USB無線網(wǎng)絡(luò)適配器在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：本文介紹了具有USB接口的無線網(wǎng)絡(luò)適配器在基于ARM的嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用。首先介紹了嵌入式主機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)，然后介紹了USB主控制器的結(jié)構(gòu)及其在uClinux系統(tǒng)下驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)，最后說明了具有USB接口的無線網(wǎng)卡在嵌入式主機(jī)上的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：WLAN，USB Host Controller，uClinux

　　引言 WLAN技術(shù)和嵌入式技術(shù)是目前比較熱門的兩個研究方向，而將二者相結(jié)合，即具有無線接入功能的嵌入式系統(tǒng)更具有誘人的發(fā)展前景。本文介紹了將IEEE802.11b無線網(wǎng)絡(luò)適配器與嵌入式主機(jī)通過USB總線進(jìn)行連接的系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用了先進(jìn)的ARM處理器，除具有10M/100M以太網(wǎng)接口外，還提供USB主接口方便連接具有USB接口的IEEE 802.11b無線網(wǎng)絡(luò)適配器。

1.系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)

　　1.1系統(tǒng)的構(gòu)成

　　系統(tǒng) CPU采用Samsung公司推出的帶有ARM7TDMI內(nèi)核的S3C4510B作為CPU，RAM采用8M 32位SDRAM，ROM采用4M 16 位FLASH。帶有一個JTAG接口用于系統(tǒng)調(diào)試，一個RS-232串行端口用于終端調(diào)試，一個以太網(wǎng)控制器，一個USB主機(jī)控制器。系統(tǒng)硬件框圖如圖1-1：

　　嵌入式主機(jī)采用uClinux操作系統(tǒng)。uClinux是縮微版的Linux，和Linux內(nèi)核保持同步開發(fā)。不同之處在于uClinux不帶有內(nèi)存管理單元（MMU），不能實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理，比較適合嵌入式系統(tǒng)的需求。

　　由于CPU是ARM指令系統(tǒng)，所以要在PC上用交叉編譯器重新編譯uClinux內(nèi)核，產(chǎn)生基于ARM的uClinux內(nèi)核二進(jìn)制代碼。

　　在編譯之前要進(jìn)行uClinux內(nèi)核的配置工作，包括RAM、ROM的大小，地址空間的分配，外圍設(shè)備的支持。除此以外，最關(guān)鍵的工作就是實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)控制器的驅(qū)動程序，這也是研究工作的重點(diǎn)。

2. USB 主機(jī)控制器

　　在介紹USB主機(jī)控制器驅(qū)動程序之前，先讓我們了解一下USB系統(tǒng)和USB主機(jī)控制器。

　　2.1 USB系統(tǒng)和USB主控制器的基本概念

　　在USB系統(tǒng)中，各種USB設(shè)備要與主機(jī)相連，就必須通過一個共同的接口接入主機(jī)。這個接口就是USB主機(jī)控制器（USB Host Controller）。HC是軟件、硬件以及固件的綜合，是USB拓?fù)涞闹行摹?/p>

　　USB總線在物理上是一種以主機(jī)為根的樹狀分層星型拓?fù)洌琀UB作為分枝結(jié)點(diǎn)，USB設(shè)備作為葉子結(jié)點(diǎn)。在邏輯上，USB總線是以主機(jī)為中心的星型拓?fù)洌琀UB在邏輯上也看做為一個USB邏輯設(shè)備。在邏輯上，主機(jī)直接通USB邏輯設(shè)備通信，就好像沒有中間的HUB一樣。USB邏輯設(shè)備是指各種各樣的USB設(shè)備與主機(jī)連接所必須具有的最基本的標(biāo)準(zhǔn)接口，主機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)接口管理和配置所有的USB設(shè)備。

圖2-1是從USB主機(jī)客戶軟件到USB設(shè)備應(yīng)用的通信流模型。

　　l 客戶軟件是為特定的USB設(shè)備服務(wù)的程序。USB只是一種總線協(xié)議，它的最終目的是為主機(jī)與外部設(shè)備之間提供方便快速的連接。客戶軟件可以理解為外部設(shè)備的驅(qū)動程序及應(yīng)用程序，而不屬于USB系統(tǒng)的一部分。它是USB系統(tǒng)的客戶，它與USB所連接的外部設(shè)備之間進(jìn)行邏輯通信。

　　l USB系統(tǒng)軟件是在特定操作系統(tǒng)上支持的USB驅(qū)動程序，它獨(dú)立于具體的USB設(shè)備，也獨(dú)立于客戶軟件。

　　USB系統(tǒng)軟件包括USB驅(qū)動（USBD），主機(jī)軟件，和主機(jī)控制器驅(qū)動（HCD）。USBD提供USB驅(qū)動接口（USBDI）與客戶軟件通信。客戶軟件通過I/O請求包（IRP）與USBD進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時，USBD還為客戶提供了一個抽象的USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備用于USB設(shè)備的配置及控制，因?yàn)檫@樣的USB設(shè)備具有標(biāo)準(zhǔn)通道及標(biāo)準(zhǔn)控制。

　　主機(jī)軟件的功能類似于USBD，出現(xiàn)在某些操作系統(tǒng)中替代USBDI來支持設(shè)備的配置及驅(qū)動的加載。

　　l 主機(jī)控制器驅(qū)動用于主機(jī)控制器的控制，由主機(jī)控制器廠商提供。HCD與USB之間的接口為主機(jī)控制器驅(qū)動接口（HCDI）。這樣，USB系統(tǒng)就可以不關(guān)心主機(jī)控制器的具體實(shí)現(xiàn)，從而支持了不同的主機(jī)控制器。

　　目前，應(yīng)用于PC的USB1.1 HCDI有兩種實(shí)現(xiàn)：一種是Intel制定的UHCI（Universal Host Controller Interface），另一種是Compaq、Microsoft 等聯(lián)合制定的OHCI（Open Host Controller Interface）。但是在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域里，一般由廠商或開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)HCI，而不屬于前兩個陣營。

　　2.2 SL811HST主機(jī)控制器

　　SL811HC是Cypress公司推出的專用于嵌入式系統(tǒng)的USB1.1規(guī)范主控制器芯片，可以工作在USB主控制器模式或者USB從控制器模式。

　　同基于PC的主控制器芯片不同，SL811HC直接實(shí)現(xiàn)了與MCU的時序粘連邏輯，而前者大多提供PCI接口。圖2-2是SL811HC的功能框圖

　　l 主/控制器模塊、RAM緩存及控制寄存器模塊、串行接口引擎（SIE）是系統(tǒng)的核心模塊。

　　l SIE模塊負(fù)責(zé)USB總線與主機(jī)之間數(shù)據(jù)的串、并轉(zhuǎn)換，完成總線的電氣功能。

　　l BUFFER用于數(shù)據(jù)緩存。SL811HC只有一根地址線A0。A0=1用于設(shè)定偏移量， A0=0用于讀寫數(shù)據(jù)。讀寫數(shù)據(jù)應(yīng)該首先指定偏移量，然后實(shí)現(xiàn)讀取時序。該芯片也支持地址自增量讀取，如果連續(xù)讀或?qū)憯?shù)據(jù)端口，則緩存區(qū)的偏移量地址會自動加1。這樣的設(shè)計支持了數(shù)據(jù)的快速讀寫。下面的代碼給出了兩種方式下的數(shù)據(jù)讀取例程：

　　static __u8 SL811Read （hci_t ＊ hci, __u8 offset）

　　｛

　　WRITE_INDEX （offset）;

　　return （READ_DATA （））;

　　｝

　　static void SL811BufRead （hci_t ＊ hci, __u8 offset, __u8 ＊buf, __u8 size）

　　｛

　　WRITE_INDEX （offset）;

　　while （size——） ｛

　　＊buf++ = READ_DATA（）;

　　｝

　　｝

　　l 控制模塊和控制寄存器用來控制芯片正確工作，USB總線狀態(tài)也保存在寄存器中。

　　l 中斷控制器和接口邏輯實(shí)現(xiàn)與MCU的接口。

　　2.3 USB HCD的實(shí)現(xiàn)

　　如前所述，USB HCD是USB系統(tǒng)控制主機(jī)控制器的工具，它的實(shí)現(xiàn)依賴于具體的硬件。因此，除了硬件系統(tǒng)的搭建以外，USB主控制器的實(shí)現(xiàn)大部分是HCD的實(shí)現(xiàn)。篇幅所限，這里僅給出主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)調(diào)用。

　　usb_bus結(jié)構(gòu)描述了usb核心層里的USB總線結(jié)構(gòu)，下面列出了usb_bus結(jié)構(gòu)里的主要成員。

　　struct usb_bus ｛

　　int busnum; /＊ USB總線號＊/

　　char ＊bus_name; /＊ USB總線名稱 ＊/

　　struct usb_devmap devmap; /＊ 設(shè)備 ＊/

　　struct usb_operations ＊op; /＊ 對應(yīng)于特定HCI的操作 ＊/

　　struct usb_device ＊root_hub; /＊根hub ＊/

　　void ＊hcpriv; /＊ Host Controller private data ＊/

　　……

　　｝;

　　op指向一個usb_operations型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來給USB核心層指定hci操作的函數(shù)指針:

　　static struct usb_operations hci_device_operations = ｛

　　allocate: hci_alloc_dev,

　　deallocate: hci_free_dev,

　　get_frame_number: hci_get_current_frame_number,

　　submit_urb: hci_submit_urb,

　　unlink_urb: hci_unlink_urb,

　　｝;

　　void ＊hcpriv是一個無類型指針，指向一個HCI數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以是UHCI,OHCI,或其他HCI。在這里，它指向SL811HC的hci_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。下面給出了SL811HC的hci_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要成員。

　　typedef struct hci ｛

　　struct virt_root_hub rh; /＊ 主機(jī)控制器的虛擬根hub的私有成員 ＊/

　　struct list_head ctrl_list; /＊ 控制端點(diǎn)的列表 ＊/

　　struct list_head bulk_list; /＊ 批量傳輸端點(diǎn)的列表＊/

　　struct list_head iso_list; /＊ 同步傳輸端點(diǎn)的列表＊/

　　struct list_head intr_list; /＊ 中斷傳輸端點(diǎn)的列表＊/

　　td_array_t ＊td_array; /＊ 事務(wù)描述符隊列 ＊/

　　td_array_t a_td_array;

　　td_array_t i_td_array[2];

　　struct usb_bus ＊bus; /＊ 指向usb_bus的指針 ＊/

　　……

　　｝ hci_t;

　　在hci_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，有一個指向usb_bus的指針。可見，hci_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和usb_bus數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)互相有一個指針指向?qū)Ψ剑鼈円黄鹜暾拿枋隽薝SB的總線行為。

3.USB無線網(wǎng)卡的實(shí)現(xiàn)及測試

　　嵌入式主機(jī)完成以后，下面的工作就是要將USB無線網(wǎng)卡的驅(qū)動程序移植到主機(jī)上。本方案采用的無線網(wǎng)卡是ACCTON公司推出的EW3301。該網(wǎng)卡采用帶有ARM核的無線局域網(wǎng)MAC層控制器，標(biāo)準(zhǔn)USB接口。射頻模塊采用Intersil公司的i3861 IEEE802.11b基帶控制器。

　　將無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序安裝到uClinux源代碼的./driver/usb目錄下，并且對Config.in文件和Makefile文件做適當(dāng)修改，將驅(qū)動編譯進(jìn)uClinux內(nèi)核。

　　在uClinux下，無線網(wǎng)卡的驅(qū)動程序是這樣工作的:

　　1. 注冊USB設(shè)備驅(qū)動程序，建立設(shè)備驅(qū)動索引

　　2. 網(wǎng)卡插入后，根據(jù)索引尋找到相應(yīng)的驅(qū)動程序

　　3. 下載固件

　　4. 注冊一個新的無線網(wǎng)卡設(shè)備

　　至此，目標(biāo)系統(tǒng)里會多了一個無線網(wǎng)卡設(shè)備wlan0，使用ifconfig命令設(shè)定網(wǎng)卡地址：

　　/> ifconfig wlan0 192.169.0.100 up

　　用iwconfig命令配置無線網(wǎng)卡：

　　/> iwconfig wlan0 channel 6 mode Managed essid SMC

　　用iwconfig命令查看無線網(wǎng)卡狀態(tài)：

　　/> iwconfig

　　wlan0 IEEE 802.11-DS ESSID:"SMC"

　　Mode:Managed Channel:6 Access Point: 00:04:E2:7C:60:5E

　　Bit Rate:11Mb/s

　　RTS thr=1536 B Fragment thr=1536 B

　　Encryption key:off

　　Power Management:off

　　Link Quality:3 Signal level:140 Noise level:0

　　Rx invalid nwid:0 Rx invalid crypt:0 Rx invalid frag:0

　　Tx excessive retries:0 Invalid misc:0 Missed beacon:0

　　用ping命令測試網(wǎng)絡(luò)是否連通：

　　/> ping 192.169.0.1

　　PING 192.169.0.1 （192.169.0.1）: 56 data bytes

　　64 bytes from 192.169.0.1: icmp_seq=0 ttl=64 time=4.2 ms

　　64 bytes from 192.169.0.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=4.2 ms

　　——- 192.169.0.1 ping statistics ——-

　　2 packets transmitted, 2 packets received, 0% packet loss

　　round-trip min/avg/max = 4.2/4.2/4.2 ms

結(jié)語

通過USB接口將無線網(wǎng)卡同嵌入式主機(jī)連接，可以使嵌入式主機(jī)方便的從固定狀態(tài)轉(zhuǎn)為移動狀態(tài)，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。同時，這樣的嵌入式移動主機(jī)也為下一步移動IP（Mobile IP）的研究提供了實(shí)驗(yàn)平臺。USB主機(jī)控制器的實(shí)現(xiàn)，給嵌入式系統(tǒng)提供了更加方便的外圍設(shè)備擴(kuò)展方式。本系統(tǒng)應(yīng)用在上海市科委重點(diǎn)科研項(xiàng)目“基于嵌入式系統(tǒng)的移動色譜儀”中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)異地采集、集中處理，為有限的實(shí)驗(yàn)室資源提供了無限的工作空間。

參考書目

　　1. ARM Architecture Reference Manual, ARM Limited, 2000.6

　　2. Universal Serial Bus Specification Revision 1.1，1998.9

　　3. 毛德操 胡希明，Linux內(nèi)核源代碼情景分析，浙江大學(xué)出版社，2001.9

　　4. Alessandro Rubini, Jonathan Corbet著，魏永明 駱剛 姜君 譯，Linux設(shè)備驅(qū)動程序（第二版），中國電力出版社，2002.11