嵌入式WiFi技術(shù)淺析

目前，IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在語(yǔ)音通信、無(wú)線辦公等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但主要還是局限在PC機(jī)、筆記本電腦等通用平臺(tái)的無(wú)線通信。無(wú)線局域網(wǎng)在信息家電、工業(yè)控制、移動(dòng)手持設(shè)備等嵌入式環(huán)境中的應(yīng)用需求日益增多。如何在嵌入式系統(tǒng)中整合WLAN寬帶通信，成為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中的一個(gè)熱點(diǎn)。

1 IEEE802.11b無(wú)線局域網(wǎng)

IEEE802.11系列包括IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.1lb、IEEE802.1lg四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段IEEE802.11b的產(chǎn)品比較多。本文主要針對(duì)IEEE802．1lb標(biāo)準(zhǔn)，介紹嵌入式WiFi的實(shí)現(xiàn)。

IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)是在IEEE802.11的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，工作在2.4 GHz頻段，采用CCK調(diào)制技術(shù)，最高傳輸率能夠達(dá)到11Mbps，具有部署方便、通信可靠、抗干擾能力強(qiáng)、成本低、靈活性好、移動(dòng)性強(qiáng)、高吞吐量等特點(diǎn)。它使得無(wú)線用戶可以得到以太網(wǎng)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)性能、速率和可用性，并且可以無(wú)縫地將多種LAN技術(shù)集成起來(lái)，形成一種能夠最大限度地滿足用戶需求的網(wǎng)絡(luò)。WiFi是WirelessFidelity的縮寫(xiě)，專(zhuān)指IEEE802.11b無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。在介紹IEEE802.11b的工作模式之前，首先介紹幾個(gè)基本的概念。

1.1 IEEE802.11b基本概念

STA是指接入無(wú)線媒介的部分，常被稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)適配器或者網(wǎng)絡(luò)接口卡。STA可以是移動(dòng)的，也可以是固定的。每個(gè)STA都支持鑒權(quán)(authentication)，取消鑒權(quán)(deauthentication)，加密和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

基本服務(wù)集BSS(Basic Service

Set)是IEEES02.11b

局域網(wǎng)的基本構(gòu)成單元，基本服務(wù)集中可以包含多個(gè)STA。BSS基本服務(wù)集都有一個(gè)覆蓋范圍。在該覆蓋范圍內(nèi)基本服務(wù)集的成員STA可以保持相互通信，每個(gè)BSS有一個(gè)基本服務(wù)集識(shí)別碼BSSID。

獨(dú)立的基本服務(wù)集IBSS(Independent

BSS)是最基本的IEEE802.11b局域網(wǎng)類(lèi)型，一個(gè)最小的IEEE802.11b局域網(wǎng)可以僅僅包含兩個(gè)STA。在這種模式下，STA能夠直接通信。因?yàn)檫@種類(lèi)型的IEEES02.11b局域網(wǎng)通常在需要的時(shí)候才安排，所以這種網(wǎng)絡(luò)工作模式通常被稱(chēng)為ad

hoc(拉丁語(yǔ)，可譯為“自組網(wǎng)”)模式。站點(diǎn)(STA)與基本服務(wù)集(BSS)之間的相互關(guān)系嵌態(tài)的，STA可以自由地開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、進(jìn)入或離開(kāi)BSS覆蓋范圍。

DSS(Distribution System

Service)，用于連接多個(gè)BSS。由于物理層覆蓋范圍的限制決定了所能支持的STA與STA之間的直接通信距離。為了解決這個(gè)問(wèn)題，引入DS(Distribution

System)，它可以把多個(gè)BSS構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。

AP是Access

Point簡(jiǎn)稱(chēng)，一般翻譯為“無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)”或“橋接器”。主要在媒介訪問(wèn)控制層MAC中扮演無(wú)線工作站及有線局域網(wǎng)絡(luò)的橋梁。

ESS(Extended

Service

Set)，DS和多個(gè)BSS允許IEEE802.11構(gòu)成一個(gè)任意大小和復(fù)雜的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。IEEE802.11b把這種網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為擴(kuò)展服務(wù)集網(wǎng)絡(luò)。同樣，ESS也有一個(gè)標(biāo)識(shí)的名稱(chēng)，即ESSID。

1.2 IEEE802.11b的工作模式

IEEE

802．1lb有兩種工作模式：Ad-hoe和Infra—structure模式。IEEE標(biāo)準(zhǔn)以獨(dú)立的基本服務(wù)集(IBSS)來(lái)定義Ad-hoc模式工作的客戶端集合，以基本服務(wù)集(BSS)定義以Infrastructure模式工作的客戶端集合。

在Ad-hoc模式中，客戶端不能直接和網(wǎng)絡(luò)外其他的客戶端通信。Ad-hoc模式的設(shè)計(jì)目的是使在同一個(gè)頻譜覆蓋范圍內(nèi)的客戶間能夠互相通信。如果一個(gè)Ad—hoc網(wǎng)絡(luò)模式中的客戶想要和該網(wǎng)絡(luò)外的客戶通信，則該網(wǎng)絡(luò)中必須有一個(gè)客戶做網(wǎng)關(guān)并執(zhí)行路由功能。

而在Infrastructure模式中，每一個(gè)客戶將其通信報(bào)文發(fā)向AP.AP轉(zhuǎn)發(fā)所有的通信報(bào)文。這些報(bào)文可以是發(fā)往以太網(wǎng)的，也可以是發(fā)往無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的。這是一種整合以太網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用模式。無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)頻段管理及漫游等指揮工作。一個(gè)AP最多可連接1024個(gè)站點(diǎn)。

2 嵌入式WiFi的設(shè)計(jì)

嵌入式WiFi的結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)PC／OS平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)有所不同。要在普通的微處理器／微控制器上實(shí)現(xiàn)WiFi通信，其硬件結(jié)構(gòu)、軟件層次都必須進(jìn)行裁減。下面以Prism

MAC為例說(shuō)明嵌入式WiFi的軟、硬件設(shè)計(jì)。

2.1 嵌入式WiFi的硬件設(shè)計(jì)

嵌入式環(huán)境中WiFi的硬件接口如圖1所示。與標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)相比，中間沒(méi)有PCMCIA橋。圖1是嵌入式環(huán)境中的PC2MCIA接口的網(wǎng)卡與總線開(kāi)放MCU的連接。

由于Prism

MAC包括Memory space和I／O memory兩個(gè)空間，所以需要兩個(gè)片選通過(guò)或門(mén)控制讀寫(xiě)空間的選擇。PCMCIA封裝的Prism

MAC有26根地址線，驅(qū)動(dòng)Prism

MAC僅僅需要地址線A0～A9，其他地址線全部接地。對(duì)于總線不開(kāi)放的處理器，可以使用I/O口線模擬的方式進(jìn)行讀寫(xiě)。

2.2嵌入式WiFi的軟件設(shè)計(jì)

在WinCE、Linux等操作系統(tǒng)環(huán)境下，可以使用廠家提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)來(lái)使用WiFi網(wǎng)卡。這種系統(tǒng)一般對(duì)硬件資源(如CPU性能、存儲(chǔ)器容量等)有較高的要求。對(duì)于許多嵌入式應(yīng)用，由于硬件資源的限制，很多系統(tǒng)都在簡(jiǎn)單OS(如uC／0S等)或無(wú)0S的環(huán)境下運(yùn)行，這時(shí)就需要對(duì)整個(gè)軟件協(xié)議作適當(dāng)?shù)牟脺p。圖2是嵌入式WiFi的軟件結(jié)構(gòu)。

圖2中，TCP／IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)在許多文章中已經(jīng)有較多的講述。這里主要以Prism MAC為例，介紹無(wú)限網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，即嵌入式WiFi的驅(qū)動(dòng)。

Prism MAC提供給用戶一組接口寄存器，通過(guò)這些寄存器和Prism MAC進(jìn)行通信。這些寄存器位于Attribute

Memory[2]空間中，可以使用AttribLlte Memory地址直接訪問(wèn)。表1列出了PRISM MAC的常用寄存器及其定義。