[硕士论文精品]基于pxa270处理器802[1].11b_wlan网卡驱动的设计与实现

东南大学硕十学位论文摘要伴随着电子技术、无线通讯以及计算机网络研究的深入与麻用的拓展，基丁嵌入式系统的无线局域网络功能的应_J臼益J泛。从网络浏览、网络短信、口电话刘实时视频通讯，使得无线局域网络应用逐渐成为嵌入式系统研究与应用的关注重点。作为无线局域网络协议EE80211系列成员之的8021LB。以其远行T24GHZISM公共频段以及高达LLMBPS的数据传输速率现正成为无线局域网络癍H冲的热点。INTEL公司最近推出的面向嵌入式系统的专用处理器PXA270，内置的同步串行口SSP，提供了高达13MHZ时钟频率的数据传输能力，满足了80211B无线网络对数据传输速率的需求，为在嵌入式系统外围连接8021LB无线网络功能模块提供了高速的数据传输接口，有助于嵌入式系统集成8021LB无线网络功能的实现。本课题的土要内容就是研究如何住以PXA270处理器为核心的嵌入式系统平台上集成802。LIB无线局域网络功能模块，以达剑在嵌入式系统平台上开展无线局域网络应用的目的。本文首先描述了无线网络发展现状以及无线网络协议标准，着重讲述了80211B协议标准以及相关应的设备组件随后介绍了本课题研究使用的硬件模块，包括PXA270处理器为核心的开发板、8021LBBGW200系统封装芯片以及240HZ贴片天线并在此基础上捉山了通过SSP串口连接PXA270处理器和8021IB无线网卡模块含BGW200以及天线，构建基于PXA270开发板，集成80211B无线网络功能的硬什实现方案；接着介绍了系统的软什平台，即嵌入式WINDOWSCE50操作系统以及该系统下的网络通信体系絮构和JNDIS网络驱动接口规范；然J亓在上述软、硬F，|平台基础上自土设计、实现了NDIS驱动体系卜的微端口网砖软什驱动。并设计、实现了使_IJDMA方式进行数据的传输，完成了在嵌入式系统平台上集成8021LB无线网络功能的实现。此后，本课题针对系统性能进行了优化，F通过实验给出了测试数据。最终本课题给出的80211B无线网络功能解决方案实现了在嵌入式系统上开展网络浏览、文件传输等功能应用的目的。关键词嵌入式系统、PXA270、GRMDOWSCE、802IIB无线局域网络、SSP串口、微端口驱动东南人学硕上学位论文ABSTRACTWJTHTHEDEVELOPMENTOFTHESCIENCEANDTECBOLOGY,THEEMBEDDEDSYSTEMHASCAMEINTOOURLIFETIMEANDTHEFUNCTIONOFTHE80211BWIRELESSLANHASBECOMEONEOFTHEMOSTIMPORTANTAPPLICATIONOFTHEEMBEDDEDSYSTEMTHEPXA270PROCESSORWHICHINTELCORPORATIONBRINGSOUTFOREMBEDDEDSYSTEMHASSSPSERIALPORTWHICHGIVESTHEINTERFACETO802，11BWLANN1CNETWORKINTERFACECARDFORCONNECTINGWITHTHEPXA270INHERE,THEREWILLBEAHELPFORTHEIMPLEMENTATIONOFTHEFUNCTIONOFME8021LBWLANBASEDONINTELSSPSERIALPORTHOWTOREALIZETHEFUNCTIONOFTHE8021LBWLANBASEDORINTELSSPSERIALPORTWHICHINCLUDESKGLLSPEEDANDRELIABILITYOFDATATRANSFERINTHEPXA270EMBEDDEDSYSTEMPLATFORMISTHEMAINGOALOFTHISPAPERINTELXSCALEPXA270DEVELOPMENTBOARDWITHTHE8021LBWLANNICBGW200，AREUSEDASTHEHARDWAREPLATFORM，ANDTHEWMDOWSCE50EMBEDDEDOPERATINGSYSTEMISUSEDASTHESOFLWAREPLATFORMTHEPRINCIPLEOFWLANANDTHE8021LSERIESWLTHTHEEMPHASISONTHEPROTOCOLOFTHE8021LBAREFIRSTINTRODUCEDINTHISPAPER,NEXTTHEPLATFORMWHICHTHETASKBASESONISDESCRIBE正ANDTHTHEIMPLEMENTATIONOFTHE删WAREPLATFORMWHICHCONSISTSOFTLLEPXA270DEVELOPMENTBOARDANDTHE8021IBWLANNICMODULEISGIVEN。ANDTHEINTRODUCTIONOFTHEWINDOWSCE50OPERATINGSYSTEMWIMTHECOMMUNICATIONSFRVICESNETWORKINGANDTHENDISDRIVERMODELAREFOLLOWEDFKMLLY,THEPERFORMANCEOPTIMIZATIONTOTHEDRIVEROFTHEMINIPORTISPERFORMEDANDTHETESTDATAISGIVENBYEXPERIMENTSTHEDIFFICULTYOFTHETASKLIESONTHES01AREDESIGNANDPERFORMANCEOPTIMIZATIONOFTHEMINIPORTDRIVERFORTHENICMODULEAFTERSEVERALTESTS，THEFINALIMPLEMENTATIONHASMETTHEDESIGNEDREQUIREMENTTHEREALIZATIONOFTHEAPPLICATIONBASEDONTHE80211BWLANANDTHECAPABILITYOFHIGHSPEEDANDRELIABILITYOFTHEDATAUANSFERWIHLOWPOWERCONSUMPTIONKEYWORDSEMBEDDEDSYSTEM、PXA270、WINDOWSCE、8021LBWLAN、SSPSERIALPORT、MINIPORTDRIVER东南大学硕十论文东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交的学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查询和借阅，可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包括刊登授权东南大学研究生院办理。第一章绪论第一章绪论11论文研究背景伴随着科技的进步，嵌入式系统在信息设备、1业控制、移动应埘、消费类电子等市场上的应用日益广泛。嵌入式系统是以面向特定应其4为目标，以计算机技术为基础，并且软、硬件可裁剪，适用丁应_HJ系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统ILJ。如常见的掌上电脑、智能手机、手持式医疗仪器等，都属丁嵌入式系统的范畴。嵌入式系统包括硬件和软什两部分。硬件部分包括嵌入式处理器，以及存储器、显示屏、人机交互等外围设备。软件部分包括嵌入式操作系统、J户稃序等。计算机网络技术的E速发展和迅速普及，催生出基于嵌入式系统的网络廊川的发展。计算机网络就是计算机之间通过迎接介质且联起来，按照网络协议进行数据通信，实现资源共享的一种组织形式。根据网络覆盖的地域不同，网络通常可以分为局域网、城域网、广域网州局域网LOCALAREANETWORK，LAN将小区域内的各种通信设备互联在一起的通信网络。局域网技术提供了计算机间的最高连接速度，但牺牲了连接长距离的能力。它的特点是高数据速率，通常在102000MBPS；短距离，通常在1000米以内；低误码率；J域网WIDEAREANETWORK，WAN也称远稃网，它能提供长距离的通信，覆薷范围大，可以横跨人陆或大洋把计算机且蛾起来。通常J域网运行的速率比局域网的低，而且在连接之间有更大的时延；城域网METROPOLITANAREANETWORK，MAN介于上述两者之间的网络，基本上是一种犬犁的LAN，通常使用与LAN相似的技术，它可能覆盖一个城市，可以是专刚的也可以是公州的。局域网通常是指校嗣和企业网，广域网是多个局域网的异地互联，同城中的局域网且联通常称作城域网。不过在此要说明的一点就是这里的网络划分，F没有严格意义上地理范围的区分，只能是一个定性的概念。在局域网络技术中，计算机通常都具有盲接连接剑网络的设备网络接口卡NETWORKINTERFACECARD，SIC。也称网或网络适配器。网络本身不需要包含太多智能，依赖附加纠网路上的计算机中的电子设备如网F来产生和接收复杂的电信号。通常局域网是组成其他两种类型网络的基础，冈此成为了网络研究与应用关注的重点。网络分类方法的不同，使得网络根据传输介质的不同，又可以分为有线网采用同轴屯缆和烈绞线米连接的计算机网络。同轴电缆网是常见的一种近网方式。它比较经济，安装较为便利，传输率和抗干扰能力一般传输距离较短。坝绞线网是目前最常见的连网方式。它价格便宜，宜装方便，但易受干扰，传输率较低，传输距离比同轴电缆要短。光纤网光纤网也是有线网的一种，但由于其特殊性而单独列出，光纤网采用光导纤维作传输介质。光纤传输距离长，传输率高，可达数千兆BPS，抗干扰性强，不会受到电子监听设备的监听，是高安全性网络的理想选择。不过由于其价格较高，且需要高水平的安装技术，所以现在尚朱酱及。无线网采空气作传输介质，用电磁波作为载体来传输数据。由丁无线网络联网方式灵活方便、移动性强、成本日筛降低，困而成为了选作局域网络传输介质的热FJ之一，成为了义一个研究平应用的热点PJ。基于上述研究的深入以及科技的进步，无线局域网络WTRELESSLAN冈其方便灵活、经济仃约管特点成为了近年米技术研究和麻_LJ拓展的热点。其中，基于8021IB通信协议的无线局域网络L东南大学硕士学位论文应_HJ义冈其高速的数据传输正成为技术、市场关注的热点其技术日益成熟，价格也日趋下降，现已在计算机、嵌入式信息终端、手持设备等方面获得推广和应用。本课题正是在这样的背景下提出在嵌入式系统平台上连接具有无线局域网络接入能力的设备一一8021IB无线网E模块，来获得无线局域网络应用的支撑平台，以返剑基于嵌入式系统无线网络应用开展的目的。目前基于嵌入式系统的无线局域网络应用，通常都是在已有的嵌入式系统平台上通过CF卡等接口插槽外置连接无线网卡，不但一用了本来就稀少的扩展插槽接13，而且增人了嵌入式系统设备的体积，破坏了系统整体的外观表现。因此本课题在设计之初，就考虑采婀SSP同步串口来连接嵌入式处理器和8021LB无线网络模块，在达成课题目标的同时，减少对系统资源的占用，并保持嵌入式系统原有的外观表现。12论文主要内容本课题的主要内容就是研究如何在嵌入式系统中集成8021LB无线网络接入功能模块，以达到嵌入式系统通过无线网模块与局域网的有效近接和可靠的数据传输。从而实现基于嵌入式设备的无线府刚，如正浏览、网络短信等的开展同时具有较蚶的稳定性、较低的功耗、较高的传输速率。本课题中嵌入式系统平台选用的是INTEL公司于2003年底推出的一款专门面向嵌入式系统市场的专_J处理器XSCALEPXA270。它内置的同步串行口SYNCHRONOUSSERIALPROTOCOL，SSP控制器提供了最高13MBPS的数据传输速率，达到了基于无线网络应用的需求。同时它内簧的DMA控制器，能提供多达32通道的DMA数据访问能力，有效地保让了网络数据传输地畅通和I可靠。无线模块主要包括无线网卡部分和大线部分，它们是嵌入式系统和网络近接地中介。本课题选用的是基于8021LB协议的无线网，最高支持11MBPS的数据传输速率，满足了基于无线网络高速数据传输的需要。本课题撮终目标就是在基于INTELXSCALEPXA270的开发扳上，通过内置SSP串口连接8021LB无线网模块构建基于WLAN无线网络麻HJ的平台。系统采硝的软稍平台是嵌入式WMDOWSCE50操作系统。课题的具体研究上作如F1、预研准备收集、分析课题涉及的SSP串口、无线网络模块相关领域论文和技术文档，了解基于8021IB无线网络应用方面的技术发展现状，调研各种嵌入式系统上无线网络应州的实现方案，确定本课题的技术路线和实现方案。2、硬件开发平台搭建选定所使用的无线网模块包括网和大线，通过SSP串口构建与现有PXA270开发板的硬什连接，完成硬什开发平台的搭建。3、软件设计与实现完成嵌入式操作系统WMDOWSCE50R相关驱动群序的设计与实现工作，主要包拓SSP串口驱动和无线网驱动稃序设计、实现SSP串口驱动，实现SSP串口相大功能。并向上层提供一套接口功能函数，以便上层基于SSP串口通信协议数据传输的开展I设计、实现无线网卡驱动，实现通过无线网G和局域网络传输数据，升向上层开放接口，以便上层调_I的需要，满足无线应_J可靠、高速的要求。4、性能优化和测试数据将本课题中带有无线网络功能的嵌入式系统设备投入鹿H并对系统性能进行优化，虽后给出测试数据。2第一章绪论13论文组织结构本文的重点在丁SSP串口驱动、无线网膏驱动的设计与实现。根据课题所涉及的主要研究上作，本论文的内容主要包括以下几个章节第一章绪论第一二章无线局域网相关概念介纠，着重介绍了8021LB无线网络以及无线网络设备纽成；第二章介绍了本课题的硬什平台包括PXA270处理器、SSP串口、DMA控制器以及无线网卡模块，并实现了硬件平台的措建；第四章介绍了软什平台相关的嵌入式WMDOWSCE5，0操作系统、基于该系统的网络通信体系架构和NDIS网络驱动接口规范，以及软件开发环境；第百章本文的重点，主要是SSP串口驱动、微端口无线网卡驱动的设计与实现，包括DMA数据传输以及电源管理等；第八章；对本课题述及的无线局域网络功能解决方案进行系统性能优化并通过实验测试给出测试数据。3东南大学硕十学位论文第二章无线局域网相关介绍本章介绍无线局域网的基本概念，重点介纠802II系列无线局域协议标准其中作为本课题关注焦点的8021IB无线局域网通信标准将是重中之重。21无线局域网211概念无线局域网WIRELESSLOCALAREANETWORKWLAN是采用无线传输媒介，即以空气为媒介，以电磁波作为载体来传输数据的计算机局域网。其特点是成本低廉、灵活性高、移动性强、吞吐量高、通信可靠因为只有扩频抗干扰能力【4】。212协议标准目前无线局域网络协议标准有80211系列、BLUETOOTH蓝牙、HOMERF家庭无线电网络、IRDAINFRAREDDATAASSOCIATION，红外线数据标准协会、WP,DUNW1RELESSPERSONALAREANETWORKS，无线个人局域网以及HIPERLANII曲PERFORMANCERADIOLAN，高效能无线电局域网眈如下表2I所示，是目前各种无线局域网络协议标准比较表21无线局域网协议标准比较传输速度协议标准单位传输有效范围传输介质备注半径，单位T米IBPS红外线传输点对点传输，不能成为OO5视线传输，设备网络刑态，但不容易被IRDA416传输到75KS时，传之间不能有阻碍干扰输半径可增加到5米物，并且有传输夹角1200限制10增大功率剑24GHZISM频段，可以BLUETOOTH12100MW时，可以达剑无线电波与7个以F设备组成超50100米小利网络提供6个声音频道；适HOMERF11050100无线电波合家庭使用，但是技术落后已经停JR研发能与BLUETOOTH进行相WPAN110110无线LB波互作业欧洲标准，技术复杂，HIPERLAN654NANOTAVAILABLE无线电波不利推广，支持厂商少支持该标准的厂商多，80211系列254100300无线电波设冬容易获得总的来讲，IEEE802II系列标准比较适丁办公室中的企业无线网络，HOMERF较适_EIJ于家庭4第二章无线胃域同相关介绍中移动数据，语音设备之间的通信，而蓝牙技术和IRDA则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合目前8021L系列是最为流行的无线局域网络协议标准。22802II系列22I802II系列的发展802IL协议标准16J17J哪也称作“WFI”是IEEE美国电子电气工程师协会于1997年推出的，它工作于240HZ的ISM工业、科学、医疗频段，共享数据速率最高可达2MBPS。从罔络层次结构来看，该标准包括物理层和MAC媒体访问控制子层两个层次的内容，而不涉及MAC层以上的层次由于8021L的数据速率不能满足日益发展的业务需要，IEEE在1999年相继推出了80211B、8021LA两个标准；并且在2001年年底又通过8021IG试用混合方案，该方案是对8021LB的一种高速物理层扩展，可在24GHZ频带上实现54MBPS的数据速率，并与8021LB标准兼容，并且较好地解决了WLAN与蓝牙技术的干扰问题如表22所示，是8021L系列中部分协议标准的比较袭2280211系列协议标准比较哪使用频段最大传输协议标准访问方法备注GHZ速率MBPS021L242FHSS或DSSS无8021LB24LLDSSS目前流行的标准80211A554OMM不兼容8021IB，成本较高8021LG2454DSSS或0FDM兼容80211及8021LB对8021LA的频谱管理技术，使其符S021LH24黼N纨合关于5GHZ无线局域网的欧洲标准提供了语音和多媒体等应用需要的服务质量和增强的网络性能，增加80211E24NAEDCA或HCCA了服务质量的条款和一套提高性能的标准。加密协议主要是基于AES高级加8021LI24N|扎N，A密标准而制订的此外，为了促进8021IA在欧洲的推广，与ETSI欧洲电信标准化协会的HIPERLAN2竞争，IEEE又提出了8021LH标准，在8021LA基础上增加自动频率选择OFS和发送功率控制TPC功能，以适应8021LA在欧洲发展的需要，符合欧洲有关管制规定的要求。在上述基础上，为了满足8021L系列在安全性、QOS、移动性等方面的进一步要求，IEEE相继提出了8021JE、8021IF8021LI等标准。8021LE增强了80211MAC层，为WLAN应用提供了QOS支持能力。8021LE对MAC层的增强与8021LA、8021LB中对物理层的改进结合起来，就增强了整个系统的性能，扩大了8021L系统的应用范围，使得WLAN也能够传送语音，视频等应用8021LF标准定义了一套称之为IAPPINTERACCESSPOINTPROTOC01的协议，以实现不同供应商接入点AP之间的互操作性。谈到8021LI标准，就不能不提到802IX标准。8021X标准完成于2001年，它是所有IEEE802东南大学硕士学位论文系列LAN包括无线LAN觯体安全体系架构，包括认证EAP和RADIM和密钥管理功能。802ILL是对80211MAC层在安全性方面的增强，它与8021X一起，为WLAN提供认证和安全机制。除了上面已说明的标准之外，80211系列标准中，还有一个8021LD标准，8021LD标准定义了一些物理层方面的要求诸如信道化、跳频模式等以适应80211设备在一些国家应用时无线电管制上的特殊要求。22280211B标准1999年9月，IEEE批准了IEEE8021IB协议规范，这个规范也称为WIFI。8021IB工作丁24GHZISM频带，能够支持55MBPS希ILLMBPS两种传输速率，同时向F兼容80211协议规定的IMBPS、2MBPS两个速率。有效传输距离100米室内300米室外唧。局域网的协议标准结构土要包括物理层PHYSICSLAYER,PHY、数据链路层DATALINKLAYER,DDL、网络层。因为局域网不存在路由问题，所以一般不单独设网络层；而且局域网的介质访问控制比较复杂，所以数据链路层分成逻辑链路控TJLOGICLINKCONTROL,LLC子层羊媒体T方问控铝JMEDIAACCESSCONTROL,MAC子层。8021IB协议定义了用丁在共享的无线局域网进行通信的物理层和媒体访问控制子层，如图21所示。8021LB离屡逻辑链踌羲测LLC子瑶媒体访阎控制MAC子层物理层PHYL数据链雅缓|DLLJ图2IS80211B协议所涉及的网络模型层示意图物理层定义了网络设备之间实际连接的电气犄性。物理层向上直接与传输介质相连接，相邻升且服务丁数据链路层。它在数据链路实体之间提供了必要的物理连接，按顺序传输数据位，并进行著错检查。在发现错误时，向数据链路层报告。对于无线局域网，该层包括使川频率、调制技术、频率扩展技术等。在物理层，8021LB采用24GHZ的无线频率，最大的仿速率达11ROPS，使HJ直接序列扩频DSSS传输技术。数据链路层涉及剑各设备之间的网络是如何复埘的。数据链路层定义了一些准则谁能在网络上讲话，他们能讲多久以及当信息结束时，他们是如何知道的。通_LFJ标准将该层分为两个子层介质访问控制层，该层设置的准则只有在网络上每个设备传送信息时才涉及剑；逻辑链路控制层，该层提供各设备之间初始逻辑链路的迎接。数据链路层的基本功能是在网络层之间提供透明的数据传输。该层基丁物理层的服务，通过数据链路协议，把由付组成的帧从一个设备送到相邻设备，为网络层提供透明的、正确有效的传输路线。该层为网络层提供的服务主要有以FJL种数据链路的建立羽I拆除、帧传输、差错控制、流晕控制和数据链路管理等。在数据链路层的MAC子层，8021LB使用“载波侦听多路访问，冲突避免CARRIERSENSEMULTIPLEACCESSCOLLISIONAVOIDANCE，CSMACA”媒体访问控制MAC协议。需要传输帧的无线1作站首先侦听无线媒体，以确定当前是否有另一个工作站上E在传输属丁CSMACA的载波侦听的范畴。如果媒体正在使用中，该无线一I一作站将计算一个随机的补偿五正时。只有在随机补偿五正时过期后，该无线L竹站才会再次侦听是否有其他止在执行传输的I作站。通过引入补偿延时，等待传输的多个工作站最终不会尝试在同一时刻进行传输属于CSMACA的冲突6。L第二章无线局域网相关介绍避免范畴。冲突可能会发生，并且和以太网不同，传输节点可能没有检测到它们。因此，8021LB使用带确认ACKNOWLEDGMENT，ACK信号的请求发送REQUESTTOSEND，RTS清除发送CLEARTOSEND，CT”协议，确保成功地传输和接收帧，8021LB的运行方式，其实就是在发送方把数字数据DIGITALDATA转换为无线电波信号RADIOSIGNALS；而当接收方收剑无线电信号后，义将其还原为数字信号。上述过程是由8021LB无线局域网譬WLANCARD来进行所有的转换操作。23无线局域网设备组成如图22，无线局域网络应用示意圈所示，无线局域网络通常有3种主要的组件无线网专、接入点，和大线”II。I、无线网卡网络接口卡NIC，也叫网络适配器NETWORKADAPTER，简称网卡，是在电脑的内部总线和网络的传输介质中充当大门的作瑚。通过它，我们可以向网络上发送平|I接收数据包。一般网卡的名称随着它所在网络的类型不同而不同，象处于以太网中的网昔叫做以太网卡，处于令牌网中的网卡叫做令牌网卡。本课题讲述的是关于无线局域网的应用。无线局域网卡WLANCARD，简称无线网卡，与传统的以太网卡的区别在丁二前者的数据传送是藉由无线屯波而后者则是透过一般的网络线。它是无线网络中晶基本的硬制设备，计算机间通过它刹H无线电波接收和发送电子信号。该设备作用于OSI模犁的物理层和数据链路层。目前无线网络按照总线接口不同，可分为PCI、PCMCIA、USB筲儿种。当然还有一些无线网卡使HJ的是其他的一些数据传输接口。图22无线局域网络应用示意图2、接入点接入点ACCESSPOINT，AP也称为网络桥接器，即是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之桥梁，因此任何一台装有无线网昔的设备均可透过AP之分享有线局域网络甚至广域网络的资源。除此之外，AP本身比一般桥接器具备更多的功能，如提供动态口地打卜分配功能、入侵检测、动态包筛选、MAC地卅筛选等等。3、天线ANTENNA天线作为无线通信不可缺少的一部分，其基本功能是辐射发射和接收无线电波。发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电滋波转换为高频电流。7东南人学硕十学位论文天线品种繁多，常用的分类方式主要有按埘途可分为基地台天线BASESTATIONANTENNA和移动台天线MOBILEPORTABLEANTENNA按T作频段可划分为超长波、长波、中波、短波、超短波和微波；按其方向可划分为全向和定向大线。无线网络所覆盖的范同有限，为了让信号传送更远，就要借助天线这种发射和接收无线电波的设备米增加信号传送功率。上述的无线网鼻和接入点AP都要借助大线来达到可靠的数据传输效果。定向天线和全向天线中，前者较适合丁长距离使用，而后者则较适合区域性应川。增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。增盗大小的选抒取决丁系统设计对电波覆盖区域的要求；简单地说。在同等条件卜，增嵛越高，电波传播的距离越远，一般基地台大线采用高增益天线，移动台天线采用低增盗天线“】121。24网络拓扑结构网络的拓扑结构是指网络中通信线路和站点计算机或设备的儿何排列形式。按网络的拓扑结构分类星本I网络各站点通过点剑点的链路与中心站相连。特点是很容易在网络中增加新的站点，数据的安全性和优先级容易控制，易实现网络监控，但中心节点的故障会引起整个网络瘫痪环形网络各站点通过通信介质近成一个封闭的环形。环形网容易安装和监控，但容苗有限，网络建成后，难以增加新的站点；总线犁网络网络中所有的站点共享一条数据通道。总线刑网络安装简单方便，需要铺设的L乜缆最短，成本低，某个站点的故障一般不会影响整个网络。但介质的故障会导致网络瘫痪，总线网安全性低，监控比较凼难，增加新站点也不如尼型网容易。树刑网、簇星犁网、网状网等其他类刑拓扑结构的网络都是以上述三种拓扑结构为基础的。本课题的无线局域网络实际上是无线网卡模块与无线接入点AP通过无线电波相近接的星型网络拓扑结构。另外，通过无线接入点，带有无线网忙的设备之间可以构成且近的网络拓扑结构ADHOC网络。8第三章硬件平台构建第三章硬件平台构建本章节的土要任务就是利用PXA270处理器内置的SSP串EL近接8021LB无线网络模块包括网昔、天线部分，从而完成在嵌入式系统设备上集成8021LB无线网络接入功能的硬件平台搭建工作。此外，针对本课题的应用，专门对PXA270处理器，SSP串12以及DMA控制器进行了介绍。31硬件平台总体架构如图31所示，是辂个系统的硬F，I模块图。本课题的硬件平台是一个以IMELXQCALEPXA270处理器为核心，集成了众多外围电路模块的开发板。图31系统硬件平台模块图本课题的硬件开发板平台实际上就是在已有的嵌入式系统上再集成无限网卡模块。嵌入式系统的核心是IMELXSCALCPXA270处理器。在外嗣，相府的配有其他一些功能模块存储模块2MBNORFLASH、32MBNANDFLASH和64MB的SDI认M、LCD显示屏、触摸屏、CODEC集成音频编解码和触摸控制功能以及SSP串口、USBCLIENT、UARTS、RS232、IRDA、COMPACTFLASH等扩展接口。利HJCPU内置的JTAG调试功能，可以使用BDI或其它JTAG上具进行最初的镜像R载和功能调试。系统电游模块采_LJ外电供电与电池供屯两种方式。当系统接入外电时，可以给电池充电，同时外电供给系统电源管理模块POWERMANAGER；无外电时，电池HJ丁供给系统电源管理模块。PXA270通过POWERL2C接EL控制电源管理模块，将5V供电转换成多种电琢输出，供CPU及其它外围模块使_LJ。8021LB无线网E模块是由PINUPS公司的BGW200系统封装以及南玻电子公司的24GHZ全向大线SLDA922R450GSL构成。BGW200系统封装通过预留的大线接口和全向大线近接，再通过SSP同步9东南大学顾十学位论文串口和PXA270进行通讯。32INTELXSCALEPXA270处理器2004年4月12日，英特尔公司发布了基丁英特尔XSCALETM技术的PXA270处理器。PXA270是一款应用丁高性能、低功耗的手持移动设备中的嵌入式系统SOCSYSTEM一0咀ACHIP微处理器，特别适合于智能手机、掌上电脑、信息家电、网络设备、无线通信和R业控制等嵌入式系统的应用开发“01141。PXA270返HJ了在线电压频率调节和复杂的电源管理使得INTELXSCALE技术能够提供业界领先的MIPSMW性能。PXA270XSCALE核是采用ARMV5TE架构的处理器，兼容ARMV5TE架构指令集除浮点指令外，遵从ARM通用编稃模犁规范。此外，PXA270还支持INTELWIRELESSMMX整数指令，从而使音频视频处理速度得到很人提高115|。PXA270的存储控制器支持多种类型的存储器，包子苫SDRAM，FLASH，EPROM等；利用存储控制接13还可以挂接其它伴侣芯片。另外PXA270还支持四块64KBYTE的片内SRAM，用于存放代码或者各种多媒体数据；在睡眠或进入低功耗模式时，SRAM中的数据仍然能够保留。内置的LCD控制器提供了高达800X600像素的显示分辨率，它允许1BIT、2BIT、4BIT黑向像素和GBIT、16BIT的彩色像素，另外内部调色板RAM装有256单元25BIT的调色板。作为新的一款嵌入式CPU，PXA270在以下方面有着显茹的特色【LQ更高的主频INTEL公司的PXA255系列嵌入式处理器的主频有200MHZ、300MHZ和400MHZ三种。新的PXA270CPU土频从312MHZ剑624MHZ，频率提升高达50，这一参数的提升将直接带来罄体处理速度的提高。WIRELESSMMX技术该技术继承了桌面处理器MMX、SSE技术的多媒体性能，同时义结合了INTELXSCALE微架构的低功耗特性，使得PXA27X系列处理器在多媒体性能与低功耗之间有了一个较好的平衡。WIRELESSMMX技术将大晕稃序开发者比较熟悉的64仿并行多媒体处理架构带入钊手持设备领域中，使得手持移动设备的多媒体性能，如视频、幽像处理、音频处理、语音识别、数据乐缩以及2D、3D图像处理，都有了很人提高。WIRELESSSPEEDSTEP技术INTEL的该技术使得PXA270能够根据CPU的需求动态调移处理器的土频和核心电压，使得无线手持设备的功耗大大降低，从而提高了待机与通话时间。INTEL无线SPEEDSTEP技术使得XSCALE架构|古|有的低功耗特性更加出色，另外还可以使州电源管理PM软戢满足终端用户对功耗与性能的需求。QUICKCAPTURE技术QUICKCAPTURE技术可以支持高达2048X2048分辩率的400万像素的照片拍摄和处理器，同时也支持这个分辩率F的高速实时【亓L放。更高的数据传输速率在PXA270中，INTEL采用了基于MOBILESCALABLELINKMSL接口的新技术。MSL是一种基带接口，允诈最多14路传输同时进行，每路均能在1BIT、2BIT或4BIT位宽上支持高达416MBPS的数据速率。这一速度对于未_|的3G甚至4G应用都能轻松满足。丰富的外部接口这款CPU支持USB，SDIO，MMC卡，SD卡，MS膏，USIM和CF卡等外接设备接口，这就提供了更人的选择外接存储设备的自由空间，也使得该CPU的使埘范鬲更R。在PXA270芯片内部，XSCALE核、USBHOST控制器、LCD控制器、片内SRAM、存储控制器乘IQILICKCAPTURE接口直接拌接剑系统总线SYSTEM8US上；其它外设如SSP、UART、12C、AC97等慢速设备则通过DMA控制器转接桥迎接剑系统总线上。PXA270整个芯片的框架图如图32所示。总体来说，相比较前期的嵌入式处理器，PXA270在移动多媒体和数据传输等方面的提升是巨人的。10第三章硬件平台构建LCD图32PXA270芯片功能模块图33SSP同步串口PXA270带有多种外闱串行口，包括UART、高速红外通信口FIR，12C串口、AC97接口、12S音频接口、USBCLIENTHOSTREV11接口和同步串行口协议SYNCHRONOUSSERIALPROTOCOL，SSP接口等，331SSP同步串口控制器PXA270处理器提供了3个同步串行口协议接口控制器SSPSERIALPORTCONTROLLER,SSPC，可与各种使州串行方式的外部AD转接器、声音及远稃通信编解码器CODEC和其他器卅相连接。SSP串口的土要特色有拥有一个传送FIFO和一个接收FIFO，每个都具有32位16单元的采样深度；支持位速率从63KBPS剑13MBPS；支持主MASTERMODE，从模式SLAVEMODE操作支持网络模式仅PSP和11的SSP。如图33所示是SSP串口控制器与80211B无线网卡模块含大线典犁的连接示意图。PXA270内置的SSPC采_LLJ土模式与8021IB无线网卡进行连接。由图可知，SSP串口土要由4针通信口组成SSPSCLK一一串行位时钟控制信号，主模式时由内部产生，从模式时由外部提供；SSPSFRM一一串行帧信号，主模式时由内部产生，从模式时由外部提供；11东南人学硕上学位论文ISSPRXDI_。”。_一I。JMASLCRMODE图33LSSPC与80211B无线网卡模块连接图SSPTXD一一发送数据信号；SSPLU接收数据信号。SSPC支持4种通信协议1可编稃串口协议PROGRANNNABLESERIALPROTOC01PSP；2N撕ONAL公司的MICROWIRE协议；311公司的同步串行协议SYNCHRONOUSSERIALPROTOC014MOTOROLA公司的串行外围接口协议SERIALPERIPHERALINTERFACC,SPL。上述协议中，L、3、4支持全双I通信方式，而2仅支持17双T通信方式。CPU和外部设备之间可以通过SSPC的FIFO缓冲器进行串行数据交换，支持可编稗FOPROGRAMMABLEVO或DMA传输方式。332通信协议方式本课题中SSP串口通信采_J的是MOTOROLA的SPI协议通信方式。根据位时钟信号SSPSCLK边沿选择SPO和相位选择SPH的不同可选值0或1，SPI通信方式又分为4个子模式。当SSP串口在禁川DISABLED或空闲IDLE状态时，仿时钟信号SSPSCLK和发送信号SSPTXD都是低电平，帧信号SSPSFRM是高电平，而接收信号SSPRXD处丁未定义状态，如图34所示。SSPSCLKSSPSF刚SSPTXDSSPRXD图34SSP串口单字传输时序图SPLI0LSP0O当数据准备传送时，帧信号SSPSFRM在SSPSCLK第一个上升沿剑米之前一个时钟周期变成低电平，并且在该帧的剩余时间里保持低电平状态。在帧信号SSPSFRM跳变后半个时钟周期，发送信号SSPTXD上出现串行数据的起始位。在该起始仿半个周期时，位时钟信号SSPSCLK跳变成高电平。此后继续后续数据俯的传输。位时钟信号SSPSCLK的I卜降沿开始数据传输。每帧可以传输432位数据。当帧信号SSPSFRM跳变时，外设驱动的接收信号SSPRXD同时有效，起始位是最高有效何MSB。外设在付时钟SSPSCLK下降沿时进行数据传送；位时钟SSPSCLK上升沿时，SSPC进彳一数据采样。在帧结束时，帧信号SSPSFRM在晟后一位数据传送结束升移入FIFO后一个时钟周期在位】2蚕第三章硬件平台构建时钟SSPSCLK最后一个下降沿后半个时钟周期又跳变成高电平。在传送完每帧的晟后一个数据位后，外设可以驱动接收信号SSPRXD成高阻状态。当SSPC进入空闲状态时，发送信号SSPTXD仍然保持传送的最后一位数据信号值，除非SSP串口被禁用DISABLED或被重启RESET此时该信号SSPLXD将镀强迫置为低电平。注意，当帧信号SSPSFRM无效时，输入的位时钟不需置为活动状态。上述情况是对单帧数据传输的描述。对于多帧数据的连续传输，在帧开始和结束时的情况和单帧传输很相似，只不过在字传输之问帧信号SSPSFRM不需要跳变，如剀35所示。在数据发送器和接收器中配置字长WORDLENGTH，并在传输过程中追踪帧的起始和结束。传输过程中将没有无效数据位，每帧的最后有效位LSB之后就是下一帧的展先有效位MSB。SSPSCLKSSPSFRMSSPTXSSPR圈35SSP串口多字传输时序图SPHO毛SPOO位时钟SSPSCLK和帧信号SSPSFRM之间的相位关系由SSP串口控制寄存器SSCRLSPH衍和SSCRISPO位设置。SPH利SPO的设置决定了帧信号跳变成有效期间，奇时钟何时成为活动状态，以及发送平接收数据信号在何时钟的哪个边沿上升沿或下降沿进行。当SPH置位为1时，位时钟SSPSC“在每帧开始时的帧信号跳变成低电平厉仍要保持半个时钟周期的空闲状态。在帧结束时，伊时钟信号SSPSCLK在L帧信号SSPSFRM跳变成高电平之前还要保持一个时钟周期的不活跃状态，如幽36所示。SSPSCLK陋里NNNNI35粥似南甜一厂芯一厂一SSPSFRM1L翁II厂一SSPTXD压画巫圈旺匝变正巫巫亟亘墨正二二二SSPRXDMSB；4TO32BITSI啪I圈36SSP串口佶输时序图SPH1SS犸CUSPI协议土从方式接口；带DMA控制器的高速SPI从方式接口；支持SPI、SDL、SD4模式的SDIO接口；支持UART；13个GPIOG即ERA】PLLLPOSEVO口。BGW200系统封装还提供了业界最低的待机能耗，此待机能耗不足2毫瓦，进而达到了延长电池使用寿命的目的。这种低能耗的SW封装是业内唯一的主机零负载的装置，它拥有独一无二的在主机处理器断电时待机并处理进入信号的功能。主机处理器只在有效数据包到达的时候才会被激活，因此更能霄省电池能量。该芯片方案可以应川丁二像智能手机、个人数字助理以及其他便携设备筲嵌入式系统中。，34224GHZ定向天线本课题选川的天线是南玻电子公司的贴片天线SLDA922R450GS1，它是能应_ILJ于蓝才或者802UBGWLAN的24G频段定向大线。它的峰值增益大丁25DBI，平均增益人于10DBI，而尺寸却只有9X2XLNLM“。这种由低温共烧陶瓷LTCC技术片式无源集成器什开发的贴片天线广泛用于监牙设备和无线网。囚其体积小，占_LIJPCB面积很小，而收发距离又足够远，是贝备监才WLAN手持嵌入式设备的必备器什。35网卡模块与嵌入式系统的集成如图39所示，是网模块含BGW200和天线与处理器PXA270迎接的硬什模块示意图。从中可以看出，无论是PXA270处理器，还是士存通过DMA传输方式与外接的无线网E模块之间的数据传输，都是通过SSP串口通信得以实现的。在功能模块连接1璺|的基础上，本课题无线网导与PXA270开发扳的具体便什电路辽接如图310所示。BGW200无线网卡芯片U2通过SSP同步串口与PXA270处理器U1的SSPI串口连接，再迎接品振Y4币I2个天线一一主天线134、辅助犬线U5。从图310可见，除了SSP串口通讯的4针连接以外BGW200的中断信号引脚要迎接刘PXA270处理器的GPIO口上，以便给处理器中断通知信号。另外，BGW200的CLK32K引脚需要外接32KHZ品振，以JLJ丁二睡民时的低频时钟供给。15东南大学硕十学位论文，一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一、H一H一_D蔫地ICO卜R1系R址统主存一T卜、外闱设备总线、雾鬻霹零802，11B数总K兰；阡笼线圈誊广_1据总毋线线座V一一；摸凌L、一_盏叠警鍪粗誊溢篷INELPXA270，U1图39无线网卡模块与PXA270的模块连接示意图PTA270BOW200图310,无线网卡模块与PXA270的电路连接系统电源模块给BGW200的供电电压有两种3V电压和18V核电压。如图311所示，是外电或屯池来的电流经过DCDC降乐处理得剑所需电压3V币I18V。由图示可知，供电VBAT经过AICL550以及一系列电压调制来获得所需的屯压等级。而PWR_EN则近接剑处理器PXA270的GPIO口上，用于控制电源供给的开关使能。至此，本课题完成了硬件电路平台的搭建，为下一步的软什设计打好了基础。16第三章硬件平台构建36DMA控制器图31LZ经DCDC降压处理的电源部分电路连接由于网络设备使用时存在人数据量、高吞吐率的要求，所以在本课题设计中采用了窃取总线控制权的直接存储器访问DIRECTMEMORYACCESS，DMA传输模式米实现数据通信，以求加快对数据的传输、减少时延，同时能减轻CPU的负荷。0MROMDT酬图312TDHA控制器模块图PXA270处理器内置的DMA控制器DMACONTROLLER，DMAC捉供了32个DMA通道CHANNEL，可以响麻内部或外部设备的请求，完成数据从主存储器内存的读出利写入。如图312所示。上述32个DMA通道分为4个优先级组合，如表31所示，分为最高优先级0级，1、2、3级17东南大学硕十学位论文优先级逐级降低。如果所有DMA通道均被麻用。则它们投入运行的顺序是SET0、SETL、SET0、SET2、SET0、SETL、SET0、SET3。实际上只是以运行的时间片体现优先级的顺序。表31；D卧通道优先级表SETCHANDE溶PDORIWNUMBEROFTIMESSERVED00123161718，19H姆HEST4，84，5，67。202T，22，23HLCJHERTHAN2AND3，LOWERTHAN02，828。9T10，112425，2627HKJHERTHAN3LOWERTHANOANDL1，831213141528，29