Linux下Wi—Fi驱动程序的设计与实现

Linux下Wi-Fi驱动程序的设计与实现摘要：针对目前流行的Wi-Fi无线通信模块在嵌入式系统开发中的应用要求，设计开发了Linux下基于ARM9处理器S3C2440的Marvell88W8686Wi-Fi驱动程序。结合S3C2440与88W8686的硬件连接以及Wi-Fi驱动程序体系结构。给出了网络设备初始化和数据传递、转发的实现过程。实验结果表明，该Wi-Fi驱动程序能够实现预期目标，并已成功应用于系统开发。关键词：Wi-Fi无线通信LinuxARM驱动程序网络设备0引言近年来，Wi-Fi无线通信技术发展迅速。相比有线接入技术，Wi-Fi网络连接更具灵活性；而与其他无线技术相比，Wi-Fi则具有传输数据快、距离远等优势。目前，很多公共场所都提供免费Wi-Fi服务，只要随身携带支持Wi-Fi功能的电子产品，即可方便地接入因特网[1]。由于ARM嵌入式技术已广泛应用于各种便携式电子设备的开发，因此，在ARM设备上增加Wi-Fi无线通信功能已成为热门话题。常见的连接ARM与Wi-Fi模块的接口有SPI、SDIO和USB等，其中SPI具有硬件连接方便、软件设计简单及节省系统资源等优点[2]。目前，对Linux下SPI驱动的研究已较为广泛且深入，但还没有针对Wi-Fi驱动的专门研究。本文分析了Wi-Fi模块通过SPI接口与ARM连接时Wi-Fi驱动程序的设计与实现，并在此基础上总结出Linux下Marvell系列Wi-Fi模块驱动程序开发的一般方法。1Wi-Fi技术及模块介绍1．1Wi-Fi技术及88W8686芯片介绍Wi-Fi技术是IEEE定义的无线局域网通信工业标准IEEE802.11。该标准包括IEEE802.1la、802.11b和802.1lg，其中802.1lb是使用历史最长的Wi-Fi技术，其工作在2.4GHz频段，可提供11Mbit／s的无线传输速率[3]。88W8686是Marvell推出的一款面向移动电话、PDA及数字摄像机等移动设备的高整合Wi-Fi芯片。其在单一的芯片上集成了可以工作于2.4GHz和5GHz的双频射频无线收发器、物质层、媒介接入控制器和一个ARM处理器，实现了无线局域网通信、电源管理和加密等功能，并支持视频、语音和多媒体应用。88W8686向用户提供了SDIO和SPI数据传输接口。该模块将从SDIO或SPI接口传过来的用户数据封装成数据帧，通过WLAN传送给远程的客户端。本设计采用的是SPI接口。1．2Wi-Fi与ARM硬件连接S3C2440通过SPI0接口与Marvell88W8686的SPI接口连接，实现数据的收发，如图1所示。其中，S3C2440是数据的发送源，所以将其配置为主设备，88W8686配置为从设备。SPI采用全双工通信模式，主设备的MISO、MOSI和CLK引脚分别与从设备的SDO、SDI和CLK引脚相连接；88W8686的SPI-SINTn是低电平中断输出引脚，它与S3C2440的EINT，引脚相连，用于在通信过程中检测Wi-Fi的状态；S3C2440的nSS0是片选引脚，低电平有效，用于激活从设备。S3C244088W8686图1SPI接口连接图2Wi-Fi驱动程序实现2．1Wi-Fi驱动体系结构Marvell88W8686Wi-Fi模块正常工作所需的Host驱动包括WLAN和SPI接口驱动两部分。WLAN驱动在整个数据收发过程中充当数据中转的角色，即接收上层用户应用程序的数据流，通过SPI口转发到Wi-Fi硬件或响应Wi-Fi硬件中断，并从硬件的缓冲区读取数据流，通过驱动程序注册的接口函数，发送到上层应用程序。Wi-Fi设备在Linux下的软件结构层次如图2所示。SPI_SDOSPI_SDISPISPI_CLKSPI_SINTnSPI_SCSnSPIMISO0SPI0SPIMOSI0SPICLK0EINT1nSS0图2Wi-Fi软件结构层次图Firmware是在Wi-Fi设备硬件中执行的一段程序，系统上电后由WLAN驱动将其下载到Wi-Fi模块中，实现Wi-Fi硬件接口控制、数据缓冲、802.11与802.3帧类型转换、802.1lMAC层管理、WLANMAC中断管理以及硬件控制等功能。发送数据时，Host驱动程序将从上层接收到的标准802.3帧发送给Firmware，Firmware将收到的数据帧转换成802.11帧，再通过无线连接将数据传输出去；接收数据时，Firmware将接收到的所有802.11帧转换成802.3帧后，通过SPI口发送给Host驱动。由此可见，Wi-Fi无线网卡设备在Linux中是被当作普通的以太网设备对待的，在Wi-Fi驱动程序中无需实现802.11帧与802.3帧之间的类型转换。2．2WLAN驱动程序2．2．1WLAN设备初始化WLAN模块初始化函数wlan_init_module()的主要工作是注册回调函数，将完成设备添加和删除功能的回凋函数分别注册为whan_add_card()和wlan_remove_card()。wlan—add—card()实现了WLAN设备初始化的所有操作，并依次完成以下几部分工作。①通过sbi_probe_card()检测设备，探测到无线网卡；然后，和一般Linux下网络设备驱动程序一样，调用alloc_etherdev()来分配代表网络设备的structnet—device结构，并在该结构中初始化内核对网卡操作的接口函数，主要接口初始化如下：应用程序TCPUDPIPWLAN驱动程序SPI接口驱动程序Wi-FiSPIFirmwareWi-Fi硬件设备dev一open=wlan_open：dev-hard—start_xmit=wlan_hard_start_xmit；dev-stop2wlan_close；dev·do—ioctl=wlan_do_ioctl；dev．set—mac_address=wlan_set_mac_addresso②调用wlan_create_thread()创建主线程wlan_service_main_thread。该线程处理WLAN驱动的主要工作，包括处理Firmware产生的事件、接收从Firmware发送过来的数据，并发送从内核传递过来的数据。③通过wlan—create—thread()创建wlan_reassociation_thread线程。该线程负责在连接自动断开时重新连接AP。④通过sbi_register_dev()注册WLAN设备，填写代表网卡设备的私有结构体中的网卡硬件设备相关信息和IRQ请求。⑤调用wlan_init_fw()初始化Firmware并下载Firmware到Wi-Fi。⑥调用register_netdev()注册网络设备，供上层访问。该函数返回设备的主设备号，之后对网络设备的所有调用都通过这个设备号来实现。2．2．2WLAN数据包发送WLAN驱动程序的数据发送函数是wlan_hard_start_xmit()。该函数已经在wlan_add_card()中设置。此外，在WLAN驱动程序中还引入了WMM(Wi-Fimulti．media)机制来规范数据流量优先权，从而实现无线网络流量的优先级管理。与一般的网络设备驱动程序一样，sk_buff数据结构用来存放从上层应用程序接收到的数据。发送函数调用Man_tx_packet()把接收到的sk_buff结构数据添加到WMM队列，然后唤醒主线程来处理数据的发送。主线程首先为数据传输做了一些准备工作，包括初始化WMM状态信息和数据队列、检查当前设备是否可用以及唤醒网络设备等，然后依照当前设备的可用性作不同的处理。如果当前设备不可用(即设备忙)，则等待，直到设备可用时再发送数据；如果当前设备可用，则通过wmm_process_tx()传输WMM等待队列中优先级最高的数据包。需要注意的是，wmln_process_tx()要先进行模式判断，若处于WMMPS(powersave)模式，则不发送数据；若处于Active模式，则调用wlan_process_tx()检查数据发送条件。准备工作就绪后，将数据传送给SendSinglePacket()，以进行单个数据包的发送。Send．SinglePacket()需要先对数据包做一些检查，然后把数据包复制到TxPD类型区域中，最后调用sbi_hosttocard()将数据包发送到Wi-Fi模块硬件，由固化在Wi-Fi模块硬件中的Firmware把数据发送出去。数据成功发送到Wi-Fi模块硬件后将产生中断。该中断对应的中断处理函数所完成的主要工作包括清除相应状态位、释放sk_buff结构和通知系统可以再次发送。如果数据发送不成功，dev一busy置位，驱动程序会不断尝试重传，若重传超时(如设备严重堵塞时)，驱动程序会将该数据包丢弃，同时释放sk_buff结构。2．2．3WLAN数据包接收WLAN驱动程序并没有提供专门的数据接收函数。网络设备在收到数据后会产生一个中断，中断处理程序通过sbi_get_int_status()读取当前状态寄存器，判断出数据接收状态，申请一块大小合适的sk_buff缓冲区，再通过sbi_card_to_host()把Wi-Fi模块硬件中的网络数据包读取到该sk_buff缓冲区，并将该sk_buff添加到接收数据队列。从硬件中成功地把数据读进来后，wlan_send_rxskbQ()调用ProeessRxedPacket()处理接收到的数据包，并将其转发到协议层。2．3SPI驱动程序Host和Wi-Fi模块之间的数据传输最终是通过SPI实现的，SPI属于字符型设备，应用程序通过字符设备文件来对SPI硬件进行操作。SPI设备驱动程序的结构与大多数字符型设备驱动相似，主要包含设备初始化和注销、打开关闭和数据读写等操作。SPI设备初始化通过gspihost_module_nit()实现。该函数初始化S3C2440中与SPI相关的寄存器，调用gspihost_init_hw()配置SPIMISOo、SPIMOSl0、SPICLKo、EINTl和nSS。引脚所对应的寄存器，并通过register_chrdev将SPI注册为字符设备；注销函数则执行相反的操作。SPI设备的打开和关闭通过gspihost_open()和gspihost_release()实现，数据读写通过gspi_read_data()和gspi_write_data()实现。数据读写最终将分别调用gspi_read_data_direct()和gspi_write_data_direct()，按照SPI接口时序直接对寄存器进行读写，实现数据的收发。此外，这两个函数还会在WLAN数据收发中断处理函数中被调用。3Wi-Fi驱动的加载和测试嵌入式Linux设备驱动有内核加载和模块加载两种加载方式，本Wi-Fi设备驱动采用模块加载方式。Wi-Fi驱动程序编译后生成gspi．ko和gspi8xxx．ko两个文件，将配置好的内核编译下载到连接好Wi-Fi模块的$3C2JAO开发板后就可以加载驱动模块，加载过程如下。加载SPI驱动，运行指令为#insmodgspi．ko。加载WEAN驱动，运行指令为#insmodgspi8686．kohelper—name=．／helper—gspi．binfw—name=．／gspi8686．binmfdmode=1成功加载Wi-Fi驱动后，需要对该驱动进行测试，具体操作步骤如下：①查看是否检测到设备，运行iwconfig指令，结果显示可以检测到；②配置设备接口，运行#ifconfigethlup指令，运行结果显示设置成功；③扫描可用AP，运行#iwlistethlscan指令，扫描到可用网络；④连接到其中一个AP，运行#iwconfigethltxpow—erautoessidMyPlacechannel4指令；⑤获取IP地址，运行#udhepe-Iethl指令，获取IP为192.168.10.216；⑥运行#ping192.168.10.