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

時間:2008-11-14 10:31:00來源:ronggang

導(dǎo)語:?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
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: [align=center] 圖1-1 系統(tǒng)硬件框圖[/align]   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。 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?   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)?,HUB作為分枝結(jié)點,USB設(shè)備作為葉子結(jié)點。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。 [align=center] 圖2-1 USB通信流模型[/align]   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??蛻糗浖梢岳斫鉃橥獠吭O(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,它獨立于具體的USB設(shè)備,也獨立于客戶軟件。   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??蛻糗浖ㄟ^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,因為這樣的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 [align=center] 圖2-2 SL811HS USB 主/從控制器功能框圖[/align]   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——) {  ?。猙uf++ = 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現(xiàn)與MCU的接口。   2.3 USB HCD的實現(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主控制器的實現(xiàn)大部分是HCD的實現(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; /* 控制端點的列表 */   struct list_head bulk_list; /* 批量傳輸端點的列表*/   struct list_head iso_list; /* 同步傳輸端點的列表*/   struct list_head intr_list; /* 中斷傳輸端點的列表*/   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)的研究提供了實驗平臺。USB主機(jī)控制器的實現(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科研項目“基于嵌入式系統(tǒng)的移動色譜儀”中,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)異地采集、集中處理,為有限的實驗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

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