AP功能硬件组成及工作原理.docx

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AP功能硬件组成及工作原理

学习汇报（AP功能、硬件组成及工作原理）

一、AP的功能

二、AP硬件组成及工作原理

根据组网原理，安全无线局域网中主要包括以下几种实体：

STA、AP、AC和AS。

一、AP的功能

无线接入点AP是BSS的核心，也是一个具有中心控制功能的特殊站点，它能为BSS中的其他站点提供分布式系统服务（诸如通过AP对DS进行访问，与BSS中的其他站点通信，获取和维护管理信息等）。

AP只有在无线局域网采用中心式拓扑结构（Infrastructure）时才被使用。

在自组织网络（AdHoc）中，每一个网络中的节点（即终端设备）都有义务担负转发数据包的责任，各个网络节点是完全独立的，不存在逻辑上相互依赖的关系。

而在中心式的网络中，AP不但要负责把移动终端发来的信息转发到有线网络或是其管辖的无线站点，还要负责信标帧的发送，完成移动站点的认证连接过程，对发送到无线信道上的信息进行加密/解密，管理移动站点在各小区间的漫游等，并且要在无线和有线网络间进行帧格式的转换。

在

中，AP完成的主要功能表现在以下几个方面：

对小区内移动站点的管理，包括移动站点的连接、认证等的处理。

完成数据帧从有线网络到BSS的桥接过程，实现地址过滤以及地址的学习功能。

完成移动站点在不同BSS间的切换管理。

简单的网络管理功能。

实现WEP或改进的加密算法。

实现无线帧和有线帧之间的相互转换，通常是IEEE802.11帧格式和IEEE802.3帧格式间的相互转换。

二、AP硬件组成及工作原理

AP作为连接DS（通常为10/100Mbps以太网）和无线网络的桥梁，一方面要通过WLAN的无线接口与无线网络上的其他节点通信，另一方面还必须与DS中的其他节点通信因此，通常AP可以认为是一个同时具有WLAN接口和有线接口的嵌入式系统，其硬件构成如图所示。

2.1AP的逻辑组成

根据前面的分析，我们将AP划分为以下几个功能模块：

❑无线网络物理层协议接口——实现IEEE802.11中的物理层规范，提供访问无线媒体的接口。

❑加密/解密模块——对无线MAC帧进行加密和解密操作，提高网络的安全性能。

❑无线网络MAC层协议模块——实现IEEE802.11中MAC层规范定义的接入控制功能。

❑有线网络接口模块——实现IEEE802.3协议，提供访问有线以太网的接口。

❑协议转换模块——实现IEEE802.3和IEEE802.11之间的帧格式转换，完成数据在无线

❑网络和有线网络间的转发。

❑认证和密钥管理模块，实现安全接入功能。

AP的逻辑组成框图如图3-3所示。

2.2AP的工作原理

AP的软件是构建在无线网络接口和有线网络接口之间的。

当一个移动终端发来一个信息帧的时候，此帧先到达AP的无线物理层接口。

在安全无线局域网的无线接口上传递的数据帧都应首先经过加密处理，因此在信息帧被提交给无线网络MAC层协议模块之前应由解密模块对其做解密操作。

信息帧到达MAC协议模块之后，AP先判断这个帧的类型是数据帧还是管理帧。

如果是数据帧，则交给协议转换模块转换成有线网络的帧格式然后交给有线网络协议模块发向有线网络；如果是管理帧，则由MAC层协议模块及认证和密钥管理模块根据帧中所提供的信息来进行认证、连接或越区切换等操作，并且向移动终端提供反馈信息（成功或失败等）。

而对于从有线网络接口来的信息帧则直接交给协议转换模块进行处理，由协议转换模块决定是丢弃还是发往无线端。

当然，在数据交给无线物理层接口之前，加密操作也是必不可少的。

图为AP的工作示意图。

2.3嵌入式系统的特点

嵌入式计算机系统与通用型计算机系统相比具有以下特点：

❑嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式CPU与通用CPU的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。

❑嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。

这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散及不断创新的知识集成系统。

❑嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中更具有竞争力。

❑嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。

❑为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。

❑嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

2.4嵌入式系统的硬件组成

在嵌入式系统的基本结构中，应包括CPU、存储器和输入/输出三大组成部分。

◆CPU

嵌入式系统中的CPU往往是RISC（简约指令集计算机）结构的，采用流水线技术，带有高速缓存，一般都不采用微程序。

与CISC（复杂指令集计算机）结构相比，在同样的集成规模下，RISC的CPU内核在芯片上占的面积要小的多，这样就可以将一些外围模块集成在同一块芯片上。

同时，RISC结构也有利于减小芯片的尺寸和功耗。

对于嵌入式系统，这些都是很有意义的。

而且，由于结构简单，RISC芯片的开发成本和生产成本也比CISC芯片低，对于一些特殊用途的专用芯片，这无疑也是很重要的。

最后，对于实时应用，RISC指令具有均匀划一并且较小的执行长度，因此有利于中断延迟的可预测性，并且还有利于缩短中断延迟。

在嵌入式系统中，倾向于采用分别用于程序和数据的两个存储器、两条总线的系统结构，称为“哈佛结构（HarvardArchitecture）”。

在哈佛结构中，即使数据总线（数据内存）被占用，CPU也能继续从程序内存中取指令并加以执行，这就可以在CPU操作和外设的DMA操作之间引入某种并行度，从而提高系统的效率。

另外，使用哈佛结构还可以保证流水线工作的连续性。

一般而言，嵌入式系统中采用的CPU可以分成四类：

1、微控制器或SoC，这是最为典型的。

常用的有基于PowerPC（PowerPC是一种RISC架构的CPU，其基本的设计源自IBM的POWER（PerformanceOptimizedWithEnhancedRISC的缩写）架构。

内核的芯片，基于ARM（ARM（AdvancedRISCMachines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC（精简指令集计算机）处理器、相关技术及软件。

技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。

内核的芯片，还有各种基于SPARC和MIPS内核的微控制器芯片。

这些内核大都是RISC的，不过也有CISC的芯片，如传统的Intel8051等。

2、由内核或类似内核构成的、体积和功耗都比较小的RISC微处理器芯片。

3、流行的CISC结构CPU芯片的“移动版”，这些芯片本来是用于笔记本电脑的，体积和功耗都比较小，所以也常用于嵌入式系统。

4、普通的CPU芯片。

此类CPU有CISC的，如Pentium，也有RISC的，如PowerPC。

◆存储器

由于嵌入式系统一般都不采用磁盘，其操作系统和应用软件的映象以及必要的数据都必须存储在某种“不挥发”（即断电后内容不会丢失）的内存中。

所以，与通用计算机相比，嵌入式系统往往配备更多的不挥发存储器。

近代基于半导体技术的不挥发存储器都是只读或接近于只读的，所以一般泛称为“只读存储器”，即ROM，其中主要有掩膜式ROM、可编程ROM（PROM）、可擦除ROM（EPROM）和闪存（FlashMemory）。

在现有的技术条件下，闪存是最理想的不挥发存储器，可以对它在正常的工作电压和电流下进行擦除和重写（但是对闪存的写入比读出要慢的多），这样就可以实现在线软件更新。

另外，近年来闪存芯片的容量增长很快而价格则大幅下降。

所以，现在的嵌入式系统中一般都采用闪存。

由于迄今为止的不挥发存储器要么不能在线写入，或者写入的速度很慢、很麻烦，因而系统中还必须有RAM，即“随即存取存储器”。

按工作机理的不同，RAM存储器可以分为两种。

一种是常规的“动态”RAM，即DRAM，对DRAM必须动态的、周期性的加以刷新。

另一种是“静态RAM”，即SRAM，SRAM不需要刷新，速度也比较快，但价格比较昂贵。

另外，由于嵌入式系统中一般没有磁盘，需要常规意义上的文件系统时就得以RAM为载体建立文件系统。

RAMDisk是一种常用的实现基于RAM的文件系统的技术，可以用一块RAM空间来模拟一个逻辑磁盘，并在此基础上利用原来以磁盘为载体的文件系统的高层代码。

◆外围芯片与总线接口

严格说来，嵌入式系统中使用的外围芯片都是有针对性的，是面向特定应用或特定行业的，但大致上还是可以分成两种。

一种是比较通用的芯片，例如常用的A/D、D/A转换芯片，Ethernet网络接口芯片等等。

另一种则是特制的、专用的芯片。

专用外围芯片一般都是一些专为特定应用而开发和生产的专用集成电路，即ASIC（专用集成电路），其中又可分为掩膜式ASIC、可编程逻辑器件PLD、现场可编程门阵列FPGA等。

根据具体应用和规模的不同，有些嵌入式系统需要采用外设总线，有些则不需要。

一般而言，PCI总线是目前采用最多的外设总线，但是在嵌入式系统中采用的大多是一种变形的、经过改进的PCI总线，称为紧凑PCI总线，缩写为cPCI。

这种总线主要是为需要在工业环境下长期不断运行的设备而设计的，有其自己的标准。

在逻辑上，cPCI总线是PCI总线的扩充，其基本部分与PCI总线是一致的，为PCI总线开发的驱动程序不加修改就可用于cPCI总线。

二者的不同之处主要在物理上。

另一种常用的外设总线称为CardBus，就是笔记本电脑上用于Modem卡等外设的插槽。

插在CardBus上的接口卡通称为PCMCIA卡，所以这种总线又称为PCMCIA总线。

2.5嵌入式操作系统

用于嵌入式计算机的操作系统称为嵌入式操作系统。

与常规操作系统相比，嵌入式操作系统有以下的特点：

对嵌入式操作系统常常有实时要求；许多嵌入式操作系统是微内核结构的；许多嵌入式操作系统不采用存储管理技术，甚至不划分系统空间和用户空间；可移植性十分重要。

从商业的角度看，嵌入式操作系统可以分为两种：

商用嵌入式操作系统和公开源码的嵌入式操作系统。

以下介绍几种有代表性的嵌入式操作系统。

◆VxWorks

美国WindRiver公司的产品。

这是一个典型的嵌入式操作系统，所有进程的代码与内核的代码静态的连接在一起（也可以动态装入），并且在同一个空间中运行。

其主要特点有：

可剥夺进程调度；基本上为不带存储器管理部件的处理器设计；对网络支持相当全面；“微内核加静态库”的结构；富有特色的人机界面。

◆QNX

加拿大QNXSoftwareSystem公司的产品。

这是一个典型的类似于MACH的微内核操作系统，采用“微内核加服务进程”的结构，除内核外还包括进程管理进程、文件系统管理进程、设备管理进程和网络管理进程。

◆PSOS

原来是美国IntegratedSystem公司的产品，后来该公司被WindRiver公司收购。

从结构上看，这是一个比较接近一体化内核的微内核。

◆WindowsCE

Microsoft推出的微内核结构的操作系统。

主要特点有：

采用页式存储管理，并且采用页面换入技术；进程调度是基于优先级的可剥夺调度；不支持嵌套中断；图形用户界面；可以方便的移植Windows操作系统上的应用软件。

◆μC/OS

最小的操作系统内核之一，主要用ANSIC语言编写，源代码有逐行注释，可读性好，并且稳定性和可靠性有保障。

◆Mach

由卡耐基梅隆大学研制的微内核操作系统，源代码公开并在很长一段时间里对后来的微内核操作系统有着重要的影响。

◆RTLinux

一个特殊的Linux变种。

其研制者们开发了一个很小的微内核，然后把整个Linux操作系统作为这个微内核上运行的一个进程，而原来就在Linux上运行的进程则变成这个大进程内部的二级进程。

在实际的应用中，实时性要求很高的进程直接在微内核上运行，并且有着比Linux更高的优先级。

在RTLinux的影响下，又出现了一些类似但有所不同（一定程度上是为了避开专利）的变种，主要有RTAI、ADEOS等。

在后面的章节中，我们也将对RTAI做一些讨论。

MPC860处理器是Motorola推出的PowerQUICCTM家族中被广泛使用的一款通讯处理器。

它采用嵌入式处理器内核和通信处理器模块（CPM）的双处理器结构，内部集成了微处理器和一些控制领域的常用外围组件，特别适用于通信产品。

通信处理模块支持四个串行通信控制器（SCC,SerialCommunicationController），而实际上它有八个串行通道：

四个SCC，两个串行管理控制器（SMC,SerialManagementChannels）、一个串行外围接口电路（SPI,SerialPeripheralInterface）和一个I2C（Inter-IntegratedCircuit）接口。

由于CPM分担了嵌入式PowerPC核的外围工作任务，这种双处理器体系结构功耗要低于传统结构的处理器。