采用USB接口解決分組無線網(wǎng)傳輸速度的受限問題

分組無線網(wǎng)（PRN） 分組無線網(wǎng)絡(luò)控制單元（PRU）

分組無線網(wǎng)（PRN）是一種新型的無線通信網(wǎng)絡(luò)，是利用分組交換技術(shù)共享無線信道的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。它采用先進的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓撲組織，使網(wǎng)絡(luò)具有信道利用率高、組建方便和多跳轉(zhuǎn)換覆蓋面廣等特點。分組無線網(wǎng)與一般計算機通信網(wǎng)、廣域分級無線網(wǎng)和傳統(tǒng)的局域網(wǎng)相比，具有機動靈活、組網(wǎng)迅速和抗毀能力強等特點。分組無線網(wǎng)絡(luò)控制單元（PRU）是分組無線網(wǎng)中的核心設(shè)備，它與計算機（數(shù)據(jù)終端）相連接，進行收發(fā)數(shù)據(jù)交換。計算機可以向PRU發(fā)送網(wǎng)絡(luò)控制命令，也可以設(shè)置或查看設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。傳統(tǒng)的方法是采用RS-232口進行通信，傳輸速度十分有限，難以對高速、批量的數(shù)據(jù)進行快速響應(yīng)，這使分組無線網(wǎng)的發(fā)展受到了限制。隨著通用串行總線（Universal Serial Bus）技術(shù)的不斷完善，使得在計算機與PRU之間建立高速且通暢的通信線路成為可能。采用USB接口來替換RS-232接口，從而使上述問題得以有效解決，并為以后PRN與IP網(wǎng)互聯(lián)時的大量數(shù)據(jù)

高速傳送奠定了基礎(chǔ)。

1、USB接口的特點

USB（Universal Serial Bus）即“通用串行總線”，是一種應(yīng)用在PC領(lǐng)域的表型總線接口技術(shù)，由Intel、Microsoft、NEC等公司共同提出。這是一種新規(guī)格的外接串聯(lián)口，提出該規(guī)格的廠商希望用USB來取代現(xiàn)有的外接設(shè)備接口，它還具備連接單一化、軟件自動偵測以及熱插拔的功能，即插即用。它具有以下特點：

（1）使用方便。使用USB接口可以連接多個不同的設(shè)備，所以外設(shè)都在機箱外連接，允許外設(shè)熱插拔。USB智能能識別USB鏈上外圍設(shè)備的接入或拆卸。在軟件方面，為USB設(shè)備的驅(qū)動程序可以自啟動，無需用戶干預，USB設(shè)備能真正做到“即插即用”。

（2）速度更快。USB接口的數(shù)據(jù)傳輸速度有全速（12Mbps）和低速（1.5Mbps）兩種，在最新版本的標準USB2.0中定義的接口傳輸速率已達480Mbps。

（3）獨立供電。USB接口提供了內(nèi)置電源，采用總線供電的USB設(shè)備可獲得5V電壓和最大500mA的電流。這對一些耗電較小的設(shè)備非常有利，可以省去相對龐大的電源系統(tǒng)。

基于以上特點，尤其是速度方面的顯著優(yōu)勢，USB得到了越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，大多數(shù)新PC都裝備有兩個USB端口，并且已經(jīng)在PC機的多種外設(shè)上得到應(yīng)用。

2、USB工作原理

2.1 USB通信模塊分層結(jié)構(gòu)

USB通信模塊的基本流圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，主機到設(shè)備的連接由多層鏈接組成。USB總線接口層提供了主機與設(shè)備之間物理/信令/包的連接；系統(tǒng)軟件基于USB設(shè)備層來完成對設(shè)備的一般操作；功能層通過相應(yīng)的客戶軟件向主機提供一些附加功能。USB設(shè)備層和功能層各自的內(nèi)部通信是邏輯上的，它們實際的物理通信都是通過USB總線接口層完成的。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

數(shù)據(jù)通過USB在主機與設(shè)備之間傳送。USB規(guī)范極據(jù)不同數(shù)據(jù)的特點規(guī)定了USB支持的四種數(shù)據(jù)傳輸方式：

（1）控制傳輸方式。該方式用來進行外設(shè)與主機之間的控制、狀態(tài)、配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機之間提供一個控制通道。每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機PC與外設(shè)之間就可以傳送配置和命令/狀態(tài)信息。

（2）等時傳輸方式。該方式用來連接需要連續(xù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，且對數(shù)據(jù)的正確性要求不高而對時間極為敏感的外部設(shè)備，如麥克風、電話等。以固定的傳輸速率，連續(xù)不斷地在主機與USB之間傳輸數(shù)據(jù)。在傳送數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時，USB并不處理這些錯誤，而是繼續(xù)傳送新的數(shù)據(jù)。

（3）中斷傳輸方式。該方式傳送的數(shù)據(jù)數(shù)量很小，但這些數(shù)據(jù)需要及時算是，以達到實時效果。此方式主要用在鍵盤、鼠標以及操縱桿等設(shè)備上。

（4）批傳輸方式。該方式用于傳輸要求正確無誤但無帶寬和時間要求的數(shù)據(jù)。通常打印機、掃描儀和數(shù)字相機以這種方式與主機聯(lián)接。

USB設(shè)備的各個端點可以在設(shè)備開發(fā)時根據(jù)需要設(shè)置為相應(yīng)的傳輸方式。分組無線網(wǎng)絡(luò)控制單元（PRU）與計算機之間的通信要求大量數(shù)據(jù)的無差錯傳輸，對時間間隔沒有嚴格要求，所以選用批傳輸方式。

3、USB接口技術(shù)在分組無線網(wǎng)絡(luò)控制單元（PRU）上的應(yīng)用

為了將PRU與計算機通過USB連接，需要為PRU添加一個USB接口。目前可選用的USB接口產(chǎn)品有兩種：一種是集成了USB接口的單片機，采用它開發(fā)成本較高；另一種是不帶單片機的USB接口芯片。筆者選用NATIONAL SEMICONDUCTOR公司的USB接口芯片USBN9602，結(jié)合PRU本身的8051單片機，采用8051的編程語言編寫接口程序，成功而又方便地實現(xiàn)了PRU的USB接口。

3.1 接口芯片USBN9602

USBN9602是一個集成的USB節(jié)點控制器，它支持USB標準的1.0和1.1版本。在這個芯片上集成了帶有3.3V電壓調(diào)節(jié)器的USB收發(fā)器、串行接口引擎（SIE）、USB端點FIFO、多功能8位并行接口、MICROWIRE/PLUS接口和一個可編程的時鐘發(fā)生器。共有7個FIFO寄存器支持不同的USB消息：一個雙向的FIFO（8字節(jié)）支持命令控制端點EP0，其余六個單向的FIFO支持中斷、等時和批方式的數(shù)據(jù)傳輸。8位并行接口支持復用和非復用方式的CPU數(shù)據(jù)/地址總線?？删幊讨袛噍敵鲈O(shè)置允許設(shè)備根據(jù)不同中斷信號的需要進行配置。串行接口引擎包含了物理層接口（PHY）和媒體接入控制器（MAC）。其中物理層接口包括了一個EOP（包結(jié)尾）檢測電路，它可以根據(jù)總線通信協(xié)議判斷出一個包的結(jié)束；媒體接放控制器用來完成包格式化、CRC校驗碼的生成和檢測、端點地址檢測等功能，而且還為發(fā)送NAK、ACK、STALL等握手包提供必要的控制。

同時NATIONAL SEMICONDUCTOR公司還提供了USBN9603和USBN9604兩種芯片可供選擇。這兩種芯片除了時鐘產(chǎn)生電路的復位機制有所不同外，其他部分完全相同。而這個區(qū)別使得它們分別適用于不同的供電方式：自供電（self-powered）和總線供電（bus-powered）。USBN9603/4比USBN9602在功能方面更加完善，它們的主要區(qū)別有兩點：①USBN9603/4的晶體振蕩頻率為24MHz，USBN9602為48MHz；②USBN9603/4的6個單向FIFO均為64字節(jié)，USBN9602的6個單向FIFO分別為4個32字節(jié)和2個64字節(jié)。

3.2 PRU和USB接口設(shè)計

USB接口電路圖如圖2所示。

圖2中USBN9602上的引腳D+通過上拉電阻接在3.3V電壓上，這樣就選定為全速（12Mbps）設(shè)備。如果D-被上拉，則設(shè)置為低速（1.5Mbps）設(shè)備。

單片機可以通過8位并行接口AD［7:0］或MICROWIRE接口與USBN9602連接。對于并行接口，有兩種模式可供選擇：復用方式和非復用方式。這兩種方式的選擇通過設(shè)置MODE0和MODE1兩引腳的電平高低來實現(xiàn)。這里使用復用方式連接USBN9602和8051單片機。選擇該方式時，MODE0和MODE1分別接高電平和低電平。該方式下的數(shù)據(jù)傳輸用到了USBN9602上的控制引腳RD、WR、片選信號CS、地址鎖存使能信號ALE和雙向的地址/數(shù)據(jù)總線AD［7:0］。引腳RD、WR和ALE分別與8051上相應(yīng)的引腳相連，片片信號CS由8051輸出的高8位地址經(jīng)過解碼器產(chǎn)生。當ALE為高電平時，AD［7:0］上的地址信號被鎖存到USBN9602內(nèi)的地址寄存器中，再當RD或WR有效時，數(shù)據(jù)被讀出或者寫入。通過這種方式，USBN9602中的任何一個寄存器都可以被直接訪問。由于這種讀寫時序與8051讀寫外部數(shù)據(jù)寄存器的時序相同，因此可以把USBN9602中需要讀寫的寄存器當作普通的外部數(shù)據(jù)寄存器來對待，在接口程序中直接用MOVX指令來進行操作。

另外USBN9602還提供了一個中斷輸出，它用來引起單片機的中斷。中斷方式可以通過編程設(shè)置，將這個中斷輸出引腳直接與8051單片機上的外部中斷引腳INT1相連。由于8051的餐部中斷輸入為低有效，所以USBN9602的中斷輸出也應(yīng)通過編程設(shè)置為低有效。

3.3 PRU的USB接口程序設(shè)計

USB接口的程序包括三個基本的部分：①初始化，這部分程序用來對單片機和所有外圍電路進行初始化；②主循環(huán)，它可以被中斷；③中斷句柄，對中斷進行處理，并且對時間敏感。這幾部分均是嵌入在PRU的網(wǎng)絡(luò)控制程序中的。

初始化程序中包含對USBN9602的初始化。①進行軟件復位，它不影響時鐘輸出，相當于一個硬件復位；②設(shè)置中斷方式，這一步驟確定了中斷輸出是高有效還是低有效；③設(shè)置缺省地址，這是由于USB規(guī)范規(guī)定設(shè)備在總線為其分配地址之間要以0作為缺省地址；④設(shè)置中斷屏蔽，在USBN9602中各個端點的發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送NAK握手包等事件可能產(chǎn)生中斷；設(shè)置中斷屏蔽這個步驟確定了哪一個端點的哪一種事件能夠產(chǎn)生中斷。

單片機通過中斷的方式來處理USB接口上的各個事件，處理過程是在中斷句柄中完成的。當某個端點接收到數(shù)據(jù)，并且在初始化中該事件被允許中斷，則USBN9602就會向單片機發(fā)出中斷信號，單片機會在中斷句柄中處理這些數(shù)據(jù)。中斷句柄中處理了端點0對以控制方式傳輸?shù)拿畹慕邮张c響應(yīng)和各個端點數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收等事件，其中那些以控制方式傳輸?shù)拿畎ㄇ宄卣鳎–LEAR-FEATURE）、設(shè)置特征（SET-FEA-TURE）、讀取配置（GET-CONFIGURATION）、設(shè)置配置（SET-CONFIGURATION）、讀取描述符（GET-DESCRIP-TOR）、讀取狀態(tài)（GET-STATUS）和設(shè)置地址（SET-AD-DRESS）。通過這些命令主機可以了解或改變設(shè)備的工作狀態(tài)。描述符包括設(shè)備描述符和配置描述符，USB規(guī)范給出了它們的格式工，想要計算機正確識別設(shè)備并安裝驅(qū)動程序，這些描述符必須根據(jù)具體設(shè)備的情況填寫。

以上各步驟中USBN9602與單片機的通信是通過單片機在USBN9602的寄存器中進行讀和寫來完成的，因此對USBN9602的讀和寫是單片機執(zhí)行最頻繁也是最重要的操作。在程序中這兩個操作表現(xiàn)為子函數(shù)read_usb和write_usb。USBN9602共有64個可讀或可寫的寄存器，它們同時擁有一個高8位地址，又各自擁有一個低8位地址（00～3F）。由于前面所提到可以把USBN9602中需要讀寫的寄存器當作普通的外部數(shù)據(jù)寄存器來對待，所以只需給定高8位地址和要讀寫的寄存器對應(yīng)的低8位地址，就可以直接用MOVX指令來完成這兩項操作。

這時的PRU已經(jīng)成為一個USB設(shè)備，能夠被計算機正確識別。要使這個USB設(shè)備正常工作，實現(xiàn)它與計算機的通信，還要為該設(shè)備編寫驅(qū)動程序。USB的驅(qū)動程序?qū)儆赪DM型。WDM（Windows Driver Model），即Windows驅(qū)動程序模型，是Microsoft力推的全新驅(qū)動程序模式，旨在通過提供一種靈活的方式來簡化驅(qū)動程序的開發(fā)，在實際對新硬件支持的基礎(chǔ)上減少并降低所必須開發(fā)的驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)數(shù)量和復雜性。開發(fā)工具可以選擇DDK（Driver Development Kits）。