摘  要： 針對(duì)無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、編寫(xiě)困難的問(wèn)題，提出了一種結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)單易行的無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)模型和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法；重點(diǎn)研究了USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及無(wú)線網(wǎng)卡數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送流程。在嵌入式Linux平臺(tái)下，設(shè)計(jì)了基于USB接口的無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)線網(wǎng)卡芯片Realtek RTL8188的支持。同時(shí)，結(jié)合嵌入式軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，成功組建了無(wú)線局域網(wǎng)，對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞： 無(wú)線網(wǎng)卡；設(shè)備驅(qū)動(dòng)；USB接口；嵌入式Linux

0 引言

　　隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的使用日漸廣泛。與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在高度可移動(dòng)性、布線簡(jiǎn)單、組網(wǎng)便利和成本低廉等方面[1]。而在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，無(wú)線局域網(wǎng)的接入不僅彌補(bǔ)了以往開(kāi)發(fā)靈活性差和布線復(fù)雜等缺陷使開(kāi)發(fā)更加方便，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)線傳輸以滿足特定場(chǎng)合的應(yīng)用。

　　本文結(jié)合項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，提出了一種基于Realtek公司RTL8188無(wú)線網(wǎng)卡芯片的無(wú)線傳輸系統(tǒng)方案，通過(guò)對(duì)USB無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)深入研究和分析，成功開(kāi)發(fā)了其在嵌入式DM3730平臺(tái)下的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入。

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

　　遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，智能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)主要承擔(dān)著圖像采集、數(shù)據(jù)編碼、網(wǎng)絡(luò)傳送等功能。硬件部分主要由核心處理模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、采集模塊、存儲(chǔ)模塊以及電源模塊等組成，系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)如圖1所示。

　　核心處理模塊采用TI公司的TMS320DM3730片上系統(tǒng)，DM3730是針對(duì)高清視頻產(chǎn)品市場(chǎng)推出的ARM+DSP雙核架構(gòu)處理器；采集模塊中，CMOS傳感器采用OmniVision公司的OV2715圖像傳感器，其為專門(mén)為高清視頻監(jiān)控而設(shè)計(jì)的支持1 080 P視頻采集的圖像傳感器。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用Realtek公司生產(chǎn)的一款基于802.11g的無(wú)線網(wǎng)卡，采用RTL8188無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片，采用簡(jiǎn)單靈活、即插即用的USB接口方式接入系統(tǒng)。

2 無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)模型

　　基于USB接口的無(wú)線網(wǎng)卡通過(guò)USB總線接入主機(jī)系統(tǒng)，USB無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)分為USB設(shè)備端驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端驅(qū)動(dòng)兩部分[2]，USB無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.1 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)

　　Linux操作系統(tǒng)中，USB子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序主要由USB核心驅(qū)動(dòng)（USBD）、USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)（HCD）和具體的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)三部分組成[3]。Linux下USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

　　USB核心驅(qū)動(dòng)主要負(fù)責(zé)對(duì)USB設(shè)備的整體控制，包括實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備和主機(jī)控制器之間的通信，其內(nèi)部封裝了一系列API，用以屏蔽來(lái)自不同設(shè)備的差異；USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)直接與硬件進(jìn)行交互，主要負(fù)責(zé)對(duì)主機(jī)控制器硬件設(shè)備初始化，向USB核心提供對(duì)應(yīng)的接口，配置和控制根Hub設(shè)備等功能；USB客戶端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與上層應(yīng)用軟件模塊交互并為其提供相應(yīng)的接口，驅(qū)動(dòng)具體的硬件設(shè)備，將設(shè)備掛載到USB核心中使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。

　　編寫(xiě)USB客戶端設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，內(nèi)核提供了相應(yīng)的接口，只需實(shí)現(xiàn)基本的函數(shù)即可，最常用的結(jié)構(gòu)體是struct usb_driver，創(chuàng)建客戶端程序需初始化其五個(gè)字段：

　?。?）id_table字段：是一個(gè)指向struct usb_device_table結(jié)構(gòu)體的指針，該結(jié)構(gòu)指定了驅(qū)動(dòng)程序能支持的所有USB設(shè)備類型，主要由Vendor id和Product id對(duì)組成。

　?。?）probe字段：探測(cè)指針，USB設(shè)備接入系統(tǒng)上電后，會(huì)主動(dòng)匹配相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，調(diào)用自定義探測(cè)函數(shù)，完成主要的初始化工作。

　?。?）disconnect字段：分離函數(shù)指針，總線設(shè)備被移除或者驅(qū)動(dòng)模塊從系統(tǒng)中卸載時(shí)，將調(diào)用自定義分離函數(shù)，主要完成內(nèi)存釋放和資源回收等工作。

　　（4）owner和name字段：owner指定該模塊擁有者；name指定該驅(qū)動(dòng)程序名稱。

　　usb_driver結(jié)構(gòu)體中的字段均被正確設(shè)置以后，調(diào)用注冊(cè)函數(shù)usb_register（），函數(shù)將USB接口驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)到USB核心。注冊(cè)成功后，USB系統(tǒng)可以對(duì)無(wú)線網(wǎng)卡的接入和移除操作作出相應(yīng)的反應(yīng)。若要網(wǎng)卡成功收發(fā)數(shù)據(jù)，需實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)卡網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

　　2.2 無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)

　　無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)主要負(fù)責(zé)屏蔽底層硬件設(shè)備具體細(xì)節(jié)，向上層協(xié)議棧提供一致的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收接口，驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備完成數(shù)據(jù)包收發(fā)等功能；無(wú)線網(wǎng)卡數(shù)據(jù)包發(fā)送與接收過(guò)程主要用到struct sk_buff結(jié)構(gòu)體[5]，其實(shí)際用于描述套接字緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，被用來(lái)在Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各層之間傳遞數(shù)據(jù)。

　　無(wú)線網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，Linux在內(nèi)核申請(qǐng)數(shù)據(jù)包sk_buff緩沖區(qū)，然后遞交給下層，下層添加相關(guān)協(xié)議頭后直接交給硬件將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。無(wú)線網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)時(shí)，將收到的數(shù)據(jù)包按照sk_buff格式提交給上層，上層剝離協(xié)議頭后，交給上層應(yīng)用程序調(diào)用[6]。

　　無(wú)線網(wǎng)卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)依賴于Linux系統(tǒng)提供的接口，主要為struct ieee80211_hw結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體定義了硬件設(shè)備發(fā)送、接收、初始化接口。實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)主要遵循三個(gè)步驟：首先，通過(guò)模塊加載后分配得到一個(gè)struct ieee80211_hw結(jié)構(gòu)體；其次，對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)體的各個(gè)字段進(jìn)行設(shè)置和填充，完成硬件的相關(guān)配置；最后，利用相應(yīng)的注冊(cè)函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)驅(qū)動(dòng)。

3 無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)工作原理如下：模塊加載時(shí)，系統(tǒng)首先完成對(duì)USB設(shè)備的掃描和初始化[7]，其次初始化網(wǎng)卡硬件和狀態(tài)，輪詢是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送和接收；模塊卸載時(shí)，分別先后注銷網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和USB設(shè)備，完成相關(guān)資源的釋放工作。無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

　　3.1 網(wǎng)卡初始化模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)上電，Linux內(nèi)核啟動(dòng)后會(huì)加載驅(qū)動(dòng)模塊，USB無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)向USB系統(tǒng)注冊(cè)；當(dāng)無(wú)線網(wǎng)卡插入U(xiǎn)SB總線時(shí)，USB core調(diào)用probe（）方法來(lái)檢測(cè)Vendor id和Product id信息[8]，以確定無(wú)線網(wǎng)卡設(shè)備是否與驅(qū)動(dòng)程序匹配；匹配成功則進(jìn)行網(wǎng)卡初始化，網(wǎng)卡初始化模塊設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

　　在該初始化模塊中，系統(tǒng)為網(wǎng)卡分配了無(wú)線設(shè)備硬件設(shè)備struct ieee80211_hw數(shù)據(jù)，用相關(guān)自定義函數(shù)對(duì)該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了填充；同時(shí)填充了描述無(wú)線網(wǎng)卡操作的struct ieee80211_ops rtl8188_ops結(jié)構(gòu)體，該操作函數(shù)主要包括網(wǎng)卡發(fā)送、接收、配置、移除接口等操作。

　　3.2 網(wǎng)卡數(shù)據(jù)接收模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　PCI、ISA等類型無(wú)線網(wǎng)卡具備IO/MEM映射、中斷和DMA等硬件資源，故可以通過(guò)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收[9]；而USB無(wú)線網(wǎng)卡不具備這類資源，只能通過(guò)主機(jī)輪詢是否有數(shù)據(jù)需要讀取或者接收。因此，首先向USB核心申請(qǐng)一個(gè)讀請(qǐng)求URB，用以數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)的存放。網(wǎng)卡數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

　　3.3 網(wǎng)卡數(shù)據(jù)發(fā)送模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　無(wú)線網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)硬件設(shè)備的讀寫(xiě)來(lái)完成。當(dāng)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)被封裝好傳遞到驅(qū)動(dòng)層時(shí)，會(huì)調(diào)用ieee80211_ops中的int（*tx）（struct ieee80211_hw*hw，struct sk_buff*skb）函數(shù)指針指向的自定義發(fā)送函數(shù)進(jìn)行協(xié)議頭相關(guān)處理，完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送任務(wù)，最后更新網(wǎng)絡(luò)接口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

　　3.4 其他關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

　　在定義設(shè)備文件操作struct ieee80211_ops rtl8188_ops結(jié)構(gòu)體中，start指針指向打開(kāi)函數(shù)rtl8188_start（），當(dāng)使用命令ifconfig配置無(wú)線網(wǎng)卡時(shí)，調(diào)用該函數(shù)，主要完成分配資源，初始化接收和發(fā)送隊(duì)列等功能；stop指針指向rtl8188_stop（）函數(shù)，其工作與start函數(shù)相反，當(dāng)網(wǎng)卡由開(kāi)啟變?yōu)殛P(guān)閉時(shí)調(diào)用；add_interface指針指向添加接口函數(shù)，其在設(shè)備可用之前調(diào)用，用來(lái)配置接口，可將接口配置成ad-hoc點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式、主機(jī)模式或者monitor模式等；刪除接口函數(shù)在stop之前調(diào)用，主要功能是清除保存MAC地址，使設(shè)備不能接收數(shù)據(jù)包。編寫(xiě)無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，以上幾個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須要實(shí)現(xiàn)。

4 無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)編譯與測(cè)試

　　4.1 驅(qū)動(dòng)程序編譯

　　首先，在主機(jī)上建立/driver/net/wireless/rtl8188目錄，將相關(guān)源碼和文件放到該目錄中；其次，在宿主機(jī)上配置內(nèi)核相關(guān)選項(xiàng)，通過(guò)make menuconfig添加對(duì)WLAN的支持；最后，編寫(xiě)相應(yīng)的makefile文件，使用make命令在系統(tǒng)中編譯生成rtl8188.ko驅(qū)動(dòng)模塊。在硬件平臺(tái)系統(tǒng)中安裝有關(guān)無(wú)線管理程序，采用iwconfig、iwapy等命令，配置網(wǎng)絡(luò)的KEY、ESSID、接入模式等。

　　4.2 程序測(cè)試及結(jié)果分析

　　結(jié)合特定硬件平臺(tái)和相關(guān)開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建，組建典型的網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D8所示。

　　在調(diào)試窗口中，通過(guò)動(dòng)態(tài)加載命令“insmod rtl8188.ko”將無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)模塊下載到內(nèi)核中，無(wú)線網(wǎng)卡接入系統(tǒng)后，自動(dòng)掃描并初始化網(wǎng)卡，通過(guò)lsmod命令查看加載模塊，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)加載成功后如圖9所示。

　　4.2.1 Ping連通性測(cè)試

　　利用ifconfig命令配置無(wú)線網(wǎng)卡IP地址、無(wú)線熱點(diǎn)ESSID和KEY，設(shè)置無(wú)線網(wǎng)卡接入無(wú)線路由，測(cè)試網(wǎng)卡和路由器之間的連通性。USB無(wú)線網(wǎng)卡和路由器連通測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

　　將主機(jī)IP地址和無(wú)線網(wǎng)卡設(shè)置在同一網(wǎng)段，測(cè)試無(wú)線網(wǎng)卡和主機(jī)之間的互通性。主機(jī)IP地址為192.168.0.88，通過(guò)命令ping之后的結(jié)果如圖11所示。

　　通過(guò)以上結(jié)果可以得出，USB無(wú)線網(wǎng)卡、無(wú)線路由器、主機(jī)之間是互通的，網(wǎng)卡和主機(jī)成功建立了網(wǎng)絡(luò)連接，無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)工作正常，還需對(duì)其速率進(jìn)行測(cè)試。

　　4.2.2 網(wǎng)卡速率測(cè)試

　　編寫(xiě)網(wǎng)卡速率測(cè)試程序，該程序采用C/S模式，客戶端運(yùn)行在開(kāi)發(fā)板上，服務(wù)端運(yùn)行在Linux PC上。測(cè)試程序的主要工作流程如下：客戶端分別發(fā)送大小不同的數(shù)據(jù)包，服務(wù)端接收后計(jì)算出對(duì)應(yīng)的帶寬速率，測(cè)試結(jié)果如下表1所示。

　　經(jīng)過(guò)多組數(shù)據(jù)發(fā)送接收試驗(yàn)，該無(wú)線網(wǎng)卡工作正常，在距離無(wú)線節(jié)點(diǎn)10 m半徑范圍內(nèi)帶寬速率為10.45 Mb/s。

　　由以上結(jié)果得出，USB無(wú)線網(wǎng)卡收發(fā)數(shù)據(jù)功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)且工作穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)讀寫(xiě)相關(guān)寄存器等配置正確，真正實(shí)現(xiàn)了“驅(qū)動(dòng)”硬件的功能，從而直接地驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)方案的合理性，同時(shí)間接地確認(rèn)了模型的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了一種USB無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)模型，并對(duì)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)卡功能驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了深入研究；在嵌入式硬件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了USB無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，最后在搭建的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上完成了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了模型和程序的正確性。文中提出的無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)模型和實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)相關(guān)開(kāi)發(fā)人員有一定的參考和指導(dǎo)價(jià)值。

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