基于Linux的紅外網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)

摘要：分析了紅外網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)IrDA的層次結(jié)構(gòu),介紹了Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序在內(nèi)核中的工作機(jī)理,并以在高端嵌入式處理器PXA255上實現(xiàn)的紅外網(wǎng)絡(luò)通信為實例,給出了Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的一種開發(fā)模式和實現(xiàn)要點,為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的設(shè)計和各類嵌入式設(shè)備開發(fā)中紅外網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用提供了一種實用的方法。
關(guān)鍵詞：IrDA；Linux；網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shù)已逐漸成熟。目前,各類網(wǎng)絡(luò)中最具增長潛力的是無線網(wǎng)絡(luò),采用無線局域網(wǎng)(WLAN)來拓展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò),獲得在有效區(qū)域內(nèi)部移動接入網(wǎng)絡(luò)的能力,是目前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究的熱點之一。紅外網(wǎng)絡(luò)通信具有無需申請頻率使用權(quán)、成本低廉、連接方便、簡單易用和結(jié)構(gòu)緊湊等特點,使之與藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)。

Linux是目前最具活力的操作系統(tǒng)之一,其對各類計算機(jī)架構(gòu)的兼容和支持,強(qiáng)健的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于企業(yè)資源管理、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作等各個領(lǐng)域,基于Linux的各種應(yīng)用開發(fā)成為目前的主流技術(shù)之一。

2　IrDA標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(kuò)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(dá)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(biāo)準(zhǔn),即根據(jù)使用時通信速率的選定,自動套用不同的標(biāo)準(zhǔn)。

IrDA標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計上的目標(biāo)和要求,IrLAP和IrLMP為二個軟件層,負(fù)責(zé)對鏈接進(jìn)行設(shè)置、管理和維護(hù)。IrLAP是為IrDA設(shè)備提供基本鏈接層連接的協(xié)議,在HDLC和SDLC基礎(chǔ)上擴(kuò)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(guān)系和由IrLAP提供的處理特性,它允許多個Ir設(shè)備連接,并可運(yùn)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(shè)備中的重復(fù)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(luò)設(shè)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(luò)傳輸控制標(biāo)準(zhǔn)。Linux必須按網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動方法來組織紅外數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示 

體系結(jié)構(gòu)劃分為四層,自上而下分別為協(xié)議接口層,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層,提供實際功能的設(shè)備驅(qū)動功能層,以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)媒介層。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的設(shè)計,最主要的工作就是完成設(shè)備驅(qū)動功能層,使其滿足應(yīng)用中所需的功能。Linux對所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都抽象為一個接口,這個接口提供了對所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作集合。由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)structdevice來表示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在內(nèi)核中的運(yùn)行情況,即網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口,它既包括純軟件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口,也包括硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口,由以devbase為頭指針的設(shè)備鏈表來集體管理所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,該設(shè)備鏈表中的每個元素代表一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shè)備方法,包括供設(shè)備初始化和進(jìn)行系統(tǒng)注冊用的init函數(shù),打開和關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(luò)設(shè)備的初始化主要是由device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的init函數(shù)指針?biāo)傅某跏蓟瘮?shù)來完成的,當(dāng)內(nèi)核啟動或加載網(wǎng)絡(luò)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(luò)物理設(shè)備是否存在,這是通過檢測物理設(shè)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(shè)備進(jìn)行資源配置,隨后構(gòu)造設(shè)備的device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),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(shè)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(luò)驅(qū)動程序中兩個最關(guān)鍵的過程。圖1中明確反映了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳輸過程:首先在網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(luò)設(shè)備的初始化函數(shù)對設(shè)備進(jìn)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(luò)設(shè)備的打開函數(shù)打開設(shè)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(shè)備,該緩沖區(qū)是由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)sk_buff來表示的。

數(shù)據(jù)包的接收是通過中斷機(jī)制來完成的,當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時,就產(chǎn)生中斷信號,網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(luò)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(luò)協(xié)議的上層進(jìn)行處理。

3.3　實現(xiàn)模式

實現(xiàn)Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動功能主要有兩種形式。一是通過內(nèi)核來進(jìn)行加載,內(nèi)核啟動時即加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序,內(nèi)核啟動完成后,網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)的模塊加載形式進(jìn)行討論。

模塊設(shè)計是Linux中特有的技術(shù),它使Linux內(nèi)核功能更容易擴(kuò)展和裁剪,并使各類設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)模式化。模塊加載網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的設(shè)計步驟是:首先通過模塊加載命令insmod把網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(luò)設(shè)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(luò)設(shè)備。如果成功,再調(diào)用init函數(shù)指針?biāo)傅木W(wǎng)絡(luò)設(shè)備初始化函數(shù)對設(shè)備初始化,并將設(shè)備的device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(luò)驅(qū)動程序中的cleanup_module()函數(shù)對網(wǎng)絡(luò)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(luò)接口是在編譯內(nèi)核時標(biāo)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(luò)接口。這樣可靈活地決定在何時加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(yīng)用實例

下面以在PXA255處理器實現(xiàn)紅外網(wǎng)絡(luò)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(gòu)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(shè)備的初始化

把紅外模塊加載到Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中,并定義紅外設(shè)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(jìn)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(qiáng)。任一新的接受數(shù)據(jù)到達(dá)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(biāo)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(dāng)內(nèi)核要發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時,調(diào)用pxa250sirtransmit函數(shù)(假設(shè)采用SIR發(fā)送),首先禁止接收,并關(guān)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(luò)應(yīng)用程序

紅外口網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開發(fā)與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)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(luò)地址數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),均以sockaddr_開頭。

IrSock的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與一般網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的套接字結(jié)構(gòu)稍有不同,在net/irda.h中定義:

紅外口的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)的流程與一般網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shè)備的開發(fā)大量應(yīng)用無線通信技術(shù),在需要個人特制網(wǎng)絡(luò)、點到點交換的場合,采用Ir2DA技術(shù)無疑是最合適的。許多小型移動設(shè)備,如PDA、手機(jī)、信息家電等都廣泛應(yīng)用紅外通信技術(shù)。基于Linux對紅外網(wǎng)絡(luò)通信的開發(fā)對當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有較強(qiáng)的實用性和借鑒作用。