ucos WiFi網卡驅動程序的開發

    嵌入式系統是設計完成複雜功能的硬體和軟體，並使其緊密耦合在一起的計算機系統。目前，嵌入式系統已經存在於各種數據採集、工業控制、娛樂、通信等應用領域。在一些應用場合，需要嵌入式設備具有與其它系統交換信息的能力，因此必須為嵌入式系統增加通信功能。通信功能的實現可以採用很多方式，例如乙太網，ADSL，GPRS以及其它方式。在一個嵌入式終端中使用WiFi網卡，實現無線網路通信的功能是一種較新的通信方式。由於在uCOS實時操作系統中還沒有WiFi的驅動程序，因此下面將介紹WiFi的驅動程序的編寫。

1 WiFi介紹
    WiFi(Wireless Fidelity)，又稱802.1lb標準，IEEE於1997年6月批准了該標準。802.11標準的體系結構組成包括：無線站點STA(Station)，無線接入點AP(Access Point)，獨立基本服務組IBSS(Independent Basic Service Set)，基本服務組BSS(BasicService Set)，分散式系統DS(Distribution System)和擴展服務組ESS(Extended Service Set).
    該標準定義了兩種工作模式：ad hoc模式和infrastructure模式。ad hoc即對點模式，包含兩個無線站點(STA，即帶無線網卡的設備)。而infrastructure即AP模式，無線站點(STA)通過AP與現有的骨幹網相連接，組成一個基本服務組(BSS)。在BSS中，AP不僅提供STA之間通信的橋接功能，還提供STA與有線區域網的連接，可以實現有線Hub幾乎所有的功能。

2 嵌入式終端系統結構
2.1 硬體結構
    嵌入式終端硬體系統(如圖1所示)以Philips公司的LPC2210嵌入式處理器為核心，LPC2210是基於16/32位ARM7TDMI-S，並支持實時模擬和跟蹤的CPU。LPC2210的數據和地址匯流排是開放的，片內有16K位元組的RAM。嵌入式終端需要較大存儲空間運行實時操作操作系統、TCP/IP協議、圖形用戶界面(GUI)、串口驅動程序、WiFi驅動程序、英文及漢字字型檔等，因此在外部擴展了一片容量為256K×16的靜態RAM 1S61LV25616及一片容量為1M×16的Flash 39VF160。為了方便調試程序，使用了LPC2210的串口診斷程序的運行結果。
 
圖1 嵌入式終端的硬體結構
    系統中選擇了使用Prism 2晶元的網卡，型號為COMPAQ NC5004，支持IEEE802.11b，最高速率為11Mb/s.網卡的物理驅動介面為PCMCIA，供電電壓為3.3V.由於LPC2210沒有PCMCIA控制器，因此LPC2210與NC5004的PCMCIA 介面是通過LPC2210的通用埠連接的，匯流排時序通過軟體模擬來完成，即PCMCIA介面的驅動程序。
    PCMCIA匯流排有控制線、數據線、地址線、電源線。其中數據線寬度可選為16位或8位，NC5004的數據線寬度是16位的，即D15～D0。地址線寬度為26位，但在WiFi網卡中只須用10位地址線A9～A0。WiFi網卡的PCMCIA 的控制線有10根，其中RESET為複位，該線為低電平時網卡回到初始狀態。CE1，CE2為卡的地址控制，當CE1，CE2為低時，分別表示偶地址和奇地址的位元組有效。OE，WE分別為Memory空間的讀寫控制線，IORD，IOWR為I/O空間的讀寫控制線，均為低電平有效。REG用於選擇地址訪問空間，包括I/O空間和存儲器空間。IREQ提示處理器處理網卡的內部事件，可以不用。在對網卡進行讀寫操作時，只有當HWAIT變高表示讀或寫的數據進入存儲器，才能進行下一步匯流排操作。
2.2 軟體結構
    嵌入式終端的軟體系統(如圖2所示)包括實時操作系統、PCMCIA驅動程序、WiFi網卡驅動程序、TCP/IP協議、串口驅動程序、圖形界面等。本系統中的實時操作系統vCOS II是一個公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時操作系統。最多可以支持64個任務，分別對應優先順序0～63，其中0為最高優先順序。vCOS需要移植才能用於不同的處理器平台，移植需要改寫的文件：OS_CPU.H，OS_CPU_A.S，OS_CPU_C.C.對於LPC2210嵌入式處理器，廠家的技術支持一般提供了該型號處理器的這三個移植文件，將這三個文件代替原文件即可使用。
 
圖2 嵌入式終端的軟體結構
    但uCOS II缺少對外圍設備和介面的支持，如沒有文件系統、網路協議、圖形界面。在廠家提供的開發資料中有其自行開發的TCP/IP協議和串口驅動程序。但該TCP/IP協議是與乙太網卡驅動程序介面的，因此在該TCP/IP協議中，需要修改與網卡介面的API函數。其餘的PCMCIA驅動程序、WiFi網卡驅動程序需要自己進行編寫。

3 驅動程序的編寫
3.1 PCMCIA驅動程序
    PCMCIA 驅動程序包括五個主要函數，分別是initPCMCIAPorts()，pcmcia_WriteMem()，pcmcia_WriteReg()，pcmcia_ReadMem ()，pcmcia_Read_Reg()。initPCMCIAPorts()函數用於PCMCIA設備的複位，其作用是通過控制RESET複位線為低電平，延遲一段時間以後，再恢復為高電平。
    PCMCIA設備內部空間分為Memory空間和I/O空間，對Memory空間讀寫分別為pcmcia_ReadMem()，pcmcia_WriteMem()，而I/O空間的讀寫為pcmcia_ReadReg()，pcmcia_WriteReg().這幾個函數區別在於控制線WE，OE，IORD，IOWR的操作不一樣。
    PCMCIA驅動程序函數按照PCMCIA時序設置LPC2210相應的通用埠。PCMCIA匯流排的工作時序是這樣，首先在地址線上設置數據地址，並將CE1，CE2設為低電平，然後REG設為低電平將地址鎖存。接下來進行讀或寫操作，讀操作中，Memory空間和I/O空間的讀操作分別將OE，IORD設為低電平，然後等待HWAIT變為高電平。HWAIT變為高電平后，將數據線上的狀態讀入。寫操作中，首先按照待寫數據設置數據線上的狀態，然後Memory空間的寫操作和I/O空間的寫操作分別將WE，IOWE設置為低電平。接下來，HWAIT變為高電平后說明數據已經寫入。在讀寫操作完成以後，依次將OE或者IORD(讀操作)，WE或者IOWR(寫操作)，CE2，CE1，REG恢復為高電平。
3.2 網卡驅動程序
    Prism 2網卡內部操作是封閉的，外部對其操作都是通過存儲器操作完成的，Memory空間的存儲器有COR(Configuration Option Register)寄存器，I/O空間的存儲器有BAP(Baffuer Access Path)寄存器，命令/狀態寄存器，FID管理寄存器，事件寄存器，控制寄存器，主機軟體寄存器，輔助埠寄存器等，這些寄存器的含義及偏移地址見文獻[2].LPC2210管理、配置網卡的數據項都是載入一個特定的RID(Resource IDentifiers)到BAP寄存器，讀取或者寫入一個特定的緩衝區。WiFi網卡驅動程序中的函數功能都是通過訪問這些存儲器完成的，下面將介紹這些API函數的功能。
    wlandrv_ProbeDevice()函數用於檢測網卡是否存在，函數首先訪問COR寄存器，設置網卡進入I/O模式，設置操作屬於Memory空間的讀寫操作。然後，使用pcmcia_WriteReg()函數寫一個值到地址為0x28的寄存器中，再用pcmcia_ReadReg()函數讀取這個寄存器的值，與原來的值相比較，如果值相同，則說明網卡是存在的：
wlandrv_ProbeDevice(void){
pcmcia_WriteMem(WI_COR_OFFSET,WI_COR_VALUE)；//進入I/O模式
pcmcia_WriteReg(WI_HFA384X_SWSUP_PORT0_OFF,WI_PRISM2STA_MAGIC)；
Value=pcmcia_ReadReg(WI_HFA384X_SWSUPPORT0_OFF)；
if(Value==WI_PRISM2STA_MAGIC){
已找到網卡，此處做相應處理
}
}
    wlandrv_Attach()函數用於讀取網卡內部的一些參數，這些操作都是通過向BAP設定相應的RID，讀取相應緩衝區完成的：
wlandrv_Attach (void){
wi_read_rid(WI_RID_MAC_NODE,ic.ic_myaddr,&buflen)；//讀取網卡地址
……類似地讀取NIC ID，可用通道，WEP加密支持，網路速率支持
}
wlandrv_Init()函數用於網路參數的初始化設置：
wlandrv_Init(){
wi_write_val(WI_RID_PORTTYPE,WI_PORTTYPE_BSS)；//配製為站點
wi_write_ssid(WI_RID_DESIRED_SSID,ic_des_essid,7)；//設置SSID
wi_write_txrate()；//設置速率
wi_cmd(WI_CMD_ENABLE | WI_PORT0,0,0,0)；//啟動網卡
}
    wlandrv_PutPacket()是被TCP/IP協議調用的函數，即IP協議將發送的數據打成IP包以後，將包傳遞給該函數。函數的工作首先是計算需要發送的位元組總長度，然後在IP包前添加添加邏輯鏈路控制層的幀頭，幀頭為4個雙字，分別表示訪問點地址、控制類型以及幀頭類型，最後將IEEE802.3的幀頭改成WiFi的幀頭。最後，將打好的包送入網卡的發送緩衝區。發送緩衝區的地址是通過設置FID管理寄存器后獲得的。
wlandrv_PutPacket(struct pkst *TxdData){
//TxdData為指向發送的IP包的指針
struct wi_frame frmhdr；
LLCS_SNAP_HEADER LLCSSNAPHeader ；
ETHERHDR *pMAC8023Header：
計算髮送數據長度len為TxdData指向的數據包添加格式為LLCS_SNAP_HEADER的邏輯鏈路控制層包頭
wi_write_bap(rid,off,TxdData,len)；//發送數據包
)
    wlandrv_Event()函數主要查詢三個事件，即管理消息、接收數據、發送數據。通過查詢消息代碼，可知網卡是否已經找到AP並關聯起來以及何時脫離關聯。響應接收數據事件可以接收數據幀，去掉邏輯鏈路控制層的幀頭，然後將IP包傳遞給IP協議層。對於發送數據事件可以不做響應。這些操作都是先查詢FID寄存器后，獲取事件數據的緩衝區地址，然後訪問該地址的緩衝區獲取相應數據 函數如下：
wlandrv_Event(){
EventStatus=pcmcia_ReadReg (WI_EVENT_STAT)；//讀取事件代碼
if(EventStatus&WI_EV_INFO){
wi_info_intr()；//處理信息時間
}
else if(EventStatus& WI_EV_RX){
wi_rx_intr()：
}
//處理接收事件
else if(EventStatus& WI_EV_TX_EXC){
}
3.3 驅動程序的使用
    驅動程序寫好以後，是通過TCP/IP程序調用這些API函數的，其調用過程如圖3所示。
 

4 結束語
    通過在嵌入式終端中加入WiFi網卡，並編寫基於vCOS II實時操作系統的網卡驅動程序，實現了嵌入式終端與PC機之間的網路通信。在實驗中，PC機通過無線網卡向嵌入式終端發送彩色圖片，嵌入式終端恢複數據后在彩色LCD上顯示該圖片，證明WiFi網卡驅動程序的開發是成功的。

參考文獻：
[1] ISO/EC 8802-II:1999(E).Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications[s]．
[2] PRISM Driver Programmers Manual[EB/OL]．http://www.intersil.com/prisim2.Intersil Americas Inc，2002-06-24．
[3] (美)JEAN J LABROSSE著，邵貝貝譯．uC/OS-II-源碼公開的實時嵌入式操作系統EM]．北京:中國電力出版社，2001.356-360．