ARM設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)技術(shù)

1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成
1．1 USB無線網(wǎng)卡介紹
無線網(wǎng)卡是無線局域網(wǎng)(WLAN)的重要組成部分，WLAN的物理層及MAC層是用無線網(wǎng)卡的硬件及其軟件完成的，而LLC層以上各層均由計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。WLAN包括進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)接口卡(簡稱無線網(wǎng)卡)和接人點(diǎn)／橋接器(AP／網(wǎng)橋)。其中，無線網(wǎng)卡提供了最終用戶設(shè)備(手持設(shè)備)與接人點(diǎn)／橋接器之間的接口。目前，無線網(wǎng)卡主要以PCMCIA，CompactFlash(CF)卡的形式廣泛應(yīng)用。大多數(shù)可用的無線網(wǎng)卡都是基于Intersil Prism或Lucent Hermes芯片組的，其中USB設(shè)備的無線網(wǎng)卡則由Ateml芯片組支持。該系統(tǒng)采用D-Link的WLG-122無線網(wǎng)卡，芯片組為Prism2，它通過USB host port接入。
1．2 系統(tǒng)構(gòu)成
主控制器采用Atmel 9261，工作頻率180 MHz，具有16 KB數(shù)據(jù)cache和16 KB指令cache，外接64 MBNAND FLASH和64 MB SDRAM，外圍接口由10／100 Mb／s自適應(yīng)以太網(wǎng)卡，3個(gè)USB 2.0接口，2個(gè)通用異步收發(fā)器(UART)，LCD接口以及串行外圍接口(SPI)等組成，可以方便地外接工作設(shè)備。操作系統(tǒng)采用Linux 2.6.15；Bootloader采用U-boot；根文件系統(tǒng)采用ramdisk。系統(tǒng)啟動(dòng)后掛載yaffs文件系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Ateml公司的Atmel 9261開發(fā)板，外圍接口包括2個(gè)USB host接口，其中一個(gè)外接USB無線網(wǎng)卡。無線路由器采用Cisco-Linksys的WRTl60N，支持802.11g標(biāo)準(zhǔn)、TCP協(xié)議和TFTP協(xié)議，如圖1所示。

2 USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)
2．1 Linux USB驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)
對(duì)于接入系統(tǒng)中的USB無線網(wǎng)卡，從CPU的角度首先看到的是USB總線，然后才是網(wǎng)卡芯片，所以USB驅(qū)動(dòng)要先于網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。USB設(shè)備接口有主機(jī)端與設(shè)備端區(qū)別，因而USB驅(qū)動(dòng)程序也有USB主機(jī)端驅(qū)動(dòng)程序與USB設(shè)備端驅(qū)動(dòng)程序之分。在主控機(jī)方面，主要有UHCI和OHCI兩種規(guī)范。
上層的應(yīng)用軟件對(duì)系統(tǒng)的USB設(shè)備進(jìn)行訪問是通過文件系統(tǒng)的形式進(jìn)行的。每個(gè)連接到系統(tǒng)總線上的USB設(shè)備可以同時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，即每個(gè)USB設(shè)備可以在Linux系統(tǒng)上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)供應(yīng)用程序使用。
由于USB接口為主從方式和多設(shè)備連接的樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以USB主機(jī)必須具備對(duì)所有連接在總線上不同類型的USB設(shè)備進(jìn)行配置管理的功能。LinuxUSB主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序可以同時(shí)支持多路USB總線功能，每路USB總線獨(dú)立工作。USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)由USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)，USB驅(qū)動(dòng)(USBD)和不同的USB設(shè)備類型驅(qū)動(dòng)三部分組成。圖2描述了Linux USB驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)。Linux定義了通用請(qǐng)求塊(UniversalReqlaest Block，URB)，用來在USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序與USBD，USBD與HCD間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2．2 LinUX網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)
所有的Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序都遵循通用的接口。設(shè)計(jì)時(shí)采用面向?qū)ο蟮姆椒?，即一個(gè)設(shè)備就是一個(gè)對(duì)象(net device結(jié)構(gòu))，它內(nèi)部有自己的數(shù)據(jù)和方法。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最基本的方法有初始化、發(fā)送和接收。Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)可以劃分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能和網(wǎng)絡(luò)媒介四層。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序中最主要的工作就是完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)層功能，使其滿足所需要的功能。
2．2．1 USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)設(shè)備的訪問和控制
與PCI,ISA等設(shè)備不同，USB,1394等新一代總線沒有IO／MEM映射、中斷和DMA硬件資源，取而代之的是抽象出來的硬件資源概念。對(duì)USB設(shè)備來說，資源主要包括配置(configuration)、接口(interface)和端點(diǎn)(endpoint)。這些資源中，端點(diǎn)對(duì)于USB設(shè)備有著最重要的意義，實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸就是通過端點(diǎn)的讀寫實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)程序通過描述符來獲取這些資源。在初始化時(shí)，USB驅(qū)動(dòng)程序從設(shè)備端點(diǎn)0讀取描述符，經(jīng)過解析后保存這些資源的屬性，為傳輸數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

2．2．2 USB網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序首先向USB子系統(tǒng)注冊(cè)自己，然后通過vendor id和device id來判斷硬件設(shè)備是否已經(jīng)插入總線，攝像頭驅(qū)動(dòng)程序需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)

當(dāng)無線網(wǎng)卡插入U(xiǎn)SB總線時(shí)，USB core就會(huì)調(diào)用Probe方法來檢測(cè)被傳遞進(jìn)來的信息，以確定無線網(wǎng)卡設(shè)備是不是與驅(qū)動(dòng)程序匹配，同時(shí)填充struct net_device完成對(duì)該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化。當(dāng)無線網(wǎng)卡被拔出時(shí)，USB core就會(huì)調(diào)用Disconnect方法來完成清除工作。驅(qū)動(dòng)程序通過顯示模塊的初始化和消除函數(shù)注冊(cè)與注銷模塊調(diào)用module_init來初始化一個(gè)模塊，并在卸載時(shí)調(diào)用moduel_exit函數(shù)。

其中，open函數(shù)主要完成對(duì)描述網(wǎng)卡硬件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)pAd的初始化，包括urb包接收函數(shù)、接口配置函數(shù)、初始化發(fā)送接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和MAC地址拷貝函數(shù)，以及最后開始的net_dev數(shù)據(jù)發(fā)送接收函數(shù)。RTMPSend-Packets函數(shù)負(fù)責(zé)發(fā)送包裝好的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)與USB core的通信則通過中斷／批量的方式來傳送。

3 編譯與測(cè)試
3．1 無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)編譯
該系統(tǒng)的Linux內(nèi)核版本為2．6．15，在宿主機(jī)上進(jìn)行內(nèi)核配置，通過“make menuconfig"將內(nèi)核中不必要的功能去掉，增加對(duì)WLAN的支持。依次點(diǎn)擊De-Vice Driver→Network device suppor→Wireless LAN(non-hamradio)→選中Wireless Lan driners(non-hamradio)＆Wireless Extensions；然后進(jìn)入通用USB-WLAN驅(qū)動(dòng)程序源碼，修改makefile，將內(nèi)核文件夾選項(xiàng)重新定位在剛才編譯好的Linux內(nèi)核下，通過“make"在該文件夾下編譯生成rt73．ko驅(qū)動(dòng)模塊。
在ARM嵌入式Linux開發(fā)中文件的傳輸方式有多種，比如TFTP服務(wù)和NFS文件系統(tǒng)。在此采用將rt73．ko驅(qū)動(dòng)模塊下載至開發(fā)板，由于Linux支持模塊的動(dòng)態(tài)加載，所以可以很方便地將該模塊用“insmod”加載至內(nèi)核，通過“l(fā)stood”查看加載的模塊，之后rt73模塊已經(jīng)被成功加載。
在開發(fā)板文件系統(tǒng)中添加無線管理應(yīng)用程序，和iwconfig，iwapy，iwlist等，用于配置頻率、網(wǎng)絡(luò)、ID、ES-SID、接受靈敏度、接人模式、無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、加密開關(guān)。
最后編寫無線網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和自配置程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配置IP地址和無線網(wǎng)卡。至此整個(gè)無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序全部編譯完成。
3．2 測(cè)試結(jié)果及分析
啟動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)，編寫測(cè)試帶寬程序。該測(cè)試程序采用C／S設(shè)計(jì)模式，客戶端運(yùn)行在ARM開發(fā)板上，服務(wù)器運(yùn)行在局域網(wǎng)內(nèi)一臺(tái)Linux PC上。改測(cè)試程序的工作流程主要如下，客戶端分別發(fā)送不同大小的字節(jié)流，經(jīng)服務(wù)器處理計(jì)算出對(duì)應(yīng)的帶寬，可以得到一條寬帶曲線，進(jìn)而得到網(wǎng)絡(luò)實(shí)際能夠達(dá)到的最大帶寬。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，該無線網(wǎng)卡能夠穩(wěn)定工作，在距離AP 50 m的半徑內(nèi)下帶寬為6 Mb／s，距離理論值54 Mb／s還有一定距離，具體原因正在分析中。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié) 語
Linux作為當(dāng)今市場上嵌入式系統(tǒng)使用比例最高的操作系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)模式支持模塊堆疊技術(shù)，內(nèi)核開發(fā)者已提供了一些通用模塊。現(xiàn)從工程應(yīng)用出發(fā)，研究并移植了Linux下USB無線網(wǎng)卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，以此為基礎(chǔ)既可以構(gòu)建嵌入式無線局域網(wǎng)，又可以用于有線網(wǎng)絡(luò)無法延伸或難以安裝，以及有可靈活移動(dòng)和臨時(shí)性使用等要求的、諸如外加攝像頭和圖像處理芯片的場合，還可以用于工業(yè)現(xiàn)場中的遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控。