USB无线网络适配器在嵌入式系统中的应用

引言 WLAN技术和嵌入式技术是目前比较热门的两个研究方向，而将二者相结合，即具有无线接入功能的嵌入式系统更具有诱人的发展前景。本文介绍了将IEEE802.11b无线网络适配器与嵌入式主机通过USB总线进行连接的系统设计与实现。系统采用了先进的ARM处理器，除具有10M/100M以太网接口外，还提供USB主接口方便连接具有USB接口的IEEE 802.11b无线网络适配器。
   1.系统的总体实现
   　　1.1系统的构成
   　　系统 CPU采用Samsung公司推出的带有ARM7TDMI内核的S3C4510B作为CPU，RAM采用8M 32位SDRAM，ROM采用4M 16 位FLASH。带有一个JTAG接口用于系统调试，一个RS-232串行端口用于终端调试，一个以太网控制器，一个USB主机控制器。系统硬件框图如图1-1：
   
   图1-1 系统硬件框图
   　　嵌入式主机采用uClinux操作系统。uClinux是缩微版的Linux，和Linux内核保持同步开发。不同之处在于uClinux不带有内存管理单元（MMU），不能实现虚拟内存管理，比较适合嵌入式系统的需求。
   　　由于CPU是ARM指令系统，所以要在PC上用交叉编译器重新编译uClinux内核，产生基于ARM的uClinux内核二进制代码。
   　　在编译之前要进行uClinux内核的配置工作，包括RAM、ROM的大小，地址空间的分配，外围设备的支持。除此以外，最关键的工作就是实现USB主机控制器的驱动程序，这也是研究工作的重点。
   2. USB 主机控制器
   　　在介绍USB主机控制器驱动程序之前，先让我们了解一下USB系统和USB主机控制器。
   　　2.1 USB系统和USB主控制器的基本概念
   　　在USB系统中，各种USB设备要与主机相连，就必须通过一个共同的接口接入主机。这个接口就是USB主机控制器（USB Host Controller）。HC是软件、硬件以及固件的综合，是USB拓扑的中心。
   　　USB总线在物理上是一种以主机为根的树状分层星型拓扑，HUB作为分枝结点，USB设备作为叶子结点。在逻辑上，USB总线是以主机为中心的星型拓扑，HUB在逻辑上也看做为一个USB逻辑设备。在逻辑上，主机直接通USB逻辑设备通信，就好像没有中间的HUB一样。USB逻辑设备是指各种各样的USB设备与主机连接所必须具有的最基本的标准接口，主机通过标准接口管理和配置所有的USB设备。
       图2-1是从USB主机客户软件到USB设备应用的通信流模型。
   
   图2-1 USB通信流模型
   　　l 客户软件是为特定的USB设备服务的程序。USB只是一种总线协议，它的最终目的是为主机与外部设备之间提供方便快速的连接。客户软件可以理解为外部设备的驱动程序及应用程序，而不属于USB系统的一部分。它是USB系统的客户，它与USB所连接的外部设备之间进行逻辑通信。
   　　l USB系统软件是在特定操作系统上支持的USB驱动程序，它独立于具体的USB设备，也独立于客户软件。
   　　USB系统软件包括USB驱动（USBD），主机软件，和主机控制器驱动（HCD）。USBD提供USB驱动接口（USBDI）与客户软件通信。客户软件通过I/O请求包（IRP）与USBD进行数据传输。同时，USBD还为客户提供了一个抽象的USB标准设备用于USB设备的配置及控制，因为这样的USB设备具有标准通道及标准控制。
   　　主机软件的功能类似于USBD，出现在某些操作系统中替代USBDI来支持设备的配置及驱动的加载。
   　　l 主机控制器驱动用于主机控制器的控制，由主机控制器厂商提供。HCD与USB之间的接口为主机控制器驱动接口（HCDI）。这样，USB系统就可以不关心主机控制器的具体实现，从而支持了不同的主机控制器。
   　　目前，应用于PC的USB1.1 HCDI有两种实现：一种是Intel制定的UHCI（Universal Host Controller Interface），另一种是Compaq、Microsoft 等联合制定的OHCI（Open Host Controller Interface）。但是在嵌入式系统领域里，一般由厂商或开发人员实现HCI，而不属于前两个阵营。
   　　2.2 SL811HST主机控制器
   　　SL811HC是Cypress公司推出的专用于嵌入式系统的USB1.1规范主控制器芯片，可以工作在USB主控制器模式或者USB从控制器模式。
   　　同基于PC的主控制器芯片不同，SL811HC直接实现了与MCU的时序粘连逻辑，而前者大多提供PCI接口。图2-2是SL811HC的功能框图
   
   图2-2 SL811HS USB 主/从控制器功能框图
   　　l 主/控制器模块、RAM缓存及控制寄存器模块、串行接口引擎（SIE）是系统的核心模块。
   　　l SIE模块负责USB总线与主机之间数据的串、并转换，完成总线的电气功能。
   　　l BUFFER用于数据缓存。SL811HC只有一根地址线A0。A0=1用于设定偏移量， A0=0用于读写数据。读写数据应该首先指定偏移量，然后实现读取时序。该芯片也支持地址自增量读取，如果连续读或写数据端口，则缓存区的偏移量地址会自动加1。这样的设计支持了数据的快速读写。下面的代码给出了两种方式下的数据读取例程：
   　　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 控制模块和控制寄存器用来控制芯片正确工作，USB总线状态也保存在寄存器中。
   　　l 中断控制器和接口逻辑实现与MCU的接口。
   　　2.3 USB HCD的实现
   　　如前所述，USB HCD是USB系统控制主机控制器的工具，它的实现依赖于具体的硬件。因此，除了硬件系统的搭建以外，USB主控制器的实现大部分是HCD的实现。篇幅所限，这里仅给出主要的数据结构和函数调用。
   　　usb_bus结构描述了usb核心层里的USB总线结构，下面列出了usb_bus结构里的主要成员。
   　　struct usb_bus ｛
   　　int busnum; /＊ USB总线号＊/
   　　char ＊bus_name; /＊ USB总线名称 ＊/
   　　struct usb_devmap devmap; /＊ 设备 ＊/
   　　struct usb_operations ＊op; /＊ 对应于特定HCI的操作 ＊/
   　　struct usb_device ＊root_hub; /＊根hub ＊/
   　　void ＊hcpriv; /＊ Host Controller private data ＊/
   　　……
   　　｝;
   　　op指向一个usb_operations型数据结构，该数据结构用来给USB核心层指定hci操作的函数指针:
   　　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是一个无类型指针，指向一个HCI数据结构，可以是UHCI,OHCI,或其他HCI。在这里，它指向SL811HC的hci_t数据结构。下面给出了SL811HC的hci_t数据结构的主要成员。
   　　typedef struct hci ｛
   　　struct virt_root_hub rh; /＊ 主机控制器的虚拟根hub的私有成员 ＊/
   　　struct list_head ctrl_list; /＊ 控制端点的列表 ＊/
   　　struct list_head bulk_list; /＊ 批量传输端点的列表＊/
   　　struct list_head iso_list; /＊ 同步传输端点的列表＊/
   　　struct list_head intr_list; /＊ 中断传输端点的列表＊/
   　　td_array_t ＊td_array; /＊ 事务描述符队列 ＊/
   　　td_array_t a_td_array;
   　　td_array_t i_td_array[2];
   　　struct usb_bus ＊bus; /＊ 指向usb_bus的指针 ＊/
   　　……
   　　｝ hci_t;
   　　在hci_t数据结构中，有一个指向usb_bus的指针。可见，hci_t数据结构和usb_bus数据结构互相有一个指针指向对方，它们一起完整的描述了USB的总线行为。
   3.USB无线网卡的实现及测试
   　　嵌入式主机完成以后，下面的工作就是要将USB无线网卡的驱动程序移植到主机上。本方案采用的无线网卡是ACCTON公司推出的EW3301。该网卡采用带有ARM核的无线局域网MAC层控制器，标准USB接口。射频模块采用Intersil公司的i3861 IEEE802.11b基带控制器。
   　　将无线网卡驱动程序安装到uClinux源代码的./driver/usb目录下，并且对Config.in文件和Makefile文件做适当修改，将驱动编译进uClinux内核。
   　　在uClinux下，无线网卡的驱动程序是这样工作的:
   　　1. 注册USB设备驱动程序，建立设备驱动索引
   　　2. 网卡插入后，根据索引寻找到相应的驱动程序
   　　3. 下载固件
   　　4. 注册一个新的无线网卡设备
   　　至此，目标系统里会多了一个无线网卡设备wlan0，使用ifconfig命令设定网卡地址：
   　　/> ifconfig wlan0 192.169.0.100 up
   　　用iwconfig命令配置无线网卡：
   　　/> iwconfig wlan0 channel 6 mode Managed essid SMC
   　　用iwconfig命令查看无线网卡状态：
   　　/> 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命令测试网络是否连通：
   　　/> 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
   结语
       通过USB接口将无线网卡同嵌入式主机连接，可以使嵌入式主机方便的从固定状态转为移动状态，大大增强了系统的灵活性。同时，这样的嵌入式移动主机也为下一步移动IP（Mobile IP）的研究提供了实验平台。USB主机控制器的实现，给嵌入式系统提供了更加方便的外围设备扩展方式。本系统应用在上海市科委重点科研项目“基于嵌入式系统的移动色谱仪”中，实现了数据异地采集、集中处理，为有限的实验室资源提供了无限的工作空间。