（电路与系统专业论文）基于pxa270处理器80211b+wlan网卡驱动的设计与实现.pdf

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e e 8 0 2 1 1 系列成员之的8 0 2 1 l b 。以其远行t2 4 g h zi s m 公共频 段以及高达l l m b p s 的数据传输速率现正成为无线局域网络癍h 冲的热点。 i n t e l 公司最近推出的面向嵌入式系统的专用处理器p x a 2 7 0 ，内置的同步串行口s s p ，提供了 高达1 3m h z 时钟频率的数据传输能力，满足了8 0 2 1 1 b 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8 0 2 1 l b 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 8 0 2 1l b 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p x a 2 7 0 处理器为核心的嵌入式系统平台上集成8 0 2 。l i b 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8 0 2 1 1 b 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p x a 2 7 0 处理器为核心的开发 板、8 0 2 1 l bb g w 2 0 0 系统封装芯片以及2 4 0 h z 贴片天线：并在此基础上捉山了通过s s p 串口连 接p x a 2 7 0 处理器和8 0 2 1 i b 无线网卡模块( 含b g w 2 0 0 以及天线) ，构建基于p x a 2 7 0 开发板， 集成8 0 2 1 1 b 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w i n d o w sc e 5 0 操作系统以及该系统下的网络通信体系絮构和jn d i s 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n d i s 驱动体系卜的微端口网砖软什驱动。并设计、实现了使_ i jd m a 方 式进行数据的传输，完成了在嵌入式系统平台上集成8 0 2 1 l b 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8 0 2 1 1 b 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、p x a 2 7 0 、g r m d o w s c e 、8 0 2 i i b 无线局域网络、s s p 串口、微端口驱动 东南人学硕上学位论文 a b s t r a c t w j t ht h ed e v e l o p m e n to f t h es c i e n c ea n dt e c b o l o g y , t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sc a m ei n t oo u rl i f e t i m e a n dt h ef u n c t i o no f t h e8 0 2 1 1 bw i r e l e s sl a nh a sb e c o m eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o no f t h e e m b e d d e ds y s t e m t h ep x a 2 7 0p r o c e s s o rw h i c hi n t e lc o r p o r a t i o nb r i n g so u tf o re m b e d d e ds y s t e mh a ss s ps e r i a lp o r t w h i c hg i v e st h ei n t e r f a c et o8 0 2 ，1 1 bw l a nn 1 c ( n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d ) f o rc o n n e c t i n gw i t ht h e p x a 2 7 0 i nh e r e , t h e r ew i l lb eah e l pf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ef u n c t i o no f m e8 0 2 1l bw l a n b a s e d o ni n t e ls s ps e r i a lp o r t h o w t or e a l i z e t h e f u n c t i o n o f t h e8 0 2 1 l b w l a n b a s e d o r i n t e ls s ps e r i a lp o r t w h i c h i n c l u d e s k g l l - s p e e da n dr e l i a b i l i t yo f d a t a t r a n s f e ri nt h ep x a 2 7 0e m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r mi st h em a i ng o a lo f t h i sp a p e r i n t e lx s c a l ep x a 2 7 0d e v e l o p m e n tb o a r dw i t ht h e8 0 2 1l bw l a nn i c b g w 2 0 0 ，a r eu s e da st h e h a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dt h ew m d o w sc e5 0e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi su s e da st h es o f l ：w a r ep l a t f o r m t h e p r i n c i p l e o f w l a n a n d t h e8 0 2 1 ls e r i e s w l t h t h e e m p h a s i s o n t h e p r o t o c o l o f t h e8 0 2 1 l ba r e f i r s ti n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , n e x tt h ep l a t f o r mw h i c ht h et a s kb a s e so ni sd e s c r i b e 正a n dt h t h e i m p l e m e n t a t i o no ft h e 删w a r ep l a t f o r m w h i c hc o n s i s t so ft l l ep x a 2 7 0d e v e l o p m e n tb o a r da n dt h e 8 0 2 1 i bw l a nn i cm o d u l e i sg i v e n 。a n dt h ei n t r o d u c t i o no ft h ew i n d o w sc e 5 0o p e r a t i n gs y s t e m w i mt h ec o m m u n i c a t i o ns f r v i c e s n e t w o r k i n ga n dt h en d i sd r i v e rm o d e la r ef o l l o w e d f k m l l y , t h e p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nt ot h ed r i v e ro ft h em i n i p o r ti sp e r f o r m e da n dt h e t e s td a t ai s g i v e nb y e x p e r i m e n t s t h ed i f f i c u l t yo ft h et a s kl i e so nt h es 0 1 a r ed e s i g na n dp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no ft h em i n i p o r t d r i v e rf o r t h en i cm o d u l e a f t e rs e v e r a lt e s t s ，t h ef i n a li m p l e m e n t a t i o nh a s m e tt h ed e s i g n e dr e q u i r e m e n t ： t h er e a l i z a t i o no ft h ea p p l i c a t i o nb a s e do nt h e8 0 2 1 1 bw l a na n dt h ec a p a b i l i t yo fh i g h - s p e e da n d r e l i a b i l i t yo f t h ed a t au a n s f e rw i hl o w - p o w e rc o n s u m p t i o n k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m 、p x a 2 7 0 、w i n d o w sc e 、8 0 2 1 l bw l a n 、s s p s e r i a lp o r t 、m i n i p o r td r i v e r 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 1 1 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_ h j 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i l j 。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( l o c a l a r e a n e t w o r k ，l a n ) ：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1 0 2 0 0 0 m b p s ；短距离，通常在1 0 0 0 米以内；低误码率； j 域网( w i d e a r e a n e t w o r k ，w a n ) ：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( m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ，m a n ) ：介于上述两者之间的网络，基本上是一种犬 犁的l a n ，通常使用与l a n 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( n e t w o r k i n t e r f a c ec a r d ，s i c ) 。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b p s ，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p j 。 基于上述研究的深入以及科技的进步，无线局域网络( w t r e l e s sl a n ) 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_ l j 拓展的热点。其中，基于8 0 2 1 i b 通信协议的无线局域网络 l 东南大学硕士学位论文 应_ h j 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 备一一8 0 2 1 i b 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c f 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1 3 ，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s s p 同步串口来连接 嵌入式处理器和8 0 2 1 l b 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。 1 2 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8 0 2 1 l b 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i n t e l 公司于2 0 0 3 年底推出的一款专门面向嵌入式系统市场 的专_ j 处理器x s c a l ep x a 2 7 0 。它内置的同步串行口( s y n c h r o n o u ss e r i a lp r o t o c o l ，s s p ) 控制 器提供了最高1 3 m b p s 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d m a 控 制器，能提供多达3 2 通道的d m a 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8 0 2 1 l b 协议的无线网 ，最高支持1 1 m b p s 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i n t e l x s c a l e p x a 2 7 0 的开发扳上，通过内置s s p 串口连接8 0 2 1 l b 无线网# 模块构建基于w l a n 无线网络麻h j 的平台。系统采硝的软稍平台是嵌入式w m d o w s c e 5 0 操作系统。课题的具体研究上作如f ： 1 、预研准备： 收集、分析课题涉及的s s p 串口、无线网络模块相关领域论文和技术文档，了解基于8 0 2 1 i b 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s s p 串口构建与现有p x a 2 7 0 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w m d o w sc e 5 0r 相关驱动群序的设计与实现工作，主要包拓s s p 串口 驱动和无线网# 驱动稃序： 设计、实现s s p 串口驱动，实现s s p 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s s p 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 1 3 论文组织结构 本文的重点在丁s s p 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8 0 2 1 l b 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p x a 2 7 0 处理器、s s p 串口、d m a 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w m d o w sc e 5 ，0 操作系统、基于该系统的网络通信体系 架构和n d i s 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s s p 串口驱动、微端口无线网卡驱动的设计与实现，包括d m a 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8 0 2 i i 系列无线局域协议标准：其中作为本课题 关注焦点的8 0 2 1 i b 无线局域网通信标准将是重中之重。 2 1 无线局域网 2 1 1 概念 无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k w l a n ) 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 】。 2 1 2 协议标准 目前无线局域网络协议标准有8 0 2 1 1 系列、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 、h o m e r f ( 家庭无线电网络) 、 i r d a ( i n f r a r e d d a t a a s s o c i a t i o n ，红外线数据标准协会) 、w p , d u n ( w - 1 r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k s ， 无线个人局域网) 以及h i p e r l a n ( i i 曲p e r f o r m a n c e r a d i o l a n ，高效能无线电局域网) 眈如下 表2 i 所示，是目前各种无线局域网络协议标准比较： 表2 1 ：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) i b p s ) 红外线传输 点对点传输，不能成为 o o 5视线传输，设备网络刑态，但不容易被 i r d a4 1 6传输到7 5 k s 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1 2 0 0 限制 1 0 ( 增大功率剑 2 4 g h zi s m 频段，可以 b l u e t o o t h1 2 1 0 0 m w 时，可以达剑无线电波 与7 个以f 设备组成超 5 0 1 0 0 米)小利网络 提供6 个声音频道；适 h o m e r f1 1 05 0 1 0 0无线电波合家庭使用，但是技术 落后已经停j r 研发 能与b l u e t o o t h 进行相 w p a n1 1 01 1 0无线l b 波 互作业 欧洲标准，技术复杂， h i p e r l a n 6 5 4n a ( n o t a v a i l a b l e )无线电波 不利推广，支持厂商少 支持该标准的厂商多， 8 0 2 1 1 系列2 5 41 0 0 3 0 0无线电波 设冬容易获得 总的来讲，i e e e8 0 2 i i 系列标准比较适丁办公室中的企业无线网络，h o m e r f 较适_ e i j 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i r d a 则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆 的场合目前8 0 2 1 l 系列是最为流行的无线局域网络协议标准。 2 28 0 2 i i 系列 2 2 i8 0 2 i i 系列的发展 8 0 2 i l 协议标准1 6 j 1 7 j 哪( 也称作“w f i ”) 是i e e e ( 美国电子电气工程师协会) 于1 9 9 7 年推出 的，它工作于2 4 0 h z 的i s m ( 工业、科学、医疗) 频段，共享数据速率最高可达2m b p s 。从罔 络层次结构来看，该标准包括物理层和m a c ( 媒体访问控制) 子层两个层次的内容，而不涉及 m a c 层以上的层次 由于8 0 2 1 l 的数据速率不能满足日益发展的业务需要，i e e e 在1 9 9 9 年相继推出了8 0 2 1 1 b 、 8 0 2 1 l a 两个标准；并且在2 0 0 1 年年底又通过8 0 2 1 i g 试用混合方案，该方案是对8 0 2 1 l b 的一种 高速物理层扩展，可在2 4 g h z 频带上实现5 4m b p s 的数据速率，并与8 0 2 1 l b 标准兼容，并且较 好地解决了w l a n 与蓝牙技术的干扰问题 如表2 2 所示，是8 0 2 1 l 系列中部分协议标准的比较： 袭2 2 ：8 0 2 1 1 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 ( g h z ) 速率( m b p s ) 0 2 1 l 2 4 2f h s s 或d s s s无 8 0 2 1 l b2 4l l d s s s目前流行的标准 8 0 2 1 1 a5 5 4o m m 不兼容8 0 2 1i b ，成本较高 8 0 2 1 l g 2 4 5 4d s s s 或0 f d m兼容8 0 2 1 1 及8 0 2 1 l b 对8 0 2 1 l a 的频谱管理技术，使其符 s 0 2 1 l h2 4黼n 纨 合关于5 g h z 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 8 0 2 1 1 e2 4n ae d c a 或h c c a 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a e s ( 高级加 8 0 2 1 l i2 4 n | 扎n ，a 密标准) 而制订的 此外，为了促进8 0 2 1 i a 在欧洲的推广，与e t s i ( 欧洲电信标准化协会) 的h i p e r l a n 2 竞争， i e e e 又提出了8 0 2 1 l h 标准，在8 0 2 1 l a 基础上增加自动频率选择( o f s ) 和发送功率控制( t p c ) 功能， 以适应8 0 2 1 l a 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8 0 2 1 l 系列在安全性、q o s 、移动性等方面的进一步要求，i e e e 相 继提出了8 0 2 1j e 、8 0 2 1 i f 8 0 2 1 l i 等标准。 8 0 2 1 l e 增强了8 0 2 1 1 m a c 层，为w l a n 应用提供了q o s 支持能力。8 0 2 1 l e 对m a c 层的增 强与8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 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8 0 2 1 l 系统 的应用范围，使得w l a n 也能够传送语音，视频等应用 8 0 2 1 l f 标准定义了一套称之为i a p p ( i n t e r - a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) 的协议，以实现不同供应商接 入点a p 之间的互操作性。 谈到8 0 2 1l i 标准，就不能不提到8 0 2 i x 标准。8 0 2 1 x 标准完成于2 0 0 1 年，它是所有i e e e 8 0 2 东南大学硕士学位论文 系列l a n ( 包括无线l a n ) 觯体安全体系架构，包括认证( e a p 和r a d i m ) 和密钥管理功能。8 0 2 i l l 是对8 0 2 1 1m a c 层在安全性方面的增强，它与8 0 2 1 x 一起，为w l a n 提供认证和安全机制。 除了上面已说明的标准之外，8 0 2 1 1 系列标准中，还有一个8 0 2 1 l d 标准，8 0 2 1 l d 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8 0 2 1 1 设备在一些国家应用时无线电管制 上的特殊要求。 2 2 28 0 2 1 1 b 标准 1 9 9 9 年9 月，i e e e 批准了i e e e8 0 2 1 i b 协议规范，这个规范也称为w i f i 。8 0 2 1 i b 工作丁： 2 4 g h zi s m 频带，能够支持5 5 m b p s 希il l m b p s 两种传输速率，同时向f 兼容8 0 2 1 1 协议规定的 i m b p s 、2 m b p s 两个速率。有效传输距离1 0 0 米( 室内) 3 0 0 米( 室外) 唧。 局域网的协议标准结构土要包括物理层( p h y s i c sl a y e r , p h y ) 、数据链路层( d a t a - l i n k l a y e r , d d l ) 、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$ t j ( l o g i c - l i n kc o n t r o l , l l c ) 子层羊媒体t 方问控 铝j ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l , m a c ) 子层。8 0 2 1 i b 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2 1 所示。 8 0 2 1 l b 离屡 逻辑链踌羲测( l l c ) 子瑶 媒体访阎控制( m a c ) 子层 物理层( p h y l 数据链雅缓 | ( d l l ) j 图2 i s8 0 2 1 1 b 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，8 0 2 1 l b 采用2 4g h z 的无线频率，最大的仿速率达1 1 r o p s ，使h j 直 接序列扩频( d s s s ) 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_ l f j 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f j l 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m a c 子层，8 0 2 1 l b 使用“载波侦听多路访问，冲突避免( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o n a v o i d a n c e ，c s m a c a ) ”媒体访问控制( m a c ) 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 c s m a c a 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c s m a c a 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，8 0 2 1 l b 使用带 确认( a c k n o w l e d g m e n t ，a c k ) 信号的请求发送( r e q u e s t t os e n d ，r t s ) 清除发送( c l e a r t o s e n d ， c t $ ) ”协议，确保成功地传输和接收帧， 8 0 2 1 l b 的运行方式，其实就是在发送方把数字数据( d i g i t a ld a t a ) 转换为无线电波信号( r a d i o s i g n a l s ) ；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8 0 2 1 l b 无线局域 网譬( w l a nc a r d ) 来进行所有的转换操作。 2 3 无线局域网设备组成 如图2 2 ，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”i i 。 i 、无线网卡 网络接口卡( n i c ) ，也叫网络适配器( n e t w o r k a d a p t e r ) ，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( w l a n c a r d ) ，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o s i 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p c i 、p c m c i a 、u s b 筲儿种。当然还有一些无线 网卡使h j 的是其他的一些数据传输接口。 图2 2 ：无线局域网络应用示意图 2 、接入点 接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 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a p 之分享有线局域网络甚至广域网络的资 源。除此之外，a p 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、m a c 地卅筛选等等。 3 、天线( a n t e n n a ) 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( b a s es t a t i o na n t e n n a ) 和移动台天线( m o b i l ep o r t a b l ea n t e n n a ) ： 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a p 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“】 1 2 1 。 2 4 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( a p ) 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( a d h o c 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p x a 2 7 0 处理器内置的s s p 串e l 近接8 0 2 1 l b 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8 0 2 1 l b 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p x a 2 7 0 处理器，s s p 串1 2 以及d m a 控制器进行了介绍。 3 1 硬件平台总体架构 如图3 1 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i m e lx q c a l ep x a 2 7 0 处理器 为核心，集成了众多外围电路模块的开发板。 图3 1 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i m e lx s c a l cp x a 2 7 0 处理器。在外嗣，相府的配有其他一些功能模块：存储模块( 2m bn o rf l a s h 、 3 2m bn a n df l a s h 和6 4 m b 的s d i 认m ) 、l c d 显示屏、触摸屏、c o d e c ( 集成音频编解码和触摸控 制功能) 以及s s p 串口、u s b c l i e n t 、u a r t s 、r s 2 3 2 、i r d a 、c o m p a c t f l a s h 等扩展接口。利h jc p u 内 置的j t a g 调试功能，可以使用b d i 或其它j t a g 上具进行最初的镜像r 载和功能调试。 系统电游模块采_ l j 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( p o w e rm a n a g e r ) ；无外电时，电池h j 丁供给系统电源管理模块。p x a 2 7 0 通过 p o w e r l 2 c 接e l 控制电源管理模块，将5 v 供电转换成多种电琢输出，供c p u 及其它外围模块使_ l j 。 8 0 2 1 l b 无线网e 模块是由p i n u p s 公司的b g w 2 0 0 系统封装以及南玻电子公司的2 4 g h z 全向大线 s l d a 9 2 2 r 4 5 0 g s l 构成。b g w 2 0 0 系统封装通过预留的大线接口和全向大线近接，再通过s s p 同步 9 东南大学顾十学位论文 串口和p x a 2 7 0 进行通讯。 3 2i n t e lx s c a l ep x a 2 7 0 处理器 2 0 0 4 年4 月1 2 日，英特尔公司发布了基丁英特尔x s c a l e t m 技术的p x a 2 7 0 处理器。p x a 2 7 0 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s o c ( s y s t e m 一0 咀- a - c h i p ) 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“0 1 1 4 1 。 p x a 2 7 0 返h j 了在线电压频率调节和复杂的电源管理使得i n t e lx s c a l e 技术能够提供业界领先 的m i p s m w 性能。p x a 2 7 0x s c a l e 核是采用a r mv 5 t e 架构的处理器，兼容a r m v 5 t e 架构指 令集( 除浮点指令外) ，遵从a r m 通用编稃模犁规范。此外，p x a 2 7 0 还支持i n t e lw i r e l e s sm m x 整 数指令，从而使音频视频处理速度得到很人提高1 1 5 | 。 p x a 2 7 0 的存储控制器支持多种类型的存储器，包子苫s d r a m ，f l a s h ，e p r o m 等；利用存储 控制接1 ：3 还可以挂接其它伴侣芯片。另外p x a 2 7 0 还支持四块6 4 - k b y t e 的片内s r a m ，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，s r a m 中的数据仍然能够保留。 内置的l c d 控制器提供了高达8 0 0 x 6 0 0 像素的显示分辨率，它允许1 - b i t 、2 - b i t 、4 - b i t 黑向像 素和g - b i t 、1 6 - b i t 的彩色像素，另外内部调色板r a m 装有2 5 6 单元2 5 - b i t 的调色板。 作为新的一款嵌入式c p u ，p x a 2 7 0 在以下方面有着显茹的特色【l q ： 更高的主频：i n t e l 公司的p x a 2 5 5 系列嵌入式处理器的主频有2 0 0 m h z 、3 0 0 m h z 和 4 0 0 m h z 三种。新的p x a 2 7 0c p u 土频从3 1 2 m h z 剑6 2 4 m h z ，频率提升高达5 0 ，这一 参数的提升将直接带来罄体处理速度的提高。 w i r e l e s sm m x 技术：该技术继承了桌面处理器m m x 、s s e 技术的多媒体性能，同时义 结合了i n t e lx s c a l e 微架构的低功耗特性，使得p x a 2 7 x 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。w i r e l e s sm m x 技术将大晕稃序开发者比较熟悉的6 4 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2 d 、3 d 图像处理，都有了很人提高。 w i r e l e s ss p e e d s t e p 技术：i n t e l 的该技术使得p x a 2 7 0 能够根据c p u 的需求动态调移处理 器的土频和核心电压，使