Linux下Wi―Fi驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、Linux 下 Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要 :針對(duì)目前流行的 Wi-Fi 無(wú)線通信模塊在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用要求,設(shè)計(jì)開發(fā)了 Linux 下基于 ARM9處理器 S3C2440的 Marvell 88W8686 Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)程序。 結(jié)合 S3C2440與 88W8686的硬件連接以及 Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)。給出了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備初始化和數(shù)據(jù)傳遞、轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)現(xiàn) 過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該 Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)程序能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo),并已成功應(yīng)用于系統(tǒng)開發(fā)。 關(guān)鍵詞 :Wi-Fi 無(wú)線通信 Linux ARM驅(qū)動(dòng)程序網(wǎng)絡(luò)設(shè)備0 引言近年來(lái), Wi-Fi 無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展迅速。 相比有線接入技術(shù)

2、, Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)連接更具靈活性; 而與其他無(wú)線技術(shù)相比, Wi-Fi 則具有傳輸數(shù)據(jù)快、距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。目前,很多公共場(chǎng)所都 提供免費(fèi) Wi-Fi 服務(wù), 只要隨身攜帶支持 Wi-Fi 功能的電子產(chǎn)品, 即可方便地接入因特網(wǎng) 1。 由于 ARM 嵌入式技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子設(shè)備的開發(fā), 因此, 在 ARM 設(shè)備上增加 Wi-Fi 無(wú)線通信功能已成為熱門話題。常見的連接 ARM 與 Wi-Fi 模塊的接口有 SPI 、 SDIO 和 USB 等,其中 SPI 具有硬件連接方便、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單及節(jié)省系統(tǒng)資源等優(yōu)點(diǎn) 2。目前,對(duì) Linux 下 SPI 驅(qū)動(dòng)的研究已較為廣泛且深入, 但還沒有

3、針對(duì) Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)的專門研究。 本文分析了 Wi-Fi 模塊通過(guò) SPI 接口與 ARM 連接時(shí) Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出 Linux 下 Marvell 系列 Wi-Fi 模塊驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的一般方法。1 Wi-Fi技術(shù)及模塊介紹1. 1 Wi-Fi技術(shù)及 88W8686芯片介紹Wi-Fi 技術(shù)是 IEEE 定義的無(wú)線局域網(wǎng)通信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.11。該標(biāo)準(zhǔn)包括 IEEE 802.1la 、 802.11b 和 802.1lg ,其中 802.1lb 是使用歷史最長(zhǎng)的 Wi-Fi 技術(shù),其工作在 2.4 GHz 頻段,可提供 11 Mbit/s 的無(wú)線

4、傳輸速率 3。88W8686是 Marvell 推出的一款面向移動(dòng)電話、 PDA 及數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的高整合 Wi-Fi 芯片。其在單一的芯片上集成了可以工作于 2.4 GHz和 5 GHz的雙頻射頻無(wú)線收發(fā)器、 物質(zhì)層、媒介接入控制器和一個(gè) ARM 處理器,實(shí)現(xiàn)了無(wú)線局域網(wǎng)通信、電源管理和加密等功 能, 并支持視頻、 語(yǔ)音和多媒體應(yīng)用。 88W8686向用戶提供了 SDIO 和 SPI 數(shù)據(jù)傳輸接口。 該模 塊將從 SDIO 或 SPI 接口傳過(guò)來(lái)的用戶數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)幀,通過(guò) WLAN 傳送給遠(yuǎn)程的客戶端。本 設(shè)計(jì)采用的是 SPI 接口。1. 2 Wi-Fi與 ARM 硬件連接S3C24

5、40通過(guò) SPI接口與 Marvell 88W8686的 SPI 接口連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā),如圖 1所 示。其中, S3C2440是數(shù)據(jù)的發(fā)送源,所以將其配置為主設(shè)備, 88W8686配置為從設(shè)備。 SPI 采用全雙工通信模式, 主設(shè)備的 MISO 、 MOSI 和 CLK 引腳分別與從設(shè)備的 SDO 、 SDI 和 CLK 引腳相 連接; 88W8686的 SPI-SINTn 是低電平中斷輸出引腳,它與 S3C2440的 EINT ,引腳相連,用于在通信過(guò)程中檢測(cè) Wi-Fi 的狀態(tài); S3C2440的 nSS是片選引腳,低電平有效,用于激活從設(shè) 備。 S3C2440 88W8686圖 1

6、SPI接口連接圖2 Wi-Fi驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)2. 1 Wi-Fi驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)Marvell 88W8686 Wi-Fi 模塊正常工作所需的 Host 驅(qū)動(dòng)包括 WLAN 和 SPI 接口驅(qū)動(dòng)兩部分。 WLAN 驅(qū)動(dòng)在整個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中充當(dāng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的角色, 即接收上層用戶應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)流, 通過(guò) SPI 口轉(zhuǎn)發(fā)到 Wi-Fi 硬件或響應(yīng) Wi-Fi 硬件中斷,并從硬件的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)流,通過(guò)驅(qū)動(dòng)程 序注冊(cè)的接口函數(shù),發(fā)送到上層應(yīng)用程序。 Wi-Fi 設(shè)備在 Linux 下的軟件結(jié)構(gòu)層次如圖 2 所示。 圖 2 Wi-Fi軟件結(jié)構(gòu)層次圖Firmware 是在 Wi-Fi 設(shè)備硬件中執(zhí)行的一段程序,系

7、統(tǒng)上電后由 WLAN 驅(qū)動(dòng)將其下載到 Wi-Fi 模塊中, 實(shí)現(xiàn) Wi-Fi 硬件接口控制、 數(shù)據(jù)緩沖、 802.11與 802.3幀類型轉(zhuǎn)換、 802.1l MAC 層管理、 WLAN MAC 中斷管理以及硬件控制等功能。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí), Host 驅(qū)動(dòng)程序?qū)纳蠈咏邮?到的標(biāo)準(zhǔn) 802.3幀發(fā)送給 Firmware , Firmware 將收到的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成 802.11幀,再通過(guò)無(wú)線 連接將數(shù)據(jù)傳輸出去;接收數(shù)據(jù)時(shí), Firmware 將接收到的所有 802.11幀轉(zhuǎn)換成 802.3幀后, 通過(guò) SPI 口發(fā)送給 Host 驅(qū)動(dòng)。由此可見, Wi-Fi 無(wú)線網(wǎng)卡設(shè)備在 Linux 中是被當(dāng)作

8、普通的以太 網(wǎng)設(shè)備對(duì)待的,在 Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)程序中無(wú)需實(shí)現(xiàn) 802.11幀與 802.3幀之間的類型轉(zhuǎn)換。2. 2 WLAN驅(qū)動(dòng)程序2. 2. 1 WLAN設(shè)備初始化WLAN 模塊初始化函數(shù) wlan_init_module(的主要工作是注冊(cè)回調(diào)函數(shù), 將完成設(shè)備添加 和刪除功能的回凋函數(shù)分別注冊(cè)為 whan_add_card(和 wlan_remove_card(。 wlan add card(實(shí)現(xiàn)了 WLAN 設(shè)備初始化的所有操作,并依次完成以下幾部分工作。通過(guò) sbi_probe_card(檢測(cè)設(shè)備,探測(cè)到無(wú)線網(wǎng)卡;然后,和一般 Linux 下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 驅(qū)動(dòng)程序一樣,調(diào)用 alloc_

9、etherdev(來(lái)分配代表網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的 structnet device 結(jié)構(gòu),并 在該結(jié)構(gòu)中初始化內(nèi)核對(duì)網(wǎng)卡操作的接口函數(shù),主要接口初始化如下:dev 一 >open=wlan_open:dev->hard start_xmit=wlan_hard_start_xmit;dev->stop 2 wlan_close;dev ·>do ioctl=wlan_do_ioctl;dev . >set mac_address=wlan_set_mac_address o調(diào)用 wlan_create_thread(創(chuàng)建主線程 wlan_service_main_

10、thread。 該線程處理 WLAN 驅(qū)動(dòng)的主要工作, 包括處理 Firmware 產(chǎn)生的事件、 接收從 Firmware 發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù), 并發(fā)送 從內(nèi)核傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。通過(guò) wlan create thread(創(chuàng)建 wlan_reassociation_thread線程。該線程負(fù)責(zé)在 連接自動(dòng)斷開時(shí)重新連接 AP 。通過(guò) sbi_register_dev(注冊(cè) WLAN 設(shè)備, 填寫代表網(wǎng)卡設(shè)備的私有結(jié)構(gòu)體中的網(wǎng)卡硬 件設(shè)備相關(guān)信息和 IRQ 請(qǐng)求。調(diào)用 wlan_init_fw(初始化 Firmware 并下載 Firmware 到 Wi-Fi 。調(diào)用 register_netdev(

11、注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,供上層訪問(wèn)。該函數(shù)返回設(shè)備的主設(shè)備號(hào), 之后對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的所有調(diào)用都通過(guò)這個(gè)設(shè)備號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。2. 2. 2 WLAN數(shù)據(jù)包發(fā)送WLAN 驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)是 wlan_hard_start_xmit(。該函數(shù)已經(jīng)在wlan_add_card(中設(shè)置。此外,在 WLAN 驅(qū)動(dòng)程序中還引入了 WMM(Wi-Fi multi . media 機(jī)制 來(lái)規(guī)范數(shù)據(jù)流量?jī)?yōu)先權(quán), 從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)流量的優(yōu)先級(jí)管理。 與一般的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 一樣, sk_buff數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來(lái)存放從上層應(yīng)用程序接收到的數(shù)據(jù)。發(fā)送函數(shù)調(diào)用Man_tx_packet(把接收到的 sk_buff結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)添加到 WMM

12、隊(duì)列,然后喚醒主線程來(lái)處理數(shù)據(jù) 的發(fā)送。主線程首先為數(shù)據(jù)傳輸做了一些準(zhǔn)備工作,包括初始化 WMM 狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)隊(duì)列、檢查 當(dāng)前設(shè)備是否可用以及喚醒網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等, 然后依照當(dāng)前設(shè)備的可用性作不同的處理。 如果當(dāng) 前設(shè)備不可用 (即設(shè)備忙 , 則等待, 直到設(shè)備可用時(shí)再發(fā)送數(shù)據(jù);如果當(dāng)前設(shè)備可用, 則通 過(guò) wmm_process_tx(傳輸 WMM 等待隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)最高的數(shù)據(jù)包。需要注意的是,wmln_process_tx(要先進(jìn)行模式判斷,若處于 WMM PS(power save模式,則不發(fā)送數(shù)據(jù); 若處于 Active 模式,則調(diào)用 wlan_process_tx(檢查數(shù)據(jù)發(fā)送條件。準(zhǔn)備工

13、作就緒后,將數(shù) 據(jù)傳送給 SendSinglePacket(, 以進(jìn)行單個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。 Send . SinglePacket(需要先對(duì) 數(shù)據(jù)包做一些檢查,然后把數(shù)據(jù)包復(fù)制到 TxPD 類型區(qū)域中,最后調(diào)用 sbi_host to card(將數(shù)據(jù)包發(fā)送到 Wi-Fi 模塊硬件,由固化在 Wi-Fi 模塊硬件中的 Firmware 把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 數(shù)據(jù)成功發(fā)送到 Wi-Fi 模塊硬件后將產(chǎn)生中斷。該中斷對(duì)應(yīng)的中斷處理函數(shù)所完成的主 要工作包括清除相應(yīng)狀態(tài)位、釋放 sk_buff結(jié)構(gòu)和通知系統(tǒng)可以再次發(fā)送。如果數(shù)據(jù)發(fā)送不 成功, dev 一 >busy置位, 驅(qū)動(dòng)程序會(huì)不斷嘗試重傳,

14、若重傳超時(shí) (如設(shè)備嚴(yán)重堵塞時(shí) , 驅(qū)動(dòng) 程序會(huì)將該數(shù)據(jù)包丟棄,同時(shí)釋放 sk_buff結(jié)構(gòu)。2. 2. 3 WLAN數(shù)據(jù)包接收WLAN 驅(qū)動(dòng)程序并沒有提供專門的數(shù)據(jù)接收函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在收到數(shù)據(jù)后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中 斷,中斷處理程序通過(guò) sbi_get_int_status(讀取當(dāng)前狀態(tài)寄存器,判斷出數(shù)據(jù)接收狀態(tài), 申請(qǐng)一塊大小合適的 sk_buff緩沖區(qū), 再通過(guò) sbi_card_to_host(把 Wi-Fi 模塊硬件中的網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)包讀取到該 sk_buff緩沖區(qū), 并將該 sk_buff添加到接收數(shù)據(jù)隊(duì)列。 從硬件中成功地把數(shù) 據(jù)讀進(jìn)來(lái)后, wlan_send_rxskbQ(調(diào)用 Proee

15、ssRxedPacket(處理接收到的數(shù)據(jù)包,并將其 轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)議層。2. 3 SPI驅(qū)動(dòng)程序Host 和 Wi-Fi 模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸最終是通過(guò) SPI 實(shí)現(xiàn)的, SPI 屬于字符型設(shè)備,應(yīng)用程 序通過(guò)字符設(shè)備文件來(lái)對(duì) SPI 硬件進(jìn)行操作。 SPI 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)與大多數(shù)字符型設(shè)備驅(qū) 動(dòng)相似,主要包含設(shè)備初始化和注銷、打開關(guān)閉和數(shù)據(jù)讀寫等操作。SPI 設(shè)備初始化通過(guò) gspihost_module_nit(實(shí)現(xiàn)。 該函數(shù)初始化 S3C2440中與 SPI 相關(guān)的 寄存器,調(diào)用 gspihost_init_hw(配置 SPIMISOo 、 SPIMOSl0、 SPICLKo 、 EINT

16、l 和 nSS 。引腳 所對(duì)應(yīng)的寄存器, 并通過(guò) register_chrdev將 SPI 注冊(cè)為字符設(shè)備; 注銷函數(shù)則執(zhí)行相反的操 作。 SPI 設(shè)備的打開和關(guān)閉通過(guò) gspihost_open(和 gspihost_release(實(shí)現(xiàn), 數(shù)據(jù)讀寫通過(guò) gspi_read_data(和 gspi_write_data(實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)讀寫最終將分別調(diào)用gspi_read_data_direct(和 gspi_write_data_direct(, 按照 SPI 接口時(shí)序直接對(duì)寄存器進(jìn) 行讀寫,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。此外,這兩個(gè)函數(shù)還會(huì)在 WLAN 數(shù)據(jù)收發(fā)中斷處理函數(shù)中被調(diào)用。 3 Wi-Fi驅(qū)動(dòng)的加載和測(cè)試嵌入式 Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)有內(nèi)核加載和模塊加載兩種加載方式, 本 Wi-Fi