USB無線網絡適配器在嵌入式系統中的應用
關鍵詞：WLAN，USB Host Controller，uClinux
引言 WLAN技術和嵌入式技術是目前比較熱門的兩個研究方向，而將二者相結合，即具有無線接入功能的嵌入式系統更具有誘人的發展前景。本文介紹了將IEEE802.11b無線網絡適配器與嵌入式主機通過USB總線進行連接的系統設計與實現。系統采用了先進的ARM處理器，除具有10M/100M以太網接口外，還提供USB主接口方便連接具有USB接口的IEEE 802.11b無線網絡適配器。
1.系統的總體實現
1.1系統的構成
系統 CPU采用Samsung公司推出的帶有ARM7TDMI內核的S3C4510B作為CPU，RAM采用8M 32位SDRAM，ROM采用4M 16 位FLASH。帶有一個JTAG接口用于系統調試，一個RS-232串行端口用于終端調試，一個以太網控制器，一個USB主機控制器。系統硬件框圖如圖1-1：
圖1-1 系統硬件框圖
嵌入式主機采用uClinux操作系統。uClinux是縮微版的Linux，和Linux內核保持同步開發。不同之處在于uClinux不帶有內存管理單元（MMU），不能實現虛擬內存管理，比較適合嵌入式系統的需求。
由于CPU是ARM指令系統，所以要在PC上用交叉編譯器重新編譯uClinux內核，產生基于ARM的uClinux內核二進制代碼。
在編譯之前要進行uClinux內核的配置工作，包括RAM、ROM的大小，地址空間的分配，外圍設備的支持。除此以外，最關鍵的工作就是實現USB主機控制器的驅動程序，這也是研究工作的重點。
2. USB 主機控制器
在介紹USB主機控制器驅動程序之前，先讓我們了解一下USB系統和USB主機控制器。
2.1 USB系統和USB主控制器的基本概念
在USB系統中，各種USB設備要與主機相連，就必須通過一個共同的接口接入主機。這個接口就是USB主機控制器（USB Host Controller）。HC是軟件、硬件以及固件的綜合，是USB拓撲的中心。
USB總線在物理上是一種以主機為根的樹狀分層星型拓撲，HUB作為分枝結點，USB設備作為葉子結點。在邏輯上，USB總線是以主機為中心的星型拓撲，HUB在邏輯上也看做為一個USB邏輯設備。在邏輯上，主機直接通USB邏輯設備通信，就好像沒有中間的HUB一樣。USB邏輯設備是指各種各樣的USB設備與主機連接所必須具有的最基本的標準接口，主機通過標準接口管理和配置所有的USB設備。
圖2-1是從USB主機客戶軟件到USB設備應用的通信流模型。
圖2-1 USB通信流模型
l 客戶軟件是為特定的USB設備服務的程序。USB只是一種總線協議，它的最終目的是為主機與外部設備之間提供方便快速的連接。客戶軟件可以理解為外部設備的驅動程序及應用程序，而不屬于USB系統的一部分。它是USB系統的客戶，它與USB所連接的外部設備之間進行邏輯通信。
l USB系統軟件是在特定操作系統上支持的USB驅動程序，它獨立于具體的USB設備，也獨立于客戶軟件。
USB系統軟件包括USB驅動（USBD），主機軟件，和主機控制器驅動（HCD）。USBD提供USB驅動接口（USBDI）與客戶軟件通信。客戶軟件通過I/O請求包（IRP）與USBD進行數據傳輸。同時，USBD還為客戶提供了一個抽象的USB標準設備用于USB設備的配置及控制，因為這樣的USB設備具有標準通道及標準控制。
主機軟件的功能類似于USBD，出現在某些操作系統中替代USBDI來支持設備的配置及驅動的加載。
l 主機控制器驅動用于主機控制器的控制，由主機控制器廠商提供。HCD與USB之間的接口為主機控制器驅動接口（HCDI）。這樣，USB系統就可以不關心主機控制器的具體實現，從而支持了不同的主機控制器。
目前，應用于PC的USB1.1 HCDI有兩種實現：一種是Intel制定的UHCI（Universal Host Controller Interface），另一種是Compaq、Microsoft 等聯合制定的OHCI（Open Host Controller Interface）。但是在嵌入式系統領域里，一般由廠商或開發人員實現HCI，而不屬于前兩個陣營。
2.2 SL811HST主機控制器
SL811HC是Cypress公司推出的專用于嵌入式系統的USB1.1規范主控制器芯片，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
圖2-2 SL811HS USB 主/從控制器功能框圖
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）是系統的核心模塊。
l SIE模塊負責USB總線與主機之間數據的串、并轉換，完成總線的電氣功能。
l BUFFER用于數據緩存。SL811HC只有一根地址線A0。A0=1用于設定偏移量， A0=0用于讀寫數據。讀寫數據應該首先指定偏移量，然后實現讀取時序。該芯片也支持地址自增量讀取，如果連續讀或寫數據端口，則緩存區的偏移量地址會自動加1。這樣的設計支持了數據的快速讀寫。下面的代碼給出了兩種方式下的數據讀取例程：
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總線狀態也保存在寄存器中。
l 中斷控制器和接口邏輯實現與MCU的接口。
2.3 USB HCD的實現
如前所述，USB HCD是USB系統控制主機控制器的工具，它的實現依賴于具體的硬件。因此，除了硬件系統的搭建以外，USB主控制器的實現大部分是HCD的實現。篇幅所限，這里僅給出主要的數據結構和函數調用。
usb_bus結構描述了usb核心層里的USB總線結構，下面列出了usb_bus結構里的主要成員。
struct usb_bus ｛
int busnum; /＊ USB總線號＊/
char ＊bus_name; /＊ USB總線名稱 ＊/
struct usb_devmap devmap; /＊ 設備 ＊/
struct usb_operations ＊op; /＊ 對應于特定HCI的操作 ＊/
struct usb_device ＊root_hub; /＊根hub ＊/
void ＊hcpriv; /＊ Host Controller private data ＊/
……
｝;
op指向一個usb_operations型數據結構，該數據結構用來給USB核心層指定hci操作的函數指針:
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數據結構，可以是UHCI,OHCI,或其他HCI。在這里，它指向SL811HC的hci_t數據結構。下面給出了SL811HC的hci_t數據結構的主要成員。
typedef struct hci ｛
struct virt_root_hub rh; /＊ 主機控制器的虛擬根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數據結構中，有一個指向usb_bus的指針。可見，hci_t數據結構和usb_bus數據結構互相有一個指針指向對方，它們一起完整的描述了USB的總線行為。
3.USB無線網卡的實現及測試
嵌入式主機完成以后，下面的工作就是要將USB無線網卡的驅動程序移植到主機上。本方案采用的無線網卡是ACCTON公司推出的EW3301。該網卡采用帶有ARM核的無線局域網MAC層控制器，標準USB接口。射頻模塊采用Intersil公司的i3861 IEEE802.11b基帶控制器。
將無線網卡驅動程序安裝到uClinux源代碼的./driver/usb目錄下，并且對Config.in文件和Makefile文件做適當修改，將驅動編譯進uClinux內核。
在uClinux下，無線網卡的驅動程序是這樣工作的:
1. 注冊USB設備驅動程序，建立設備驅動索引
2. 網卡插入后，根據索引尋找到相應的驅動程序
3. 下載固件
4. 注冊一個新的無線網卡設備
至此，目標系統里會多了一個無線網卡設備wlan0，使用ifconfig命令設定網卡地址：
/> ifconfig wlan0 192.169.0.100 up
用iwconfig命令配置無線網卡：
/> iwconfig wlan0 channel 6 mode Managed essid SMC
用iwconfig命令查看無線網卡狀態：
/> 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命令測試網絡是否連通：
/> 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
結語
通過USB接口將無線網卡同嵌入式主機連接，可以使嵌入式主機方便的從固定狀態轉為移動狀態，大大增強了系統的靈活性。同時，這樣的嵌入式移動主機也為下一步移動IP（Mobile IP）的研究提供了實驗平臺。USB主機控制器的實現，給嵌入式系統提供了更加方便的外圍設備擴展方式。本系統應用在上海市科委重點科研項目“基于嵌入式系統的移動色譜儀”中，實現了數據異地采集、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內核源代碼情景分析，浙江大學出版社，2001.9
4. Alessandro Rubini, Jonathan Corbet著，魏永明 駱剛 姜君 譯，Linux設備驅動程序（第二版），中國電力出版社，2002.11
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