摘 要：Ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有自組能力、良好的抗毀性、機動性、魯棒性和易于構(gòu)建，能很好滿足在軍事和應(yīng)急通信等復(fù)雜環(huán)境中對無線通信系統(tǒng)的需求?；赑owerPC+FPGA的無線系統(tǒng)實現(xiàn)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)能很好的滿足軍事和應(yīng)急通信對無線通信的要求。本文為無線系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)了一種FPGA驅(qū)動程序，包括定義設(shè)備私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、設(shè)備訪問方法、模塊注冊與注銷以及中斷處理方法，同時介紹了設(shè)備樹文件中FPGA子節(jié)點的設(shè)計。實驗結(jié)果顯示，F(xiàn)PGA驅(qū)動程序設(shè)計合理高效，實現(xiàn)了無線系統(tǒng)之間點對點的無線通信，多臺無線系統(tǒng)實現(xiàn)了Ad hoc自組網(wǎng)，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：PowerPC；FPGA；設(shè)備樹文件；U-Boot；Linux內(nèi)核；FPGA驅(qū)動程序

中圖分類號：TP368.1

基于TCP/IP體系結(jié)構(gòu)采用Ad hoc技術(shù)的無中心節(jié)點的自組無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有自組能力、良好的抗毀性、機動性、魯棒性和易于構(gòu)建，能很好滿足在軍事、搶險、應(yīng)急通信等復(fù)雜環(huán)境中對無線通信系統(tǒng)的需求[1]。

國外針對采用Ad hoc技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通常使用IEEE 802.15.4（Zigbee）技術(shù)、IEEE 802.15.1（藍牙）技術(shù)、IEEE802.11a/b/g/n（WiFi）技術(shù)、IEEE 802.16（WiMax）技術(shù)等[2]。而針對采用Ad hoc技術(shù)的應(yīng)急無線通信網(wǎng)絡(luò)通常使用Zigbee技術(shù)、WiFi技術(shù)和非公開的無線技術(shù)?；赯igbee技術(shù)和WiFi技術(shù)的自組網(wǎng)絡(luò)的終端傳輸距離受限，無法實現(xiàn)長距離、在高速運動中的數(shù)據(jù)傳輸?；赑owerPC+FPGA的無線系統(tǒng)實現(xiàn)長距離、在高速運動中的數(shù)據(jù)傳輸，能很好的滿足軍事和應(yīng)急通信對無線通信系統(tǒng)的要求。

本文基于PowerPC+FPGA平臺設(shè)計一種FPGA驅(qū)動程序來實現(xiàn)一路無線信號的發(fā)射和一路無線信號的接收，使用設(shè)備樹文件來配置FPGA網(wǎng)絡(luò)MAC地址、FPGA訪問地址、中斷信息等硬件配置信息，MAC地址保存在U-Boot環(huán)境變量中，U-Boot在引導Linux內(nèi)核啟動之前把MAC地址添加到設(shè)備樹文件中。

1 FPGA驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 PowerPC平臺硬件架構(gòu)

基于PowerPC+FPGA的無線系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)基帶板、射頻板和背板組成，網(wǎng)絡(luò)基帶板和射頻板通過背板連接。網(wǎng)絡(luò)基帶板實現(xiàn)操作系統(tǒng)的支持，F(xiàn)PGA實現(xiàn)無線通信的鏈路層和物理層以及無線信號的收發(fā)控制。射頻板實現(xiàn)一路無線信號的發(fā)射和接收。網(wǎng)絡(luò)基帶板使用Freescale公司的MPC8536E處理器，提供256MB的Nor Flash存儲空間，512MB的DDR2 SDRAM內(nèi)存空間，兩個RS232接口，兩個千兆以太網(wǎng)接口，一個PCI總線接口，一個miniPCIe接口，三個USB host接口。FPGA使用Xilinx公司的XC5VLX110T，提供32Mb配置文件存儲空間，使用LVDS信號接口和RS232接口與射頻板進行通信。MPC8536E通過eLBC局部總線與FPGA通信，預(yù)留PCIe總線和eSPI接口。見圖1系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖。

1.2 PowerPC平臺的統(tǒng)軟件架構(gòu)

操作系統(tǒng)選擇開源的嵌入式操作系統(tǒng)Linux，引導程序選用開源的引導程序U-Boot。根文件系統(tǒng)選擇Ramdisk文件系統(tǒng)。U-Boot選擇u-boot-200908的版本，Linux選用2.6.32-rc5的版本。

隨著Linux/PowerPC內(nèi)核的發(fā)展，把32位和64位PowerPC內(nèi)核代碼合并，使用一個OpenFirmware式的固件接口設(shè)備樹來支持所有的PowerPC平臺，在這之前大多數(shù)PowerPC的嵌入式系統(tǒng)使用板卡特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在引導程序和Linux內(nèi)核之間進行數(shù)據(jù)傳遞，引入設(shè)備樹簡化了Linux/PowerPC內(nèi)核啟動順序[1]。U-Boot使用設(shè)備樹文件把硬件配置信息傳遞給Linux內(nèi)核。Linux/PowerPC內(nèi)核對每個硬件平臺都定義一個machdep_calls數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)核在啟動時調(diào)用probe_machine（）遍歷“.machine.desc”代碼段，并調(diào)用machdep_calls數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的.probe（）函數(shù)，每個.probe（）檢查設(shè)備樹并返回真，確定設(shè)備樹支持該硬件平臺[1]。使用設(shè)備樹的大多數(shù)嵌入式PowerPC平臺使用of_platform平臺總線，of_platform平臺總線是一個軟件注冊的虛擬總線。Linux內(nèi)核平臺代碼使用of_platform_bus_probe（）遍歷設(shè)備樹的一部分，為其中的每個設(shè)備分配和注冊一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)of_device。反過來設(shè)備驅(qū)動程序使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)of_platform_driver來注冊，of_platform平臺總線負責匹配設(shè)備和驅(qū)動程序。

1.3 FPGA網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)

1.3.1 FPGA網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的設(shè)計

Linux系統(tǒng)將設(shè)備分為三種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，字符設(shè)備和塊設(shè)備都是面向數(shù)據(jù)流的，通過/dev目錄下的設(shè)備文件來訪問，Linux系統(tǒng)中字符設(shè)備和塊設(shè)備的區(qū)別在于驅(qū)動程序和內(nèi)核之間的接口，字符設(shè)備使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations的成員函數(shù)與Linux內(nèi)核通信，而塊設(shè)備使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)block_device_operations的成員函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)接口是由內(nèi)核中的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)驅(qū)動，負責數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，因此網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序是圍繞數(shù)據(jù)包的傳輸和接收而設(shè)計的[2]。內(nèi)核主要調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)net_device_ops的成員函數(shù)來實現(xiàn)內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動之間的數(shù)據(jù)傳輸。而在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)net_device_ops中的成員函數(shù)中調(diào)用內(nèi)核提供：netif_start_queue、netif_stop_queue、netif_wake_queue、netif_rx等函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)接口必須使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)net_device來注冊，在與外界進行數(shù)據(jù)包的交換時調(diào)用，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備既響應(yīng)來自內(nèi)核的發(fā)送數(shù)據(jù)的請求，也要異步地接收來外部的數(shù)據(jù)包，并向內(nèi)核請求把從外部接收到的數(shù)據(jù)包傳送給內(nèi)核，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序還支持管理任務(wù)比如設(shè)置MAC地址、修改傳輸參數(shù)以及維護流量和錯誤統(tǒng)計等[2]。

FPGA驅(qū)動程序需要實現(xiàn)一路無線信號的收發(fā)控制，為了實現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)之間的路由轉(zhuǎn)發(fā)，因此按照網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動來設(shè)計。FPGA網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序主要包括定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備訪問方法和FPGA寄存器訪問方法，驅(qū)動模塊注冊和注銷函數(shù)，中斷處理函數(shù)。其中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備訪問方法的實現(xiàn)主要通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)net_device的成員數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針netdev_ops的成員函數(shù)來實現(xiàn)。

（1）定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。FPGA通過eLBC局部總線與MPC8536E通信，F(xiàn)PGA既是一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也是一個局部總線上的設(shè)備。FPGA網(wǎng)絡(luò)設(shè)備私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)既包含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)net_device指針，也包含設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)of_device指針，同時也要包含mii_if_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、自旋鎖、信號量、sk_buff_head數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、work_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等變量，定義如下：

2 實驗測試

2.1 點對點測試

兩臺無線系統(tǒng)平臺通過網(wǎng)絡(luò)和串口分別連接兩臺Linux系統(tǒng)的計算機，兩個無線系統(tǒng)平臺之間通過空口連接，使用iperf命令進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送測試：測試結(jié)果顯示：流量運行平穩(wěn)，都在10Mbps以上，滿足設(shè)計要求。

2.2 自組網(wǎng)測試

四臺無線系統(tǒng)平臺實現(xiàn)Ad hoc自組網(wǎng)，其中2臺無線系統(tǒng)經(jīng)過2跳進行流量測試：測試結(jié)果顯示：流量運行平穩(wěn)，都在1Mbps以上，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的FPGA驅(qū)動程序合理高效，支持一路無線信號的發(fā)射和一路無線信號的接收，實現(xiàn)了無線系統(tǒng)之間點對點進行通信，四臺無線系統(tǒng)實現(xiàn)了Ad hoc自組網(wǎng)絡(luò)。在后續(xù)的研究中，優(yōu)化FPGA網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序，支持四路無線信號的發(fā)射與接收。

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作者簡介：楊柏松（1973-），男，天津人，本科，廣電事業(yè)部嵌入式技術(shù)總監(jiān)，助理工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

作者單位：東華軟件股份公司，北京 100190