外接口,其實現(xiàn)函數(shù)pxa250irdainit的代碼為:

4.2.2　數(shù)據(jù)包的接收

采用中斷進行紅外數(shù)據(jù)外的接收,數(shù)據(jù)不易丟失和溢出,實時性更強。任一新的接受數(shù)據(jù)到達都觸發(fā)中斷,其波特率值決定觸發(fā)的中斷類型是SIR還是FIR。中斷處理程序首先判斷傳輸中是否出錯,隨后根據(jù)LSR中接受數(shù)據(jù)位的標志DR,將接收數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)rxbuff。

4.2.3　數(shù)據(jù)包的發(fā)送

當內(nèi)核要發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時,調(diào)用pxa250sirtransmit函數(shù)(假設采用SIR發(fā)送),首先禁止接收,并關閉中斷,隨后根據(jù)LSR中發(fā)送數(shù)據(jù)請求位TDRQ狀態(tài),將發(fā)送緩沖區(qū)txbuff中數(shù)據(jù)逐一發(fā)送。

4.3　紅外口的網(wǎng)絡應用程序

紅外口網(wǎng)絡應用的開發(fā)與常規(guī)網(wǎng)絡設備的應用極為相似,采用套接字,建立通信雙方的虛擬連接。支持IrDA的Socket稱為IrSock,在Linux中,每一種協(xié)議都有自己的網(wǎng)絡地址數(shù)據(jù)結(jié)構,均以sockaddr_開頭。

IrSock的數(shù)據(jù)結(jié)構與一般網(wǎng)絡設備的套接字結(jié)構稍有不同,在net/irda.h中定義:

紅外口的網(wǎng)絡應用程序開發(fā)的流程與一般網(wǎng)絡設備的套接字開發(fā)方式幾乎一樣,不再贅述。

5　結(jié)　　論

目前各類嵌入式設備的開發(fā)大量應用無線通信技術,在需要個人特制網(wǎng)絡、點到點交換的場合,采用Ir2DA技術無疑是最合適的。許多小型移動設備,如PDA、手機、信息家電等都廣泛應用紅外通信技術。基于Linux對紅外網(wǎng)絡通信的開發(fā)對當今嵌入式系統(tǒng)的應用研究具有較強的實用性和借鑒作用。