Linux 驱动开发之WIFI设备分析4
Linux 驱动开发之WIFI设备分析4（基于Linux6.6）---USB接口WiFi介绍
从硬件层面上看，WIFI设备与CPU通信是通过USB接口的，与其他WIFI设备之间的通信是通过无线射频（RF）。
从软件层面上看，Linux操作系统要管理WIFI设备，那么就要将WIFI设备挂载到USB总线上，通过USB子系统实现管理。而同时为了对接网络，又将WIFI设备封装成一个网络设备。
以USB接口的WIFI模块进行分析：
a -- 从USB总线的角度去看，它是USB设备；
b -- 从Linux设备的分类上看，它又是网络设备；
c -- 从WIFI本身的角度去看，它又有自己独特的功能及属性，因此它又是一个私有的设备；
一、框架整理
1.1、USB设备驱动
现在我们先从USB设备开始，要写一个USB设备驱动，那么大致步骤如下：
a -- 需要针对该设备定义一个USB驱动，对应到代码中即定义一个usb_driver结构体变量
代码如下：
struct usb_driver xxx_usb_wifi_driver;
b -- 填充该设备的usb_driver结构体成员变量
代码如下：
static struct usb_driver xxx_usb_wifi_driver = {
.name = "XXX_USB_WIFI",
.probe = xxx_probe,
.disconnect = xxx_disconnect,
.suspend = xxx_suspend,
.resume = xxx_resume,
.id_table = xxx_table,
};
c -- 将该驱动注册到USB子系统
代码如下：
usb_register(&xxx_usb_wifi_driver);
以上步骤只是一个大致的USB驱动框架流程，而最大和最复杂的工作是填充usb_driver结构体成员变量。以上步骤的主要工作是将USB接口的WIFI设备挂载到USB总线上，以便Linux系统在USB总线上就能够找到该设备。
1.2、网络设备驱动
接下来是网络设备的线索，网络设备驱动大致步骤如下：
a -- 定义一个net_device结构体变量ndev
代码如下：
struct net_device *ndev;
b -- 初始化ndev变量并分配内存
代码如下：
ndev=alloc_etherdev();
c -- 填充ndev -> netdev_ops结构体成员变量
代码如下：
static const struct net_device_ops xxx_netdev_ops= {
.ndo_init = xxx_ndev_init,
.ndo_uninit = xxx _ndev_uninit,
.ndo_open = netdev_open,
.ndo_stop = netdev_close,
.ndo_start_xmit = xxx_xmit_entry,
.ndo_set_mac_address = xxx_net_set_mac_address,
.ndo_get_stats = xxx_net_get_stats,
.ndo_do_ioctl = xxx_ioctl,
};
d -- 填充ndev->wireless_handlers结构体成员变量，该变量是无线扩展功能
代码如下：
ndev->wireless_handlers = (struct iw_handler_def *)&xxx_handlers_def;
e -- 将ndev设备注册到网络子系统
代码如下：
register_netdev(ndev);
1.3、 WIFI设备本身私有的功能及属性
如自身的配置及初始化、建立与用户空间的交互接口、自身功能的实现等。
a -- 自身的配置及初始化
代码如下：
xxx_read_chip_info();
xxx_chip_configure();
xxx_hal_init();
b -- 主要是在proc和sys文件系统上建立与用户空间的交互接口
代码如下：
xxx_drv_proc_init();
xxx_ndev_notifier_register();
c -- 自身功能的实现
WIFI的网络及接入原理，如扫描等。同时由于WIFI在移动设备中，相对功耗比较大，因此，对于功耗、电源管理也会在驱动中体现。
二、USB 设备驱动分析
wifi模块上的数据传输有两端，一端是wifi芯片与wifi芯片之间，通过无线射频（RF）进行数据传输；另一端则是wifi芯片与CPU之间，通过USB进行数据传输。
USB驱动分为两种：一种是USB主机驱动；另一种是USB设备驱动。而我们的USB接口的wifi模块对于CPU（主机）来说，属于USB设备，因此采用USB设备驱动。
有了以上信息之后，先让Linux系统识别该USB接口的wifi模块，首先在驱动源码中大致添加以下几步工作：
a -- 定义一个usb_driver结构体变量
b -- 填充该设备的usb_driver结构体成员变量
c -- 将该驱动注册到USB子系统
简单完成以上几步工作，再加上板级文件（arch/mach-xxx.c）对USB设备的支持，Linux的USB子系统几乎可以挂载该wifi模块为USB设备了。但是这并不是最终想要的结果。还要让Linux系统知道它挂载的USB设备属于无线网络设备，同时能够访问它，利用它实施无线网络的工作。
若要让USB设备真正工作起来，需要对USB设备的4个层次（设备、配置、接口、端点）进行初始化。当然这四个层次并不是一定都要进行初始化，而是根据USB设备的功能进行选择的，大致初始化流程如下伪代码：
static struct dvobj_priv *usb_dvobj_init(struct usb_interface *usb_intf)
{
int i;
u8 val8;
int status= _FAIL;
struct dvobj_priv *pdvobjpriv;
//设备
struct usb_device *pusbd;
struct usb_device_descriptor *pdev_desc;
//配置
struct usb_host_config *phost_conf;
struct usb_config_descriptor *pconf_desc;
//接口
struct usb_host_interface *phost_iface;
struct usb_interface_descriptor *piface_desc;
//端点
struct usb_host_endpoint *phost_endp;
struct usb_endpoint_descriptor *pendp_desc;
//设备的初始化
pdvobjpriv->pusbintf = usb_intf ;
pusbd =pdvobjpriv->pusbdev = interface_to_usbdev(usb_intf);
usb_set_intfdata(usb_intf, pdvobjpriv);
pdev_desc =&pusbd->descriptor;
//配置的初始化
phost_conf =pusbd->actconfig;
pconf_desc =&phost_conf->desc;
//接口的初始化
phost_iface =&usb_intf->altsetting[0];
piface_desc =&phost_iface->desc;
//端点的初始化，由于wifi模块属于网络设备，传输批量数据，因此需要初始化为批量端点，端点方向（输入、输出）等。同时，由于wifi驱动功能比较多，需要初始化几个输入输出端点。
for (i = 0; i <pdvobjpriv->nr_endpoint; i++)
{
phost_endp = phost_iface->endpoint +i;
if (phost_endp)
{
pendp_desc =&phost_endp->desc;
//检查是否为输入端点
usb_endpoint_is_bulk_in(pendp_desc);
//检查是否为输出端点
usb_endpoint_is_bulk_out(pendp_desc);
}
}
usb_get_dev(pusbd);
}
完成以上的初始化工作之后，接下来我们需要理清一下USB接口的作用，它是wifi芯片内部的固件程序与主机上的Linux系统进行数据通信。USB设备通信不像普通字符设备那样采用I/O内存和I/O端口的访问，而是采用一种称为URB（USB Request Block）的USB请求块，URB在整个USB子系统中，相当于通电设备中的“电波”，USB主机与设备的通信，通过“电波”来传递。
void xxx_wifi_usb_intf_ops(struct _io_ops *pops)
{
//当需要进行简单数据的读取时，采用以下操作
pops->_read8 = &usb_read8;
pops->_read16 = &usb_read16;
pops->_read32 = &usb_read32;
//当需要进行批量数据的读取时，采用以下操作
pops->_read_port = &usb_read_port;
//当需要进行简单数据的写时，采用以下操作
pops->_write8 = &usb_write8;
pops->_write16 = &usb_write16;
pops->_write32 = &usb_write32;
pops->_writeN = &usb_writeN;
//当需要进行批量数据的写时，采用以下操作
pops->_write_port = &usb_write_port;
//取消读写urb
pops->_read_port_cancel = &usb_read_port_cancel;
pops->_write_port_cancel = &usb_write_port_cancel;
}
在进行批量数据的读写时，如usb_read_port()和usb_write_port()函数，需要完成urb创建、初始化、提交、完成处理这个完整的流程。伪代码如下：
1）批量读操作
static u32 usb_read_port(struct intf_hdl *pintfhdl, u32 addr, u32 cnt, u8 *rmem)
{
int err;
unsigned intpipe;
PURB purb =NULL;
structrecv_buf *precvbuf = (structrecv_buf *)rmem;
structusb_device *pusbd = pdvobj->pusbdev;
//创建urb，这里是在其它地方创建完成之后，传递过来
purb =precvbuf->purb;
//初始化批量urb
usb_fill_bulk_urb(purb, pusbd, pipe,
precvbuf->pbuf,
MAX_RECVBUF_SZ,
usb_read_port_complete,
precvbuf);//contextis precvbuf
//提交urb
err =usb_submit_urb(purb, GFP_ATOMIC);
}
2）批量写操作
u32 usb_write_port(struct intf_hdl *pintfhdl, u32 addr, u32 cnt, u8 *wmem)
{
unsigned int pipe;
intstatus;
PURB purb = NULL;
structxmit_priv *pxmitpriv =&padapter->xmitpriv;
structxmit_buf *pxmitbuf = (struct xmit_buf *)wmem;
structxmit_frame *pxmitframe = (struct xmit_frame *)pxmitbuf->priv_data;
structusb_device *pusbd = pdvobj->pusbdev;
structpkt_attrib *pattrib = &pxmitframe->attrib;
//创建urb，这里是在其它地方创建完成之后，传递过来
purb = pxmitbuf->pxmit_urb[0];
//初始化批量urb
usb_fill_bulk_urb(purb, pusbd, pipe,
pxmitframe->buf_addr,//= pxmitbuf->pbuf
cnt,
usb_write_port_complete,
pxmitbuf);//contextis pxmitbuf
//提交urb
status = usb_submit_urb(purb,GFP_ATOMIC);
return ret;
}
完成以上批量数据的读写操作之后，大家可能会疑问：这不是一般USB设备驱动的操作流程吗？貌似和wifi没有半毛钱的关系啊！从上面看，确实和wifi没有任何联系，但是以上只是一个铺垫。我们一直强调USB接口在wifi模块中充当什么角色，既然是接口，那么它就是为数据传输而生。所以，和wifi扯上关系的就在于usb_read_port()和usb_write_port()这两个函数。
三、读写函数分析
USB接口在wifi模块中的最重要两个函数是usb_read_port()和usb_write_port()。那它们是怎么和wifi扯上关系的呢？从以下三个方面去分析：
a -- 首先需要明确wifi模块是USB设备，主控（CPU）端是USB主机；
b -- USB主机若需要对wifi模块进行数据的读写时，就必须经过USB接口；
c -- 既然涉及到数据的读写操作，必然要用相应的读写函数，那么usb_read_port()和usb_write_port()即是它们的读写函数。
先从读数据开始进行分析，在分析之前，必须了解USB设备驱动的读数据过程。USB读取数据操作流程如下：
a -- 通过usb_alloc_urb()函数创建并分配一个URB，作为传输USB数据的载体；
b -- 创建并分配DMA缓冲区，以DMA方式快速传输数据；
c -- 初始化URB，根据wifi的传输数据量，我们需要初始化为批量URB，相应操作函数为usb_fill_bulk_urb()；
d -- 将URB提交到USB核心；
e -- 提交成功后，URB的完成函数将被USB核心调用。
只有当wifi模块有数据可读时，主控端才能成功地读取数据。那么wifi模块什么时候有数据可读呢？——下面重点来了！wifi模块通过RF端接收到无线网络数据，然后缓存到wifi芯片的RAM中，此时，wifi模块就有数据可读了。
经过上面的分析，找到了一条USB接口与wifi模块扯上关系的线索，就是wifi模块的接收数据，会引发USB接口的读数据；
现在，转到wifi模块的接收函数中，看看是不是真的这样?
在wifi接收函数初始化中，可以看到usb_alloc_urb()创建一个中断URB。
int xxxwifi_init_recv(_adapter *padapter)
{
struct recv_priv *precvpriv = &padapter->recvpriv;
int i, res = _SUCCESS;
struct recv_buf *precvbuf;
tasklet_init(&precvpriv->recv_tasklet, (void(*)(unsigned long))rtl8188eu_recv_tasklet, (unsigned long)padapter);
precvpriv->int_in_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL); //创建一个中断URB
precvpriv->int_in_buf = rtw_zmalloc(INTERRUPT_MSG_FORMAT_LEN);
//init recv_buf
_rtw_init_queue(&precvpriv->free_recv_buf_queue);
_rtw_init_queue(&precvpriv->recv_buf_pending_queue);
precvpriv -> pallocated_recv_buf = rtw_zmalloc(NR_RECVBUFF *sizeof(struct recv_buf) + 4);
precvbuf = (struct recv_buf*)precvpriv->precv_buf;
for(i=0; i < NR_RECVBUFF ; i++)
{
_rtw_init_listhead(&precvbuf->list);
_rtw_spinlock_init(&precvbuf->recvbuf_lock);
precvbuf->alloc_sz = MAX_RECVBUF_SZ;
res = rtw_os_recvbuf_resource_alloc(padapter, precvbuf);
precvbuf->ref_cnt = 0;
precvbuf->adapter =padapter;
precvbuf++;
}
precvpriv->free_recv_buf_queue_cnt = NR_RECVBUFF;
skb_queue_head_init(&precvpriv->rx_skb_queue);
#ifdef CONFIG_PREALLOC_RECV_SKB
{
int i;
SIZE_PTR tmpaddr=0;
SIZE_PTR alignment=0;
struct sk_buff *pskb=NULL;
skb_queue_head_init(&precvpriv->free_recv_skb_queue);
for(i=0; i<NR_PREALLOC_RECV_SKB; i++)
{
pskb = rtw_skb_alloc(MAX_RECVBUF_SZ + RECVBUFF_ALIGN_SZ);
if(pskb)
{
pskb->dev = padapter->pnetdev;
tmpaddr = (SIZE_PTR)pskb->data;
alignment = tmpaddr & (RECVBUFF_ALIGN_SZ-1);
skb_reserve(pskb, (RECVBUFF_ALIGN_SZ - alignment));
skb_queue_tail(&precvpriv->free_recv_skb_queue, pskb);
}
pskb=NULL;
}
}
#endif
return res;
}
在rtw_os_recvbuf_resource_alloc函数中，创建一个批量URB和一个DMA缓冲区。
int rtw_os_recvbuf_resource_alloc(_adapter *padapter, struct recv_buf *precvbuf)
{
int res=_SUCCESS;
struct dvobj_priv *pdvobjpriv = adapter_to_dvobj(padapter);
struct usb_device *pusbd = pdvobjpriv->pusbdev;
precvbuf->irp_pending = _FALSE;
precvbuf->purb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL); //创建一个批量URB
precvbuf->pskb = NULL;
precvbuf->reuse = _FALSE;
precvbuf->pallocated_buf = precvbuf->pbuf = NULL;
precvbuf->pdata = precvbuf->phead = precvbuf->ptail = precvbuf->pend = NULL;
precvbuf->transfer_len = 0;
precvbuf->len = 0;
#ifdef CONFIG_USE_USB_BUFFER_ALLOC_RX
precvbuf->pallocated_buf = rtw_usb_buffer_alloc(pusbd, (size_t)precvbuf->alloc_sz, &precvbuf->dma_transfer_addr); //创建一个DMA缓冲区
precvbuf->pbuf = precvbuf->pallocated_buf;
if(precvbuf->pallocated_buf == NULL)
return _FAIL;
#endif //CONFIG_USE_USB_BUFFER_ALLOC_RX
return res;
}
在usb_read_port()函数中，通过usb_fill_bulk_urb()初始化批量URB，并且提交给USB核心，也即USB读取数据操作流程的第3、4步。在usb_fill_bulk_urb()函数中，初始化URB的完成函数usb_read_port_complete()，只有当URB提交完成后，函数usb_read_port_complete()将被调用。
static u32 usb_read_port(struct intf_hdl *pintfhdl, u32 addr, u32 cnt, u8 *rmem)
{
struct recv_buf *precvbuf = (struct recv_buf *)rmem;
_adapter *adapter = pintfhdl->padapter;
struct dvobj_priv *pdvobj = adapter_to_dvobj(adapter);
struct pwrctrl_priv *pwrctl = dvobj_to_pwrctl(pdvobj);
struct recv_priv *precvpriv = &adapter->recvpriv;
struct usb_device *pusbd = pdvobj->pusbdev;
rtl8188eu_init_recvbuf(adapter, precvbuf);
precvpriv->rx_pending_cnt++;
purb = precvbuf->purb;
//translate DMA FIFO addr to pipehandle
pipe = ffaddr2pipehdl(pdvobj, addr);
usb_fill_bulk_urb(purb, pusbd, pipe,
precvbuf->pbuf,
MAX_RECVBUF_SZ,
usb_read_port_complete,
precvbuf);//context is precvbuf
err = usb_submit_urb(purb, GFP_ATOMIC);
return ret;
}
通过上面的代码，可以得知在wifi模块为接收数据做初始化准备时，分配了URB和DMA缓冲区。而在usb_read_port()函数中初始化URB和提交URB。
四、举例应用
4.1、常见的嵌入式 USB WiFi 适配器及其驱动应用
以下是几个常见的 USB WiFi 适配器类型及其在嵌入式 Linux 系统中的驱动应用举例。
1. Realtek RTL8188/RTL8192 USB WiFi 驱动
常见适配器：
- Realtek RTL8188EUS
- Realtek RTL8192CU
驱动程序：
- rtl8188eu：用于 RTL8188EUS。
- rtl8192cu：用于 RTL8192CU。
安装和配置步骤：
-
确保设备被识别： 插入 USB WiFi 适配器到嵌入式设备的 USB 接口，并运行以下命令查看适配器是否被识别：
lsusb
输出示例：
-
Bus 001 Device 004: ID 0bda:8176 Realtek Semiconductor Corp. RTL8188EUS 802.11n Wireless Network Adapter -
检查内核模块： Realtek 的 WiFi 适配器通常需要加载相应的内核模块。查看当前内核是否已加载
rtl8188eu或rtl8192cu模块： -
lsmod | grep rtl -
安装驱动程序： 如果内核未包含相应驱动，可以手动安装驱动：
对于
rtl8188eu，可以使用以下命令： -
sudo apt-get install rtl8188eu-dkms -
启动网络接口： 安装并加载驱动后，可以通过以下命令启用无线接口：
sudo ifconfig wlan0 up
或者使用 ip 命令：
-
sudo ip link set wlan0 up -
连接 WiFi 网络： 使用
nmcli或iw工具连接到网络：
-
sudo nmcli device wifi connect "SSID" password "your_password"
注意事项：
- 对于某些嵌入式系统，您可能需要从源码编译驱动程序，特别是在使用较旧的内核或自定义内核的情况下。
- 确保您的嵌入式系统支持 USB 2.0 或 3.0 接口，并且具有足够的处理能力来驱动 WiFi 适配器。
2. Atheros AR9271 USB WiFi 驱动
常见适配器：
- TP-Link TL-WN722N（使用 Atheros AR9271 芯片组）
驱动程序：
- ath9k_htc：适用于 Atheros AR9271 系列 USB WiFi 适配器。
安装和配置步骤：
-
确保设备被识别： 插入 Atheros AR9271 适配器，使用
lsusb查看设备：
lsusb
输出示例：
-
Bus 002 Device 003: ID 0cf3:9271 Atheros Communications, Inc. AR9271 802.11n -
加载驱动程序： 通过
ath9k_htc驱动来支持 Atheros AR9271。检查系统是否已加载该驱动：
lsmod | grep ath9k_htc
如果没有加载，可以手动加载：
-
sudo modprobe ath9k_htc -
安装固件： 某些 Atheros WiFi 适配器需要固件支持，安装固件包：
-
sudo apt-get install firmware-atheros -
启动网络接口： 使用
ifconfig或ip命令启动无线接口： -
sudo ifconfig wlan0 up -
连接到 WiFi 网络： 使用
nmcli或iw工具连接到无线网络：
-
sudo nmcli device wifi connect "SSID" password "your_password"
3. Broadcom BCM43xx USB WiFi 驱动
常见适配器：
- Broadcom BCM4313
- Broadcom BCM4321
驱动程序：
- b43、b43legacy、brcmsmac
安装和配置步骤：
-
检查设备是否被识别： 插入 Broadcom USB WiFi 适配器，使用
lsusb查看设备：
lsusb
示例输出：
-
Bus 001 Device 004: ID 14e4:4313 Broadcom Corp. BCM4313 802.11bgn Wireless Network Adapter -
加载驱动程序： 对于 Broadcom WiFi 适配器，通常需要加载
b43或brcmsmac驱动。检查是否已加载驱动：
lsmod | grep b43
如果未加载，可以手动加载：
-
sudo modprobe b43 -
安装固件： Broadcom 驱动程序通常依赖固件。安装固件包：
-
sudo apt-get install bcmwl-kernel-source -
启动无线接口： 使用
ifconfig或ip命令启动无线网络接口： -
sudo ifconfig wlan0 up -
连接到 WiFi 网络： 使用
nmcli或iw工具连接到网络：
-
sudo nmcli device wifi connect "SSID" password "your_password"
4. USB WiFi 适配器的通用驱动加载和网络配置
无论使用哪种 USB WiFi 适配器，嵌入式 Linux 系统的通用驱动加载和网络配置步骤如下：
-
加载驱动： 根据适配器的芯片组（如 Realtek、Atheros、Broadcom），加载对应的内核模块。例如：
-
sudo modprobe rtl8188eu # Realtek 8188EU sudo modprobe ath9k_htc # Atheros AR9271 sudo modprobe b43 # Broadcom b43系列 -
检查无线网络接口： 使用
ifconfig或ip a命令检查无线接口是否已启用： -
ifconfig wlan0 -
连接 WiFi 网络： 使用
nmcli工具或iw命令连接 Wi-Fi 网络。例如： -
nmcli device wifi connect "SSID" password "your_password" -
配置静态 IP（如果需要）： 如果您希望设置静态 IP，可以通过编辑
/etc/network/interfaces文件或使用nmcli配置网络： -
sudo nmcli con mod "SSID" ipv4.addresses 192.168.1.100/24 sudo nmcli con up "SSID"
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