Linux UWB Stack实现——MCPS帧处理

MCPS帧处理

用于处理IEEE 802.15.4中的相关帧，Frame Processing，简写为：fproc。

在实现中，维护了关于帧处理的有限状态机(FSM)。本文从帧处理的数据结构和部分典型处理实现上进行简要的介绍。

1. 数据结构定义

关于帧处理状态机相关的事件回调定义为struct mcps802154_fproc_state，用于处理从活跃状态的转换。

struct mcps802154_fproc_state {
	/** @name: State name. */
	const char *name;
	/** @enter: Run when the state is entered. */
	void (*enter)(struct mcps802154_local *local);
	/** @leave: Run when the state is left. */
	void (*leave)(struct mcps802154_local *local);
	/** @rx_frame: Handle frame reception. */
	void (*rx_frame)(struct mcps802154_local *local);
	/** @rx_timeout: Handle reception timeout. */
	void (*rx_timeout)(struct mcps802154_local *local);
	/** @rx_error: Handle reception error. */
	void (*rx_error)(struct mcps802154_local *local,
			 enum mcps802154_rx_error_type error);
	/** @tx_done: Handle end of transmission. */
	void (*tx_done)(struct mcps802154_local *local);
	/** @broken: Handle unrecoverable error. */
	void (*broken)(struct mcps802154_local *local);
	/** @timer_expired: Handle timer expiration. */
	void (*timer_expired)(struct mcps802154_local *local);
	/** @schedule_change: Handle schedule change. */
	void (*schedule_change)(struct mcps802154_local *local);
};

主要包括了entered、left、rx_frame、rx_timeout、rx_error、tx_done、broken、timer_expired、schedule_change几个状态，通过该结构体定义了相关状态切换对应的回调函数。

在MCPS的私有数据struct mcps802154_local中，定义了帧处理的私有数据，通过结构体struct mcps802154_fproc实现。

struct mcps802154_fproc {
	/** 指向当前状态的指针 */
	const struct mcps802154_fproc_state *state;
	/** 指向正在处理中访问的指针 */
	struct mcps802154_access *access;
	/** 发送帧的buffer指针 */
	struct sk_buff *tx_skb;
	/** 多帧方法下的帧索引 */
	size_t frame_idx;
};

由于fproc的相关处理大多会涉及到MCPS私有数据的访问，因此在文件中通过对结构体进行声明struct mcps802154_local（未直接引用头文件的方式）。
帧处理相关操作包括：

• mcps802154_fproc_init，初始化；
• mcps802154_fproc_uninit，去初始化；
• mcps802154_fproc_change_state，更换活跃状态；
• mcps802154_fproc_access，获取访问access并处理，需要下一访问机会的时间信息；
• mcps802154_fproc_access_now，与上一接口的区别在于，直接获取当前时间的访问，并进行处理，可以理解为上一函数的封装；
• mcps802154_fproc_access_done，访问完成，释放；
• mcps802154_fproc_access_reset，当出现错误后，复位一个access；当接收到意外事件时，当前专属的帧和当前访问被保留，可能被底层驱动使用。当驱动器重启或停止时，缓冲区和访问可被释放。
• mcps802154_fproc_stopped_handle，进入Stopped状态处理，fproc_stopped.c中定义；
• mcps802154_fproc_broken_handle，进入broken状态处理，fproc_broken.c中定义；
• mcps802154_fproc_nothing_handle，处理非活跃状态，fproc_nothins.c文件；
• mcps802154_fproc_rx_handle，处理一个接收访问及改变状态；
• mcps802154_fproc_tx_handle，除了第一个发送访问及改变状态；
• mcps802154_fproc_multi_handle，处理多帧访问，改变状态；
• mcps802154_fproc_vendor_handle，处理一个有供应商管理的多帧访问。

2. 相关代码实现

关于MCPS802154的帧，通过分配sk_buff来存储，主要构成包括：帧头 + 载荷 + FCS（IEEE802154_FCS_LEN）。
通过struct sk_buff *mcps802154_frame_alloc(struct mcps802154_llhw *llhw, unsigned int size, gfp_t flags)函数实现。

2.1 帧处理状态切换

通过调用mcps802154_fproc_change_state函数，主要操作：当前的状态调用leave回调函数（若有），并将MCPS私有域的状态切换为新的状态，若定义了enter函数，则调用enter回调函数。

void mcps802154_fproc_change_state( struct mcps802154_local *local, const struct mcps802154_fproc_state *new_state)
{
	if (local->fproc.state->leave)
		local->fproc.state->leave(local);
	local->fproc.state = new_state;
	if (local->fproc.state->enter)
		local->fproc.state->enter(local);
}

2.2 帧处理访问

通过函数void mcps802154_fproc_access(struct mcps802154_local *local, u32 next_timestamp_dtu)实现帧处理的访问，通过mcps802154_ca_get_access函数，获取access指针，进行处理。

关于帧的访问操作，根据不同的访问方式来调用不同的帧处理，主要包括rx、tx、multi以及vendor。

	switch (access->method) {
	case MCPS802154_ACCESS_METHOD_NOTHING:
		mcps802154_fproc_nothing_handle(local);
		r = 0;
		break;
	case MCPS802154_ACCESS_METHOD_IMMEDIATE_RX:
		r = mcps802154_fproc_rx_handle(local, access);
		break;
	case MCPS802154_ACCESS_METHOD_IMMEDIATE_TX:
		r = mcps802154_fproc_tx_handle(local, access);
		break;
	case MCPS802154_ACCESS_METHOD_MULTI:
		r = mcps802154_fproc_multi_handle(local, access);
		break;
	case MCPS802154_ACCESS_METHOD_VENDOR:
		r = mcps802154_fproc_vendor_handle(local, access);
		break;
	default:
		r = -1;
	}

2.3 帧接收

void mcps802154_rx_frame(struct mcps802154_llhw *llhw)
{
    // 基于底层硬件获取当前的MCPS802154本地私有数据指针
	struct mcps802154_local *local = llhw_to_local(llhw);

    // 状态机加锁
	mutex_lock(&local->fsm_lock);
	trace_llhw_event_rx_frame(local);
    // 调用当前状态的rx_frame回调函数
	if (local->fproc.state->rx_frame)
		local->fproc.state->rx_frame(local);
	else
		mcps802154_broken_safe(local);
	trace_llhw_event_done(local);
	mutex_unlock(&local->fsm_lock);
}
EXPORT_SYMBOL(mcps802154_rx_frame);

对于rx_timeout、rx_error、tx_done等均为类似的处理方式，最后都通过EXPORT_SYMBOL宏，就符号导出供其他模块使用。

• mcps802154_rx_timeout
• mcps802154_rx_error
• mcps802154_tx_done

2.4 帧接收状态

可以看到在帧处理获得访问之后，将调用mcps802154_fpoc_rx_handle来处理对应状态下的操作，对于接收的帧处理状态定义如下：

static const struct mcps802154_fproc_state mcps802154_fproc_rx = {
	.name = "rx",
	.rx_frame = mcps802154_fproc_rx_rx_frame,
	.rx_error = mcps802154_fproc_rx_rx_error,
	.schedule_change = mcps802154_fproc_rx_schedule_change,
};

int mcps802154_fproc_rx_handle(struct mcps802154_local *local,
			       struct mcps802154_access *access)
{
	int r;
	struct mcps802154_rx_info rx_info = {
		.flags = MCPS802154_RX_INFO_AACK,
		.timeout_dtu = -1,
	};
	r = llhw_rx_enable(local, &rx_info, 0);
	if (r)
		return r;

	mcps802154_fproc_change_state(local, &mcps802154_fproc_rx);

	return 0;
}

状态定义中，仅定义了rx_frame、rx_error以及schedule_change，分别处理帧接收、帧接收错误处理以及调度切换。

接收帧处理中，底层硬件使能接收，然后将帧处理状态切换到mcps802154_fproc_rx。