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主機控制器,。系統(tǒng)硬件框圖如圖1-1：

圖1-1 系統(tǒng)硬件框圖

　　嵌入式主機采用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主機控制器的驅(qū)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(qū)動程序之前,，先讓我們了解一下USB系統(tǒng)和USB主機控制器,。

　　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?fù)涞闹行摹?/p>

　　USB總線在物理上是一種以主機為根的樹狀分層星型拓?fù)洌琀UB作為分枝結(jié)點,，USB設(shè)備作為葉子結(jié)點,。在邏輯上，USB總線是以主機為中心的星型拓?fù)?，HUB在邏輯上也看做為一個USB邏輯設(shè)備,。在邏輯上，主機直接通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)備與主機連接所必須具有的最基本的標(biāo)準(zhǔn)接口，主機通過標(biāo)準(zhǔn)接口管理和配置所有的USB設(shè)備,。

    圖2-1是從USB主機客戶軟件到USB設(shè)備應(yīng)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(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）,，主機軟件,，和主機控制器驅(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 主機控制器驅(qū)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(qū)動接口（HCDI）。這樣,，USB系統(tǒng)就可以不關(guān)心主機控制器的具體實現(xiàn),，從而支持了不同的主機控制器。

　　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

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(tǒng)的核心模塊。

　　l SIE模塊負(fù)責(zé)USB總線與主機之間數(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）

　?。?/p>

　　WRITE_INDEX （offset）;

　　return （READ_DATA （））;

　?。?/p>

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

　　｛

　　WRITE_INDEX （offset）;

　　while （size——） ｛

　?。猙uf++ = READ_DATA（）;

　?。?/p>

　　｝

　　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?？梢?，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)卡同嵌入式主機連接,，可以使嵌入式主機方便的從固定狀態(tài)轉(zhuǎn)為移動狀態(tài),，大大增強了系統(tǒng)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(xiàn),，給嵌入式系統(tǒng)提供了更加方便的外圍設(shè)備擴展方式,。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。