Linux串口上網(wǎng)的簡單實現(xiàn)

時間：2008-07-22 02:02:00

關(guān)鍵字： Linux 串口 DEVICE STRUCT

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[導(dǎo)讀]Linux串口上網(wǎng)的簡單實現(xiàn)

Linux為串口上網(wǎng)提供了豐富的支持，比如PPP（Peer-to-Peer Protocol, 端對端協(xié)議）和SLIP（Serial Line Interface Protocol, 非常老的串行線路接口協(xié)議），這里所說的"上網(wǎng)"是指把串口當(dāng)成一個網(wǎng)絡(luò)接口，通過封裝網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包（如IP包）以達到無網(wǎng)卡的終端可以通過串口進行網(wǎng)絡(luò)通信。但是使用這兩種協(xié)議必須得到內(nèi)核的支持。例如，如果在沒有配置PPP的Linux環(huán)境中使用PPP，除了安裝PPP應(yīng)用層軟件外，還必須重新編譯內(nèi)核。SLIP是一個比較老的簡單的協(xié)議，現(xiàn)在的Linux內(nèi)核缺省配置都支持，不需要重新編譯內(nèi)核，盡管如此，其源代碼看上去有點"古怪而復(fù)雜"。在嵌入式Linux系統(tǒng)使用過程中，如果內(nèi)核已經(jīng)被燒入Flash中，而為了節(jié)省空間內(nèi)核又沒有提供諸如PPP或者SLIP的支持，當(dāng)然就沒有辦法在不重新燒寫Flash的情況下直接使用PPP或者SLIP了，事實上用戶必須動態(tài)加載PPP和SLIP的內(nèi)核實現(xiàn)模塊。對某些嵌入式應(yīng)用來說移植或者修改PPP源代碼變成了乏味和繁鎖的工作。這里介紹一種非常經(jīng)濟而且實用的實現(xiàn)串口上網(wǎng)的簡單方法。

Linux簡單串口上網(wǎng)原理

簡單串口上網(wǎng)的實現(xiàn)原理如圖1所示。

圖 1

Linux Box A 和 Linux Box B 是兩個安裝有Linux操作系統(tǒng)的終端（可以是PC，也可以是嵌入式設(shè)備），它們通過一條串口通信線（null modem cable line）連接?？刂拼谕ㄐ诺姆?wù)進程server讀和寫兩個字符設(shè)備：發(fā)送字符設(shè)備sending device和接收字符設(shè)備receiving device。在內(nèi)核空間，偽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序pseudo network driver可以直接讀寫發(fā)送字符設(shè)備和接收字符設(shè)備，事實上在內(nèi)核空間它們之間的通信只是對共享緩存區(qū)的讀寫而已。偽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序具有大部分普通網(wǎng)卡驅(qū)動程序提供服務(wù)功能，只是沒有硬件部分代碼的實現(xiàn)而已。當(dāng)用戶空間的進程要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，其首先讓數(shù)據(jù)經(jīng)過Linux操作系統(tǒng)的TCP/IP處理層進行數(shù)據(jù)打包，然后把打包后的數(shù)據(jù)直接寫入sending device，等待server進程讀取，最后通過串口發(fā)送到另一個Linux Box的server進程；而當(dāng)server進程發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)從串口傳送過來時就把數(shù)據(jù)寫入receiving device，偽網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序發(fā)現(xiàn)receiving device設(shè)備有新數(shù)據(jù)的時候，就又把數(shù)據(jù)傳遞到TCP/IP層處理，最終網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序收到對方發(fā)來的數(shù)據(jù)。本文設(shè)計的源程序主要有三個，ed_device.c、ed_device.h、server.c。其中在ed_device.c是串口上網(wǎng)的內(nèi)核部分的主程序，包含字符設(shè)備和偽網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備程序，server.c負責(zé)串口通信。主文件ed_device.c中包括的頭文件在源程序中，這里就不一一列舉了。

Linux串口上網(wǎng)設(shè)備加載和注銷形式

Linux串口上網(wǎng)程序的整個內(nèi)核部分是以LKM（Loadable Kernel Module）形式實現(xiàn)的。LKM加載的時候完成偽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、發(fā)送字符設(shè)備、接收字符設(shè)備的初始化和注冊。注冊的目的是讓操作系統(tǒng)可以識別用戶進程所要操作的設(shè)備，并完成在其上的操作（比如read,write等系統(tǒng)調(diào)用）。Linux加載模塊，實際上就是模塊鏈表的插入；刪除模塊象是模塊鏈表成員的刪除。

初始化內(nèi)核模塊入口函數(shù)init_module()中包括對字符設(shè)備的初始化入口函數(shù)eddev_module_init()和偽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備初始化入口函數(shù)ednet_module_init()。

在內(nèi)核需要卸載的時候，必須進行資源釋放以及設(shè)備注銷， cleanup_module()完成這個任務(wù)。函數(shù)cleanup_module()中用eddev_module_cleanup()來釋放字符設(shè)備占用的資源（比如分配的緩存區(qū)等）；有ednet_module_cleanup()來釋放偽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備占用的資源。本文的內(nèi)核部分模塊程序編譯后就是ed_device.o，加載后使用lsmod命令查看，模塊名就是ed_device。模塊ed_device的加載和注銷函數(shù)如圖2所示。

圖 2

當(dāng)我們需要加載模塊的時候，我們只需要使用insmod命令，如果需要卸載模塊，我們使用rmmod命令。比如加載ed_device模塊，并且配置偽網(wǎng)絡(luò)接口IP地址為192.168.5.1

[root@localhost test]insmod ed_device.o，
[root@localhost test]ifconfig ed0 192.168.5.1 up

這時可以在/proc/net/dev 文件中看到有ed0偽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備了。如果需要卸載ed_device模塊，應(yīng)先停止其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收工作，然后卸載模塊：

[root@localhost test]ifconfig ed0 down
[root@localhost test]rmmod ed_device

如果我們設(shè)置另一臺Linux box的偽網(wǎng)接口地址是192.168.5.2那么，我們可以用串口線直接連接兩臺終端并使用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序了，在兩臺終端上運行server守護程序，然后執(zhí)行telnet：

[root@localhost test]# telnet 192.168.5.2
Trying 192.168.5.2...
Connected to 192.168.5.2 (192.168.5.2).
Escape character is '^]'.
Red Hat Linux release 9 (Shrike)
Kernel 2.4.20-8 on an i686
login:
編寫字符設(shè)備驅(qū)動程序
用戶空間的進程主要通過兩種方式和內(nèi)核空間模塊打交道，一種是使用proc文件系統(tǒng)，另一種是使用字符設(shè)備。本文所描述的兩個字符設(shè)備sending device 和receiving device事實上是內(nèi)核空間和用戶空間交換數(shù)據(jù)的緩存區(qū)，編寫字符設(shè)備驅(qū)動實際上就是編寫用戶空間讀寫字符設(shè)備所需要的內(nèi)核設(shè)備操作函數(shù)。 
在頭文件中，我們定義ED_REC_DEVICE為receiving device，名字是ed_rec；定義ED_TX_DEVICE為sending device，名字是ed_tx。 
#define MAJOR_NUM_REC 200
#define MAJOR_NUM_TX  201
#define IOCTL_SET_BUSY _IOWR(MAJOR_NUM_TX,1,int)

200和201分別代表receiving device 和 sending device的主設(shè)備號。在內(nèi)核空間，驅(qū)動程序是根據(jù)主、次設(shè)備號識別設(shè)備的，而不是設(shè)備名；本文的字符設(shè)備的次設(shè)備號都是0，主設(shè)備號是用戶定義的且不能和系統(tǒng)已有的設(shè)備的主設(shè)備有沖突。IOCTL_SET_BUSY _IOWR(MAJOR_NUM_TX,1,int)是ioctl的操作函數(shù)定義（從用戶空間發(fā)送命令到內(nèi)核空間），主要作用是使得每次在同一時間，同一字符設(shè)備上，只可進行一次操作。我們可以使用mknod來建立這兩個字符設(shè)備： 
[root@localhost]#mknod c 200 0 /dev/ed_rec
[root@localhost]#mknod c 201 0 /dev/ed_tx

設(shè)備建立后，編譯好的模塊就可以動態(tài)加載了：
[root@localhost]#insmod ed_device.o

為了方便對設(shè)備編程，我們還需要一個字符設(shè)備管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 
struct ed_device{
	int magic;
	char name[8]; 	
	int busy;
	unsigned char *buffer;
    #ifdef LINUX_24
wait_queue_head_t rwait;
#endif
	int mtu;
	spinlock_t lock;
	int data_len;
    int buffer_size;
	struct file *file;
    ssize_t (*kernel_write)(const char *buffer,size_t length,int buffer_size);
};

這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是用來保存字符設(shè)備的一些基本狀態(tài)信息。ssize_t (*kernel_write)(const char *buffer,size_t length,int buffer_size) 是一個指向函數(shù)的指針，它的作用是為偽網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序提供寫字符設(shè)備數(shù)據(jù)的系統(tǒng)調(diào)用接口。magic字段主要是標(biāo)志設(shè)備類型號的，這里沒有別的特殊意義；busy字段用來說明字符設(shè)備是否是處于忙狀態(tài)，buffer指向內(nèi)核緩存區(qū)，用來存放讀寫數(shù)據(jù)；mtu保存當(dāng)前可發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包最大傳輸單位，以字節(jié)為單位；lock的類型是自旋鎖類型spinlock_t，它實際以一個整數(shù)域作為鎖，在同一時刻對同一字符設(shè)備，只能有一個操作，所以使用內(nèi)核鎖機制保護防止數(shù)據(jù)污染；data_len是當(dāng)前緩存區(qū)內(nèi)保存的數(shù)據(jù)實際大小，以字節(jié)為單位；file是指向設(shè)備文件結(jié)構(gòu)struct file的一個指針，其作用主要是定位設(shè)備的私有數(shù)據(jù) file-> private_data。定義字符設(shè)備struct ed_device ed[2]，其中ed[ED_REC_DEVICE]就是receving device，ed[ED_TX_DEVICE]就是sending device。如果sending device ED_TX_DEVICE沒有數(shù)據(jù)，用戶空間的read調(diào)用將被阻塞，并把進程信息放于rwait隊列中。當(dāng)有數(shù)據(jù)的時候，kernel_write()中的wake_up_interruptible()將喚醒等待進程。kernel_write()函數(shù)定義如下： 
ssize_t kernel_write(const char *buffer,size_t length,int buffer_size)
{
    if(length > buffer_size )
        length = buffer_size;
    memset(ed[ED_TX_DEVICE].buffer,0,buffer_size);
    memcpy(ed[ED_TX_DEVICE].buffer,buffer,buffer_size);
    ed[ED_TX_DEVICE].tx_len = length;
    #ifdef LINUX_24
    wake_up_interruptible(&ed[ED_TX_DEVICE].rwait);	
    #endif   
    return length;
}

字符設(shè)備的操作及其相關(guān)函數(shù)調(diào)用過程如圖3 所示。 

圖 3
 
當(dāng)ed_device模塊被加載的時候，eddev_module_init()調(diào)用register_chrdev()內(nèi)核API注冊ed_tx和ed_rec兩個字符設(shè)備。這個函數(shù)定義在<linux/fs.h>： 
int register_chdev(unsigned int major, const char *, struct fle_operations *fops)

字符設(shè)備被注冊成功后，內(nèi)核把這兩個字符設(shè)備加入到內(nèi)核字符設(shè)備驅(qū)動表中。內(nèi)核字符設(shè)備驅(qū)動表保留指向struct file_operations的一個數(shù)據(jù)指針。用戶進程調(diào)用設(shè)備讀寫操作時，通過這個指針訪問設(shè)備的操作函數(shù)， struct file_operations中的域大部分是指向函數(shù)的函數(shù)指針，指向用戶自己編寫的設(shè)備操作函數(shù)。 
struct file_operations ed_ops ={
#ifdef LINUX_24
    NULL,
#endif
    NULL,
    device_read,
    device_write,
    NULL,
    NULL,
    device_ioctl,
    NULL,
    device_open,
    NULL,
    device_release,    	
};

注意到Linux2.4.x和Linux2.2.x內(nèi)核中定義的struct file_operations是不一樣的。device_read()、device_write()、device_ioctl()、device_open()、device_release()就是需要用戶自己定義的函數(shù)操作了，這幾個函數(shù)是最基本的操作，如果需要設(shè)備驅(qū)動程序完成更復(fù)雜的任務(wù)，還必須編寫其他struct file_operations中定義的操作。eddev_module_init()除了注冊設(shè)備及其操作外，它還有初始化字符設(shè)備結(jié)構(gòu)struct ed_device，分配內(nèi)核緩存區(qū)所需要的空間的作用。在內(nèi)核空間，分配內(nèi)存空間的API函數(shù)是kmalloc()。 
下面介紹一下字符設(shè)備的主要操作例程device_open()、device_release()、device_read()、devie_write()。字符設(shè)備文件操作結(jié)構(gòu)ed_ops中定義的指向以上函數(shù)的函數(shù)指針的原形： 
	 device_open:  int(*open)(struct inode *,struct file *)     
     device_release: int (*release) (struct inode *, struct file *);
     device_read:  ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
     device_write: ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);

操作int device_open(struct inode *inode,struct file *file)是設(shè)備節(jié)點上的第一個操作，如果多個設(shè)備共享這一個操作函數(shù)，必須區(qū)分設(shè)備的設(shè)備號。我們使用inode->i_rdev >> 8 語句獲得設(shè)備的主設(shè)備號，本文中的接收設(shè)備主設(shè)備號是200，發(fā)送設(shè)備號是201。每個字符設(shè)備的file>private_data指向打開設(shè)備時候使用的file結(jié)構(gòu)，private_data實際上可以指向用戶定義的任何結(jié)構(gòu)，這里只指向我們自己定義的struct ed_device，用來保存字符設(shè)備的一些基本信息，比如設(shè)備名、內(nèi)核緩存區(qū)等。 
操作ssize_t device_read(struct file *file,char *buffer,size_t length, loff_t *offset)是讀取設(shè)備數(shù)據(jù)的操作。device_read()結(jié)構(gòu)如圖4所示。 

圖4
 
從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)（用戶空間調(diào)用read()系統(tǒng)調(diào)用）的時候，需要從內(nèi)核空間把數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，copy_to_user()可完成此功能，它和memcpy()此類函數(shù)有本質(zhì)的區(qū)別，memcpy()不能完成不同用戶空間數(shù)據(jù)的交換。如果需要數(shù)據(jù)臨界區(qū)的保護，使用spin_lock()內(nèi)核API負責(zé)加鎖，spin_unlock()負責(zé)解鎖，防止數(shù)據(jù)污染。由于串口守候進程server需要不斷輪詢設(shè)備，以查詢是否有數(shù)據(jù)可讀，如果用戶進程不處于休眠狀態(tài)，在用戶空間查看進程使用資源情況，發(fā)現(xiàn)server占用了很多CPU資源。所以我們改進device_read()，使之在內(nèi)核中輪詢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前設(shè)備沒有數(shù)據(jù)可讀取，那么就阻塞用戶進程，使用內(nèi)核API add_wait_queue()可完成此功能，這時候用戶進程并沒有占用很多CPU資源，而是處于休眠狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)可讀的時候，調(diào)用remove_wait_queue()即可喚醒等待進程，這段 
代碼如下： 
    DECLARE_WAITQUEUE(wait,current);
    add_wait_queue(&edp->rwait,&wait);
    for(;;){        
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
        if ( file->f_flags & O_NONBLOCK)
            break;
        /*其他代碼 */
        if ( signal_pending(current))
            break;
        schedule();
    }
    set_current_state(TASK_RUNNING);
remove_wait_queue(&edp->rwait,&wait);

操作ssize_t device_write(struct file *file,const char *buffer, size_t length,loff_t *offset)向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)。拷貝數(shù)據(jù)的copy_from_user()和copy_to_user()的功能恰恰相反，它是從用戶空間拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間，如圖5所示。 

圖 5

編寫偽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序

偽網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序和字符設(shè)備驅(qū)動程序一樣，也必須初始化和注冊。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動需記錄其發(fā)送和接收數(shù)據(jù)量的統(tǒng)計信息，所以我們定義一個記錄這些信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

struct ednet_priv {
#ifdef LINUX_24
    struct net_device_stats stats;
#else
    struct enet_statistics stats;
#endif
    struct sk_buff *skb;
    spinlock_t lock;
};

struct ednet_priv只有3個數(shù)據(jù)成員。Linux2.4.x 使用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)狀態(tài)統(tǒng)計結(jié)構(gòu)是struct net_device_stats，而Linux 2.2.x則使用的是struct enet_statistics。同樣，對控制網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備的設(shè)備結(jié)構(gòu)也有不同的定義：Linux2.4.x使用的是struct net_device，而Linux2.2.x卻是struct device。

#ifdef LINUX_24
struct net_device ednet_dev;
#else
struct device ednet_dev;
#endif

偽網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的也需要初始化和注冊。和字符設(shè)備的注冊不同之處是，它使用的是register_netdev(net_device *) kernel API。

int ednet_module_init(void)
{
    int err;
    strcpy(ednet_dev.name, "ed0");
    ednet_dev.init = ednet_init;
    if ( (err = register_netdev(&ednet_dev)) )
            printk("ednet: error %i registering pseudo network device "%s"
",
                   err, ednet_dev.name);
        
    return err;
}

ednet_dev的name域是接口名，ednet_module_init()中賦予網(wǎng)絡(luò)接口的名字為ed0，如果本網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被加載，使用ifconfig命令可以看到ed0。

[root@localhost pku]# /sbin/ifconfig
ed0       Link encap:Ethernet  HWaddr 00:45:44:30:30:30
          inet addr:192.168.3.9  Bcast:192.168.3.255  Mask:255.255.255.0
          UP BROADCAST RUNNING NOARP MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:100
          RX bytes:0 (0.0 b)  TX bytes:0 (0.0 b)

我們看到我們的偽網(wǎng)絡(luò)接口沒有Interrupt和Base address，這是因為這個偽網(wǎng)絡(luò)接口不和硬件打交道，也沒有分配中斷號和IO基址。否則，如果你看一個實實在在的網(wǎng)絡(luò)接口(如下面的eth1)，可以看到它的Interrupt號是11和IO Base address是0xa000。

eth1      Link encap:Ethernet  HWaddr 50:78:4C:43:1D:01
          inet addr:192.168.21.202  Bcast:192.168.21.255  Mask:255.255.255.0
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:356523 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:266 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:100
          RX bytes:21542043 (20.5 Mb)  TX bytes:19510 (19.0 Kb)
          Interrupt:11 Base address:0xa000

ednet_dev的init域是一個函數(shù)指針，指向用戶定義的ednet_init()例程。ednet_init()添充net_device結(jié)構(gòu)，只有ednet_init()初始化成功后，系統(tǒng)才被加入到設(shè)備鏈表中。ednet_dev的初始化例程ednet_init()如下：

#ifdef LINUX_24
int ednet_init(struct net_device *dev)
#else
int ednet_init(struct device *dev)
#endif
{  
    ether_setup(dev); 
    dev->open            = ednet_open;
    dev->stop            = ednet_release;
    dev->hard_start_xmit   = ednet_tx;
    dev->get_stats         = ednet_stats;
    dev->change_mtu      = ednet_change_mtu;  
#ifdef LINUX_24
    dev->hard_header      = ednet_header;
#endif
    dev->rebuild_header    = ednet_rebuild_header;
#ifdef LINUX_24
    dev->tx_timeout        = ednet_tx_timeout;
    dev->watchdog_timeo   = timeout;
#endif
    /* We do not need the ARP protocol. */
    dev->flags           |= IFF_NOARP;
#ifndef LINUX_20                        
    dev->hard_header_cache = NULL;      
#endif 
#ifdef LINUX_24                                 
    SET_MODULE_OWNER(dev);
#endif
    dev->priv = kmalloc(sizeof(struct ednet_priv), GFP_KERNEL);
    if (dev->priv == NULL)
        return -ENOMEM;
    memset(dev->priv, 0, sizeof(struct ednet_priv));
    spin_lock_init(& ((struct ednet_priv *) dev->priv)->lock);
    return 0;
}

ether_setup()填充一些以太網(wǎng)的缺省設(shè)置。dev->hard_header_cache=NULL表示不緩存向本網(wǎng)絡(luò)接口回復(fù)的ARP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。IFF_NOARP的標(biāo)志設(shè)置表明本網(wǎng)絡(luò)接口不使用ARP。ARP的主要功能是獲得通信對方的網(wǎng)絡(luò)接口的硬件地址，本文的偽網(wǎng)絡(luò)接口的物理地址是程序中設(shè)定的偽物理地址，所以我們不需要ARP協(xié)議。SET_MODULE_OWNER(dev)這個宏是設(shè)置dev結(jié)構(gòu)中owner域（定義為struct module *owner;），使得它指向本模塊本身。與字符設(shè)備一樣，本網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也需要定義在其上的操作例程。下面就對ednet_init()中用戶定義的設(shè)備操作函數(shù)做進一步說明。整個偽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖 6

由圖6我們看到，ednet_rx()并不是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一個操作，而是模塊中的一個函數(shù)。在實際的網(wǎng)卡驅(qū)動程序中，當(dāng)網(wǎng)卡確實接收到數(shù)據(jù)的時候，由網(wǎng)絡(luò)中斷喚醒等待接收數(shù)據(jù)的用戶進程，也就是說，ednet_rx()應(yīng)該由那個網(wǎng)絡(luò)中斷處理例程調(diào)用。我們這里并沒有中斷，所以字符設(shè)備的device_write()可以看成是一個"中斷例程"，也就是說，用戶空間往字符寫操作的時候，也就調(diào)用了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)接收內(nèi)核例程ednet_rx()了。然后ednet_rx()會把原始的數(shù)據(jù)包發(fā)送到TCP/IP上層進行處理，這一切均依賴于內(nèi)核API 函數(shù)netif_rx()。ednet_rx()就需要sk_buff數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(<linux/skbuff.h>中定義)，用來存放從網(wǎng)絡(luò)接口接收到的原始網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，分配后的sk_buff結(jié)構(gòu)將在TCP/IP協(xié)議棧上被釋放掉。

下面介紹一下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主要操作例程ednet_open()、ednet_release()、ednet_tx()、ednet_stats ()、ednet_change_mtu（）、ednet_header()。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備文件操作結(jié)構(gòu)struct net_device(<linux/netdevice.h>中有定義)中定義了指向以上函數(shù)的函數(shù)指針的原形：

ednet_open：   int  (*open)(struct net_device *dev);
	ednet_release：  int  (*stop)(struct net_device *dev);
	ednet_tx：     int  (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb,struct net_device *dev);
ednet_stats：   struct net_device_stats* (*get_stats)(struct net_device *dev);
ednet_change_mtu：int	(*change_mtu)(struct net_device *dev, int new_mtu);
	ednet_header：  int  (*hard_header) (struct sk_buff *skb,
						struct net_device *dev,
						unsigned short type,
						void *daddr,
						void *saddr,
						unsigned len);

操作int ednet_open(struct net_device *dev)的作用是打開偽網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備，獲得其需要的I/O端口、IRQ等，但是本網(wǎng)絡(luò)接口不需要和實際硬件打交道，所以不需要自動獲得或者賦予I/O端口值，也不需要IRQ中斷號，唯一需要程序指定的是其偽硬件地址（這個硬件地址是"0ED000"，ifconfig可以看到其硬件地址是 00:45:44:30:30:30，struct net_device中的dev_addr域存放網(wǎng)絡(luò)接口的物理地址。操作ednet_open()必須調(diào)用netif_start_queue()內(nèi)核API開啟網(wǎng)絡(luò)接口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)隊列。

當(dāng)接口關(guān)閉的時候，int ednet_release(struct net_device *dev)例程被系統(tǒng)調(diào)用，在ednet_release()中調(diào)用netif_stop_queque()將停止接收和發(fā)送隊列的工作。

偽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的傳送例程int ednet_tx(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)將把要發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包寫入字符設(shè)備ed[ED_TX_DEVICE]。在發(fā)送完畢數(shù)據(jù)包的時候，dev_kfree_skb() Kernel API釋放由上層協(xié)議棧分配的sk_buff數(shù)據(jù)塊。偽網(wǎng)絡(luò)接口在進行硬件傳輸?shù)臅r候，需要為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包打上時間戳。如果傳送數(shù)據(jù)包的時候超時，將調(diào)用超時處理例程ednet_tx_timeout()超時處理例程。例程ednet_tx()調(diào)用真正的"硬件"傳送例程ednet_hw_tx()在實際的網(wǎng)卡驅(qū)動程序中，就是真正向特定的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備寫數(shù)據(jù)的程序。我們看到，我們的"硬件"就是本文前面描述的字符設(shè)備，字符設(shè)備的操作例程.kernel_write()在ednet_hw_tx()將被調(diào)用。

如果我們希望使用ifconfig看到偽網(wǎng)絡(luò)接口的統(tǒng)計信息，那么系統(tǒng)就調(diào)用 struct net_device_stats *ednet_stats(struct net_device *dev)。我們看到，網(wǎng)絡(luò)接口的統(tǒng)計信息被放到設(shè)備的私有數(shù)據(jù)指針指向的內(nèi)存。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計結(jié)構(gòu)被放在內(nèi)核結(jié)構(gòu)struct net_device_stats中。

在TCP會話中，也許要協(xié)商MTU的大小，int ednet_change_mtu(struct net_device *dev, int new_mtu)可以隨時改變MTU的大小。比如在使用FTP協(xié)議的時候，在傳送數(shù)據(jù)庫的時候，MTU可能被協(xié)商為最大，以提高網(wǎng)絡(luò)傳送吞吐量。由于改變了MTU，存放網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的字符設(shè)備初始化分配的緩存區(qū)就要重新被分配，并把已經(jīng)存放數(shù)據(jù)的舊的緩存區(qū)的內(nèi)容拷貝到新的緩存區(qū)中，所以，當(dāng)MTU改變大小的時候，那么就要使用kmalloc(new_mtu ,GFP_KERNEL)重新分配緩存區(qū)。讀者可以根據(jù)自己的需要定義新的緩存區(qū)大小。kfree()是內(nèi)核API，負責(zé)釋放內(nèi)核空間的內(nèi)存，它的使用方法和用戶空間的free()系統(tǒng)調(diào)用一致，這里就不列舉ed_realloc()函數(shù)的源程序了。

IP數(shù)據(jù)包在被網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送前，需要構(gòu)建其以太網(wǎng)頭信息int ednet_header(struct sk_buff *skb,struct net_device *dev,unsigned short type,void *daddr,void *saddr,unsigned int len)例程完成此功能，我們看到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的以太源、目的地址，都是從發(fā)送這個數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct net_device中得到的。源地址和目的地址信息是從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)得到的。在編譯本程序的時候，如果發(fā)現(xiàn)htons()這個函數(shù)沒有定義，可以這樣定義htons()為：#define htons(x) ((x>>8) | (x<<8)) 。

因為偽網(wǎng)絡(luò)接口沒有使用ARP獲得硬件地址，所以我們可以把我們自己定義的偽硬件地址復(fù)制到數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)包頭。Linux2.4.x使用設(shè)備方法hard_header()代替設(shè)備

方法rebuild_header()。Linux2.x使用的rebuild_header()例程在本文的附加源程序中，這里不再說明。

編寫用戶空間串口通信程序

控制串口的server應(yīng)用程序完成非常簡單的打包和拆包的工作，它沒有差錯控制，沒有重發(fā)機制，在實際應(yīng)用中，需要加上適當(dāng)?shù)目刂茀f(xié)議。server創(chuàng)建的子進程負責(zé)從串口讀取數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳送到receiving device /dev/ed_rec；父進程則負責(zé)從sending device /dev/ed_tx 讀取需要發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，然后從串口發(fā)送出去。子進程和父進程都是用輪詢方式讀取和寫入設(shè)備。Server的程序流圖如圖所示。

圖 7

傳送的frame按照SLIP定義的格式：數(shù)據(jù)的兩頭都是END字符（0300），如圖8所示。

圖 8

特殊控制字符的定義如下：

#define END              0300
#define ESC              0333
#define ESC_END         0334            
#define ESC_ESC         0335

如果打包前的數(shù)據(jù)中有END這個字符，那么使用ESC_END代替，如果發(fā)現(xiàn)有ESC這個字符，那么使用ESC_ESC字符替換。在Linux環(huán)境下，串口名從ttyS0開始依次是ttyS1、ttyS2等。在本程序中，使用ttyS0作為通信串口。在打開ttyS0的時候，選項O_NOCTTY 表示不能把本串口當(dāng)成控制終端，否則用戶的鍵盤輸入信息將影響程序的執(zhí)行； O_NDELAY表示打開串口的時候，程序并不關(guān)心另一端的串口是否在使用中。在Linux中，打開串口設(shè)備和打開普通文件一樣，使用的是open()系統(tǒng)調(diào)用。比如我么打開串口設(shè)備1也就是COM1，只需要：

fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY );

打開的串口設(shè)備有很多設(shè)置選項。本文中使用int setup_com(int fd)設(shè)置。在系統(tǒng)頭文件<termios.h>中定義了終端控制結(jié)構(gòu)struct termios，tcgetattr()和tcsetattr()兩個系統(tǒng)函數(shù)獲得和設(shè)置這些屬性。結(jié)構(gòu)struct termios中的域描述的主要屬性包括：

c_cflag  ： 控制選項
c_lflag  ： 線選項
c_iflag  ： 輸入選項
c_oflag  ：輸出選項
c_cc    ：控制字符
c_ispeed ：輸入數(shù)據(jù)波特率
c_ospeed ：輸出數(shù)據(jù)波特率

如果要設(shè)置某個選項，那么就使用"|="運算，如果關(guān)閉某個選項就使用"&="和"~"運算。本文使用的各個選項的意義定義如下：

c_cflag： CLOCAL 本地模式，不改變端口的所有者
         CREAD  表示使能數(shù)據(jù)接收器
         PARENB  表示偶校驗
         PARODD 表示奇校驗
CSTOPB  使用兩個停止位
CSIZE    對數(shù)據(jù)的bit使用掩碼
CS8      數(shù)據(jù)寬度是8bit
c_lflag：  ICANON 使能規(guī)范輸入，否則使用原始數(shù)據(jù)（本文使用）
ECHO    回送(echo)輸入數(shù)據(jù)
ECHOE   回送擦除字符
ISIG      使能SIGINTR，SIGSUSP， SIGDSUSP和 SIGQUIT 信號
c_iflag：  IXON     使能輸出軟件控制
         IXOFF    使能輸入軟件控制
         IXANY    允許任何字符再次開啟數(shù)據(jù)流
         INLCR    把字符NL(0A)映射到CR(0D)
         IGNCR    忽略字符CR(0D)
       ICRNL    把CR(0D)映射成字符NR(0A)
    c_oflag： OPOST  輸出后處理，如果不設(shè)置表示原始數(shù)據(jù)（本文使用原始數(shù)據(jù)） 
c_cc[VMIN]：  最少可讀數(shù)據(jù)
c_cc[VTIME]： 等待數(shù)據(jù)時間(10秒的倍數(shù))

根據(jù)以上設(shè)置的定義，串口端口設(shè)置函數(shù)setup_com()定義如下：

int setup_com(int fd){
    struct termios options; 
    tcgetattr(fd, &options);
    /* Set the baud rates to 38400...*/
    cfsetispeed(&options, B38400);
    cfsetospeed(&options, B38400);
    /* Enable the receiver and set local mode...*/
    options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);
    /* Set c_cflag options.*/
    options.c_cflag |= PARENB;
    options.c_cflag &= ~PARODD;
    options.c_cflag &= ~CSTOPB;
    options.c_cflag &= ~CSIZE;
    options.c_cflag |= CS8;    
    /* Set c_iflag input options */
    options.c_iflag &=~(IXON | IXOFF | IXANY);
    options.c_iflag &=~(INLCR | IGNCR | ICRNL);
    options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
    /* Set c_oflag output options */
    options.c_oflag &= ~OPOST;   
    /* Set the timeout options */
    options.c_cc[VMIN]  = 0;
    options.c_cc[VTIME] = 10;
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);
    return 1;
}

兩個打包和拆包函數(shù)和SLIP協(xié)議定義的一樣，拆包函數(shù)和打包相反，這里不列舉了。

小結(jié)

本文描述的是一個非常簡單的串口上網(wǎng)程序，如果需要可靠的通信，增加吞吐量，可在用戶空間添加適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議，也可增加數(shù)據(jù)壓縮算法。