嵌入式Linux下USB藍(lán)牙設(shè)備驅(qū)動

鄭春芳，鄭靈翔，石江宏

（廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ATR實驗室，福建 廈門 361005）

隨著無線技術(shù)的不斷發(fā)展，藍(lán)牙產(chǎn)品逐漸走入人們的生活。目前藍(lán)牙在PC端支持良好，應(yīng)用比較廣泛。但在嵌入式系統(tǒng)中，由于藍(lán)牙接口的兼容性問題，使其在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用大打折扣。因此，如何在嵌入式系統(tǒng)中支持藍(lán)牙設(shè)備成為當(dāng)前嵌入式領(lǐng)域的研究熱點。

作為通用串行總線標(biāo)準(zhǔn)，USB接口以其連接方便、兼容性好和傳輸速度快等特點被更多的硬件系統(tǒng)支持。針對USB藍(lán)牙適配器在嵌入式Linux下的應(yīng)用，開發(fā)其驅(qū)動程序，為藍(lán)牙設(shè)備在嵌入式Linux下進(jìn)一步應(yīng)用提供前提條件。本文詳細(xì)闡述USB藍(lán)牙設(shè)備的HCI傳輸層，給出實現(xiàn)方案中關(guān)鍵的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在MP2530上實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計簡介

該嵌入系統(tǒng)采用Linux-2.6.20內(nèi)核版本，采用在X86架構(gòu)的PC機(jī)端上交叉編譯，在目標(biāo)板MP2530上運行。目標(biāo)板MP2530是專門為嵌入式多媒體處理器MMSP2+設(shè)計的開發(fā)平臺，其內(nèi)部集成有ARM926EJ和ARM946E的雙核，帶有2D和3D的圖形加速器。此外，MP2530還提供豐富的外圍數(shù)據(jù)接口，包含6路UART通道，USB主機(jī) 、USB設(shè)備2.0、SD卡讀寫通道、以太網(wǎng)控制器等。MP2530支持基于通用串行總線1.1版本和開放式主機(jī)控制器1.0版本，支持高、低速USB設(shè)備。

2 藍(lán)牙協(xié)議棧

2.1 藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

按照藍(lán)牙協(xié)議的邏輯功能，整個藍(lán)牙協(xié)議棧分為3個部分[1]，如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

底層硬件實塊包括射頻 RF（Rodio Fraquency）、基帶BB（Base Band）和鏈路管理 LMP（Link Manager Protocol）；中間層協(xié)議包括邏輯鏈路控制和適應(yīng)協(xié)議L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Layer protocol）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議 SDP（Service Discovery Protocol）、串口仿真協(xié)議 RFCOMM和電話通信協(xié)議TCS-BIN；高層應(yīng)用包括撥號網(wǎng)絡(luò)、耳機(jī)、局域網(wǎng)訪問、文件傳輸?shù)龋謩e對應(yīng)一種應(yīng)用模式。

在BB與LMP上和L2CAP之間還有一個主機(jī)控制接口HCI（Host Controller Interface）層，它提供對下層基帶控制器、鏈路管理器的命令接口，以及對硬件狀態(tài)和控制注冊成員的訪問。該接口還提供對藍(lán)牙基帶的統(tǒng)一訪問模式。

2.2 BlueZ組織結(jié)構(gòu)[2]

Linux藍(lán)牙協(xié)議棧又稱BlueZ，是一個開放性的協(xié)議。BlueZ采用模塊化設(shè)計，其組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。它包含內(nèi)核和用戶態(tài)2大模塊。其中內(nèi)核模塊是由設(shè)備驅(qū)動層、藍(lán)牙核心及主機(jī)控制接口 HCI（Host Control Interface）層、Bluetooth協(xié)議核心、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）、SCO 音頻層、其他Bluetooth服務(wù)組成。而用戶態(tài)模塊則包括BlueZ工具集和藍(lán)牙應(yīng)用程序。

圖2 BlueZ組織結(jié)構(gòu)

3 USB藍(lán)牙設(shè)備的HCI傳輸層[3-4]

對于USB設(shè)備，其傳輸層即USB傳輸子層是介于主機(jī)和主控制器之間，負(fù)責(zé)主機(jī)與主控制器間的數(shù)據(jù)傳輸。

從藍(lán)牙的協(xié)議層模型可以看出HCI位于藍(lán)牙系統(tǒng)的上層（L2CAP，SDP 和 RFCOMM）和鏈路管理層（LMP）及基帶之間，它為這些上層提供進(jìn)行LM和BB的統(tǒng)一接口方式。USB藍(lán)牙設(shè)備通過模塊內(nèi)的USB設(shè)備控制器和總線與主機(jī)控制器相連，負(fù)責(zé)與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換，它在USB固件的控制下，將接收到的HCI協(xié)議分組交給HCI固件處理或?qū)碜枣溌饭芾砥骱突鶐Э刂破鞯臄?shù)據(jù)傳送至主機(jī)。HCI固件負(fù)責(zé)解釋從主機(jī)接收到的HCI分組并交給鏈路管理器和基帶控制器處理，或采集藍(lán)牙模塊各部件的狀態(tài)信息并遞交給主機(jī)。主機(jī)與藍(lán)牙USB模塊關(guān)系如圖3所示。

1）HCI終端要求 USB藍(lán)牙設(shè)備可看作高速設(shè)備，其固件配置由2個接口組成。接口0為固定設(shè)置，包含BULK和中斷終端；接口1提供可擴(kuò)展的同步帶寬占用方式。接口1提供4種設(shè)置，以提供基于同步帶寬需求的占用方式。其缺省接口為空，可使設(shè)備支持非同步帶寬。當(dāng)通過選擇接口呼叫調(diào)整同步帶寬占用方式時，終端可自由選擇2種接口，因此任何未處理的BULK或中斷事務(wù)都無需中止或重新提交。

圖3 主機(jī)與藍(lán)牙USB模塊關(guān)系

2）控制終端要求 任何USB藍(lán)牙設(shè)備都有一個用于配置和控制該設(shè)備控制終端—終端0。終端0允許主機(jī)向主控制器發(fā)送HCI指令。當(dāng)USB固件在具有藍(lán)牙類別碼的終端上接收一個分組時，它應(yīng)將該分組視為一個HCI指令分組。

3）BULK終端要求 BULK終端用來傳輸ACL數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)完整性及帶寬請求，因此需用到BULK終端。BULK具有檢錯和糾錯能力。Linux下的藍(lán)牙設(shè)備允許連接多個ACL鏈路，因此經(jīng)過此通道的數(shù)據(jù)流可能來自或發(fā)往1個或多個設(shè)備數(shù)據(jù)。為避免阻塞，主控制器采用類似于共享終端模型的流控制模型。默認(rèn)狀態(tài)下，BULK最大分組尺寸為64字節(jié)，因此BULK通過總線1 ms傳輸1個或多個64字節(jié)的分組幀。

4）中斷終端要求 中斷終端能夠保證事件以可預(yù)測并及時的方式傳遞。事件分組可在一定允許延時條件下通過USB發(fā)送。對于藍(lán)牙設(shè)備，中斷終端的時間間隔為1 ms。USB軟件和固件無需對傳送到主控制器的事件充分了解。

5）同步終端要求 同步終端用于傳遞SCO數(shù)據(jù)，主要是音視頻數(shù)據(jù)。時間是該數(shù)據(jù)類型的重要因素。它允許數(shù)據(jù)損壞或丟失，但必須保證有恒定的數(shù)據(jù)流。USB固件以固定速率將數(shù)據(jù)內(nèi)容傳遞到主控制器的SCO先進(jìn)先出隊列（FIFO）。如果FIFO滿，則新數(shù)據(jù)將覆蓋原有數(shù)據(jù)。藍(lán)牙設(shè)備可以支持3個64 kb/s語音信道，可以接收不同編碼方式的數(shù)據(jù)―8 bit或16 bit的線性音頻編碼。默認(rèn)狀態(tài)下，同步終端的最大分組尺寸為64字節(jié)。如果無需支持3條16 bit編碼的語音信道，最大分組尺寸為32字節(jié)。

4 Linux下藍(lán)牙USB設(shè)備驅(qū)動實現(xiàn)

4.1 重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[5-6]

4.1.1 結(jié)構(gòu)體hci_dev

在嵌入式Linux系統(tǒng)中，任何一種設(shè)備在HCI層都被抽象為hci_dev結(jié)構(gòu)體。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備接入系統(tǒng)時，不論以何種方式接入，都要向HCI層或藍(lán)牙核心層注冊為一個hci_dev設(shè)備。hci_dev結(jié)構(gòu)體主要包含：

1）設(shè)備名稱（name）、設(shè)備地址（bdaddr）、設(shè)備標(biāo)志（flags）、設(shè)備類型（type）等設(shè)備屬性；

2）分組類型（pkt_type）、鏈接策略（link_policy）、鏈接模式（link_mode）；

3）3 種類型任務(wù)隊列：CMD任務(wù)、發(fā)送任務(wù)、接收任務(wù)；

4）7 種設(shè)備操作， 包括 open，close，flush，send，destruct，notify 和 ioctl。

另外還有設(shè)備查詢狀態(tài)、查詢返回結(jié)果、設(shè)備鎖等。

4.1.2 結(jié)構(gòu)體hci_usb

hci_usb結(jié)構(gòu)體定義了指向hci_dev和usb_device的2個指針。usb_device定義藍(lán)牙usb設(shè)備，這樣通過這2個指針可將HCI層與藍(lán)牙設(shè)備聯(lián)系起來。hci_usb還定義HCI操作USB設(shè)備時所用到的其他數(shù)據(jù)，諸如數(shù)據(jù)緩存大小、USB接口、主機(jī)端的端點描述符和隊列等。

4.1.3 結(jié)構(gòu)體bt_usb_data

結(jié)構(gòu)體bt_usb_data描述USB接口藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含傳送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)、I／O端點、消息隊列以及緩沖區(qū)的消息串和消息串讀寫位置索引、傳送緩沖區(qū)的指針以及表示設(shè)備是否被激活、是否存在、是否打開等狀態(tài)標(biāo)志位。

4.2 驅(qū)動程序的注冊

在嵌入式Linux系統(tǒng)中，所有設(shè)備驅(qū)動程序，都必須向內(nèi)核注冊其設(shè)備驅(qū)動。對于藍(lán)牙USB設(shè)備驅(qū)動注冊，該過程首先創(chuàng)建一個指向usb_dirvier類型的結(jié)構(gòu)體hci_usb_driver，具體內(nèi)容包括指定驅(qū)動程序的名字（hci_usb）、探測函數(shù)（hci_usb_probe）、斷開函數(shù)（hci_usb_disconnect）、 中斷函數(shù) （hci_usb_suspend）、 恢復(fù)函數(shù)（hci_usb_resume）、所支持藍(lán)牙設(shè)備列表（bluetooth_ids）。 并由函數(shù)module_init、hci_usb_init、usb_register 依次 執(zhí) 行 ，usb_register最 終 調(diào) 用usb_register_driver完成驅(qū)動向內(nèi)核注冊。

4.3 驅(qū)動程序的注銷

當(dāng)卸載驅(qū)動程序時，要在內(nèi)核中注銷驅(qū)動程序，釋放其占有的資源。該過 程 與 驅(qū) 動 注 冊 類 似 ， 由 module_exit、hci_usb_exit、usb_deregister依次執(zhí)行,最終 usb_deregister調(diào)用usb_deregister_driver完成驅(qū)動注銷。

4.4 hci_usb_probe過程

當(dāng)USB設(shè)備插入主機(jī)時，主機(jī)控制器HCI使用控制通道枚舉，并給其分配唯一設(shè)備地址（1～127），同時讀取該設(shè)備的class,subclass和protocol等設(shè)備描述符。

如果讀取到的設(shè)備描述符信息與hci_usb驅(qū)動程序注冊到USB核心的信息相匹配，則將設(shè)備與相應(yīng)的驅(qū)動程序進(jìn)行綁定。調(diào)用hci_usb_driver中指定的探測函數(shù)hci_usb_probe，初始化結(jié)構(gòu)體hci_usb中部分?jǐn)?shù)據(jù)，并注冊HCI設(shè)備。藍(lán)牙設(shè)備探測函數(shù)hci_usb_probe具體探測過程如圖4所示。

4.5 設(shè)備的斷開

當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備斷開連接時，通過調(diào)用hci_usb_driver中指定的斷開函數(shù)hci_usb_disconnect完成。其過程主要包括清空設(shè)備的驅(qū)動數(shù)據(jù)，關(guān)閉設(shè)備，釋放與設(shè)備相關(guān)的資源，并注銷內(nèi)核中相應(yīng)的HCI設(shè)備及釋放所占用的資源。

4.6 設(shè)備中斷與恢復(fù)

如果要中斷藍(lán)牙設(shè)備連接 （只是暫時中斷，未釋放資源），則通過調(diào)用中斷函數(shù)hci_usb_suspend來完成。其過程是保存hci_dev數(shù)據(jù)信息，中斷HCI與設(shè)備連接，互斥訪問設(shè)備等待隊列并把數(shù)據(jù)信息加入設(shè)備等待隊列的尾部。如果要恢復(fù)被中斷過的藍(lán)牙設(shè)備的連接，可通過調(diào)用恢復(fù)函數(shù)hci_usb_resume來完成。其過程是互斥訪問設(shè)備等待隊列，取出隊列頭的hci_dev數(shù)據(jù)，恢復(fù)HCI與設(shè)備的連接。若錯誤，則返回I/O error。

5 實驗結(jié)果

把交叉編譯過的藍(lán)牙USB設(shè)備驅(qū)動程序以及必要的程序和庫移到根文件系統(tǒng)中，啟動開發(fā)板，在板上USB接口處插上USB藍(lán)牙設(shè)備。

加載USB藍(lán)牙驅(qū)動，執(zhí)行hciconfig，可以看到當(dāng)然藍(lán)牙USB設(shè)備使用狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 加載后USB藍(lán)牙設(shè)備狀態(tài)

6 結(jié)束語

本文在硬件平臺MP2530上開發(fā)實現(xiàn)嵌入式Linux下藍(lán)牙USB設(shè)備驅(qū)動程序。實驗結(jié)果顯示，基于該驅(qū)動的USB藍(lán)牙設(shè)備可與其他藍(lán)牙設(shè)備正常通訊，其速度比以K單位計算的串口要快得多。USB藍(lán)牙設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)，為藍(lán)牙設(shè)備與其他硬件設(shè)備的連接提供了一種高效便捷的途徑，同時大大拓展了藍(lán)牙設(shè)備的應(yīng)用。

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