2021年07月02日 | ARM设计的无线网卡设备驱动技术

随着移动通信和便携通信的发展，无线局域网WLAN日渐普及。嵌入式系统中无线局域网的接入，既可以实现对嵌人式系统的无线控制和数据传输，又可以满足一些特殊应用的场合。这里通过对USB无线网卡的Linux设备驱动的深入理解和分析，成功地移植在Atmel 9261 ARM处理器上。实现了嵌入式系统的无线局域网接入。利用该平台，可以进一步设计完善医用伽马相机和小型SPECT设备的手持数据采集系统，使得控制人员能够远离数据采集现场，而通过远程终端来控制现场数据和各种控制信号，较好地解决了安全性问题。

1 硬件系统构成
1．1 USB无线网卡介绍
无线网卡是无线局域网(WLAN)的重要组成部分，WLAN的物理层及MAC层是用无线网卡的硬件及其软件完成的，而LLC层以上各层均由计算机软件来实现。WLAN包括进行通信的网络接口卡(简称无线网卡)和接人点／桥接器(AP／网桥)。其中，无线网卡提供了最终用户设备(手持设备)与接人点／桥接器之间的接口。目前，无线网卡主要以PCMCIA，CompactFlash(CF)卡的形式广泛应用。大多数可用的无线网卡都是基于Intersil Prism或Lucent Hermes芯片组的，其中USB设备的无线网卡则由Ateml芯片组支持。该系统采用D-Link的WLG-122无线网卡，芯片组为Prism2，它通过USB host port接入。

1．2 系统构成
主控制器采用Atmel 9261，工作频率180 MHz，具有16 KB数据cache和16 KB指令cache，外接64 MBNAND FLASH和64 MB SDRAM，外围接口由10／100 Mb／s自适应以太网卡，3个USB 2.0接口，2个通用异步收发器(UART)，LCD接口以及串行外围接口(SPI)等组成，可以方便地外接工作设备。操作系统采用Linux 2.6.15；Bootloader采用U-boot；根文件系统采用ramdisk。系统启动后挂载yaffs文件系统，该系统采用Ateml公司的Atmel 9261开发板，外围接口包括2个USB host接口，其中一个外接USB无线网卡。无线路由器采用Cisco-Linksys的WRTl60N，支持802.11g标准、TCP协议和TFTP协议，如图1所示。

2 USB无线网卡驱动
2．1 Linux USB驱动模块结构
对于接入系统中的USB无线网卡，从CPU的角度首先看到的是USB总线，然后才是网卡芯片，所以USB驱动要先于网卡驱动实现。USB设备接口有主机端与设备端区别，因而USB驱动程序也有USB主机端驱动程序与USB设备端驱动程序之分。在主控机方面，主要有UHCI和OHCI两种规范。

上层的应用软件对系统的USB设备进行访问是通过文件系统的形式进行的。每个连接到系统总线上的USB设备可以同时对应一个或多个驱动程序，即每个USB设备可以在Linux系统上设置一个或多个节点供应用程序使用。

由于USB接口为主从方式和多设备连接的树状网络结构，所以USB主机必须具备对所有连接在总线上不同类型的USB设备进行配置管理的功能。LinuxUSB主机驱动程序可以同时支持多路USB总线功能，每路USB总线独立工作。USB主机驱动由USB主机控制器驱动(HCD)，USB驱动(USBD)和不同的USB设备类型驱动三部分组成。图2描述了Linux USB驱动程序的结构。Linux定义了通用请求块(UniversalReqlaest Block，URB)，用来在USB设备类驱动程序与USBD，USBD与HCD间进行数据传输。

2．2 LinUX网络驱动程序结构
所有的Linux网络驱动程序都遵循通用的接口。设计时采用面向对象的方法，即一个设备就是一个对象(net device结构)，它内部有自己的数据和方法。一个网络设备最基本的方法有初始化、发送和接收。Linux网络驱动程序的结构可以划分为网络协议接口、网络设备接口、设备驱动功能和网络媒介四层。网络驱动程序中最主要的工作就是完成设备驱动层功能，使其满足所需要的功能。

2．2．1 USB无线网卡驱动设备的访问和控制
与PCI,ISA等设备不同，USB,1394等新一代总线没有IO／MEM映射、中断和DMA硬件资源，取而代之的是抽象出来的硬件资源概念。对USB设备来说，资源主要包括配置(configuraTIon)、接口(interface)和端点(endpoint)。这些资源中，端点对于USB设备有着最重要的意义，实际的数据传输就是通过端点的读写实现的。驱动程序通过描述符来获取这些资源。在初始化时，USB驱动程序从设备端点0读取描述符，经过解析后保存这些资源的属性，为传输数据做准备。

2．2．2 USB网络设备驱动程序设计
USB无线网卡驱动程序首先向USB子系统注册自己，然后通过vendor id和device id来判断硬件设备是否已经插入总线，摄像头驱动程序需要创建一个

当无线网卡插入USB总线时，USB core就会调用Probe方法来检测被传递进来的信息，以确定无线网卡设备是不是与驱动程序匹配，同时填充struct net_device完成对该网络设备的初始化。当无线网卡被拔出时，USB core就会调用Disconnect方法来完成清除工作。驱动程序通过显示模块的初始化和消除函数注册与注销模块调用module_init来初始化一个模块，并在卸载时调用moduel_exit函数。

其中，open函数主要完成对描述网卡硬件数据结构pAd的初始化，包括urb包接收函数、接口配置函数、初始化发送接收数据结构和MAC地址拷贝函数，以及最后开始的net_dev数据发送接收函数。RTMPSend-Packets函数负责发送包装好的网络数据包。无线网卡驱动与USB core的通信则通过中断／批量的方式来传送。

3 编译与测试
3．1 无线网卡驱动编译
该系统的Linux内核版本为2．6．15，在宿主机上进行内核配置，通过“make menuconfig"将内核中不必要的功能去掉，增加对WLAN的支持。依次点击De-Vice Driver→Network device suppor→Wireless LAN(non-hamradio)→选中Wireless Lan driners(non-hamradio)＆Wireless Extensions；然后进入通用USB-WLAN驱动程序源码，修改makefile，将内核文件夹选项重新定位在刚才编译好的Linux内核下，通过“make"在该文件夹下编译生成rt73．ko驱动模块。

在ARM嵌入式Linux开发中文件的传输方式有多种，比如TFTP服务和NFS文件系统。在此采用将rt73．ko驱动模块下载至开发板，由于Linux支持模块的动态加载，所以可以很方便地将该模块用“insmod”加载至内核，通过“lstood”查看加载的模块，之后rt73模块已经被成功加载。

在开发板文件系统中添加无线管理应用程序，和iwconfig，iwapy，iwlist等，用于配置频率、网络、ID、ES-SID、接受灵敏度、接人模式、无线网络标准、加密开关。

最后编写无线网络启动和自配置程序，实现自动配置IP地址和无线网卡。至此整个无线网卡驱动程序全部编译完成。

3．2 测试结果及分析
启动无线网络，编写测试带宽程序。该测试程序采用C／S设计模式，客户端运行在ARM开发板上，服务器运行在局域网内一台Linux PC上。改测试程序的工作流程主要如下，客户端分别发送不同大小的字节流，经服务器处理计算出对应的带宽，可以得到一条宽带曲线，进而得到网络实际能够达到的最大带宽。经反复测试，该无线网卡能够稳定工作，在距离AP 50 m的半径内下带宽为6 Mb／s，距离理论值54 Mb／s还有一定距离，具体原因正在分析中。测试结果如图3所示。

4 结 语
Linux作为当今市场上嵌入式系统使用比例最高的操作系统，其驱动模式支持模块堆叠技术，内核开发者已提供了一些通用模块。现从工程应用出发，研究并移植了Linux下USB无线网卡的设备驱动，以此为基础既可以构建嵌入式无线局域网，又可以用于有线网络无法延伸或难以安装，以及有可灵活移动和临时性使用等要求的、诸如外加摄像头和图像处理芯片的场合，还可以用于工业现场中的远程无线视频监控。