嵌入式Linux 的USBChirp无线网卡驱动设计-文章-软件开发-linux

嵌入式Linux 的USBChirp无线网卡驱动设计

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简介：分析了Linux下无线网卡的驱动模型，为含有微处理器、射频发射模块和USB接口的无线网络节点编写网卡驱动。与嵌入式Linux系统配合，成功组建了嵌入式AODV自组织无线网络。

引言

为提高网络应用的可移植性，通用网络软件体制将无线节点中的程序分为两部分：一部分为与底层硬件相关的接收和发送程序，针对不同的无线节点，编写相对应的底层收发函数；另一部分则为与硬件无关的应用程序，如直接针对网络接口来编写上层应用程序，就可以通过公用接口在TCP/IP协议的应用层中实现。当底层无线节点的硬件电路发生变化时，只需重新编写节点的发送和接收函数即可实现原有功能，而无线节点的上层应用程序均可复用。要将TCP/IP协议栈上的应用程序和无线节点关联起来，则必须为无线节点编写相应的驱动程序。因此，为带有USB接口的无线网络节点编写一个通用的网卡驱动程序，将无线节点在Linux嵌入式系统中映射为无线网卡就显得十分必要。

1 系统设计方案

本系统从功能结构上可分为：硬件层、设备驱动层、Linux操作系统、应用层4部分。硬件层中无线节点由STM32F103处理器、Chirp通信模块组成，并通过USB接口与嵌入式硬件平台相连。无线网卡驱动的主要功能为：屏蔽设备硬件细节，为网络协议栈提供统一的数据接口，根据802.11协议对数据进行相关处理，并驱动硬件设备完成数据接收、发送等功能[2]。无线网络节点系统设计方案如图1所示[3]。

图1 无线网络节点系统结构图

2 开发环境

开发环境分为软件和硬件两部分。软件平台选择免费开源且网络资源丰富的Linux操作系统。

硬件平台选择基于S3C6410处理器的mini6410开发板，无线节点则由STM32F103处理器、Chirp通信模块构成。无线节点结构如图1硬件层部分。

如图1所示，STM32F103处理器通过SPI接口与Chirp通信模块进行数据交互。发送过程中：嵌入式模块将数据通过USB接口发送给STM32F103处理器，STM32F103处理器对数据进行相关处理后，再通过SPI接口发送给Chirp通信模块，最后通过天线发送出去。接收过程与发送过程类似：天线收到数据后，Chirp通信模块对数据进行分析校验、处理等，然后由SPI接口传给微处理器，最后通过USB接口提交给嵌入式模块。

无线节点软件部分主要包括：微处理器和射频模块两者的初始化、发送和接收函数、差错重传、接收确认等。图2为无线节点软件流程图。

图2 无线节点软件流程图

3 USB无线网卡驱动

3.1 USB设备

USB设备在逻辑上分为设备、配置、接口和端点4个层次。接口是由一个或多个端点组成，代表USB设备的一个基本功能。端点是USB设备之间通信的基本方式，每个端点具有唯一的地址。在硬件上，主机和设备之间通过端点进行通信[3]。而在驱动软件中，USB请求块（USB request block，urb）是USB设备驱动中用来描述USB主机与USB设备通信所用的核心数据结构，也是用来传递数据的基本单位。在USB驱动程序中，主要利用usb_alloc_urb()、usb_fill_bulk_urb()、usb_submit_urb()等函数来完成urb结构体的初始化，填充和提交。

3.2 网卡驱动

网卡是无线局域网的重要组成部分,主要完成数据包的发送和接收。网卡将上层网络协议栈传递下来的数据进行封装处理、调制并发送出去，同时将收到的数据包解调后，向上传递给协议栈[4]。

网卡驱动程序主要实现的功能是：为上层协议栈提供统一的、透明的数据包发送和接收接口[4]。编写Linux网卡驱动主要分为三个步骤：首先，分配得到一个net_device结构体；其次，对这个结构体进行设置和填充；最后，向Linux内核注册驱动程序。

带USB接口的无线网卡通过USB总线与主机相连，从嵌入式系统来看，USB无线网卡包括USB设备和网卡设备这两部分，因此USB无线网卡驱动首先要实现USB驱动，然后再实现网卡驱动[1,5]。USB接口的无线网卡软件结构层次如图1所示。无线节点通过USB接口接入嵌入式系统，其设备驱动程序在上层为网络协议栈提供接口函数，同时在下层通过USB接口与无线节点进行数据交互。

3.3 无线网卡驱动的实现

根据USB无线网卡收发数据的流程和Linux设备驱动的编写方法，USB无线网卡驱动的工作流程如图3所示[3]。

图3 无线网卡驱动流程图

USB无线网卡驱动首先应注册USB设备，在Linux系统中通过构建usb_driver数据结构来描述USB设备驱动。

static struct usb_driver stm32_802_driver = {

.name= "stm32_802",

.id_table= products,

.probe= stm32_802_probe,

.disconnect= stm32_802_disconnect

};

id_table主要包括驱动所支持的USB设备的列表，列表中包含vendor_id（厂商号）和product_id（产品号）。因此，在驱动程序中需要将STM32F103处理器中USB模块的vendor_id(0x0483)和product_id(0x5740),添加到id_table列表中。当无线节点硬件发生改变时，只需要将相应的USB设备的厂商号和产品号添加到设备列表中，就能得到驱动程序的支持。当USB设备插入主机后，若USB设备的属性和id_table中的信息匹配正确，则进一步调用probe函数。当USB设备被拔出主机或断开时，则调用disconnect()函数。

探测过程：该过程由stm32_802_probe函数来实现，包括创建网络设备，构建网络设备与USB设备的关联，初始化接收和发送函数队列，设置网卡MAC地址，注册网络设备。探测函数实现举例如下：

dev=ieee80211_alloc_hw(sizeof(*priv32), &stm32_802_ops); &stm32_802_ops);//分配网络设备

SET_IEEE80211_DEV(dev, &intf->dev);

priv32->udev = xdev;

skb_queue_head_init(&priv32->rxq);//初始化接收队列

skb_queue_head_init(&priv32->txq);//初始化发送队列

usb_set_intfdata(intf, dev);

SET_IEEE80211_PERM_ADDR(dev, mac_addr);

err = ieee80211_register_hw(dev);//注册网络设备

网卡驱动里的操作函数主要包括：发送、接收、增加接口、移除接口等。probe函数中分配并注册网络设备，同时也给出了这些操作函数的接口：

static const struct ieee80211_ops stm32_802_ops = {

.tx= stm32_802_tx,//发送函数

.start= stm32_802_start,//开始函数

.stop= stm32_802_stop,//停止函数

.add_interface= stm32_802_add_interface，

.remove_interface= stm32_802_remove_interface，

.config= stm32_802_config，//配置函数

};

发送过程：当主机上应用程序发送数据时，先经过网络协议栈，然后到达网卡驱动。协议接口层的dev_queue_xmit()函数会调用驱动中的发送函数stm32_802_tx()，发送函数首先将相关数据从网络数据包中提取出来，同时填充协议头部的有效数据；其次，将数据转换为USB格式的数据，并放入缓冲区中，通过USB无线接口传送到无线节点里的微处理器，并利用ieee80211_tx_status_irqsafe(hw, skb)函数将发送状态信息回传给网络上层。最后，由射频模块发射出去。发送函数主要代码如下：

static int stm32_802_txcstruct ieee8021_hw*dev,struct sk_buff*skb

{

……

urb = usb_alloc_urb(0, GFP_ATOMIC);//申请urb

usb_fill_bulk_urb(urb, priv32->udev, priv32->out,

buf, skb->len, stm32_tx_cb, skb);//填充urb，其中stm32_tx_cb是回调函数

rc = usb_submit_urb(urb, GFP_ATOMIC);//提交urb

}

stm32_tx_cb(){

skb = (struct sk_buff *)urb->context

ieee80211_tx_status_irqsafe(hw, skb);//发送接口函数

}

接收过程：由于USB总线没有IO/MEM映射、中断资源，在接收数据时USB无线网卡是通过查询机制来完成的[6]。在接收函数里，USB主机会循环地向USB设备查询是否有数据到来。如果USB设备收到数据，则对urb数据包的状态和长度进行检验，若检验通过，则将收到的数据放入接收队列，同时将urb格式的数据包转换为网络数据包，最后通过ieee80211_rx_irqsafe(dev, skb)接口函数向上层协议栈传输[7]。

打开函数：当使用ifconfig命令配置无线网卡时，stm32_802_start()函数被调用，该函数主要完成分配资源，激活设备的发送队列和接收队列等工作[8]。

停止函数：该函数用于关闭接收队列和发送队列，释放系统资源。当网卡从up状态转换为down状态时被调用。

4 编译与测试

4.1 编译驱动

要使该网卡设备在嵌入式平台下工作，必须先将驱动程序加载到嵌入式目标机系统中。本系统中，宿主机使用的是Linux2.6.36内核版本与armlinuxgcc 4.3.2编译器。目标机使用的Linux2.6.36内核版本、mini6410开发板、ARM11处理器。修改宿主机的makefile文件，编译生成stm32.ko无线网卡驱动模块，将stm32.ko下载到目标机，并加载到Linux内核中，网卡就可以正常运行。

4.2 测试

4.2.1 组网方式

在测试中，通过3个节点来组建一个两跳的无线网络。如图4所示，分别为每个节点配置IP地址:节点A为202.193.52.231；B为202.193.52.232；C为202.193.52.233。在测试实验中，通过iptalbes等工具过滤掉来自特定节点的数据包，以避免节点A和节点C之间不能直接通信的问题，[11]因此，节点A发出的数据包将通过节点B转发到达节点C。