分組無線網（PRN） 分組無線網絡控制單元（PRU）

分組無線網（PRN）是一種新型的無線通信網絡，是利用分組交換技術共享無線信道的數字通信網絡。它采用先進的網絡通信協議、動態的網絡拓撲組織，使網絡具有信道利用率高、組建方便和多跳轉換覆蓋面廣等特點。分組無線網與一般計算機通信網、廣域分級無線網和傳統的局域網相比，具有機動靈活、組網迅速和抗毀能力強等特點。分組無線網絡控制單元（PRU）是分組無線網中的核心設備，它與計算機（數據終端）相連接，進行收發數據交換。計算機可以向PRU發送網絡控制命令，也可以設置或查看設備與網絡的狀態。傳統的方法是采用RS-232口進行通信，傳輸速度十分有限，難以對高速、批量的數據進行快速響應，這使分組無線網的發展受到了限制。隨著通用串行總線（Universal Serial Bus）技術的不斷完善，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網互聯時的大量數據

高速傳送奠定了基礎。

1、USB接口的特點

USB（Universal Serial Bus）即“通用串行總線”，是一種應用在PC領域的表型總線接口技術，由Intel、Microsoft、NEC等公司共同提出。這是一種新規格的外接串聯口，提出該規格的廠商希望用USB來取代現有的外接設備接口，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備，所以外設都在機箱外連接，允許外設熱插拔。USB智能能識別USB鏈上外圍設備的接入或拆卸。在軟件方面，為USB設備的驅動程序可以自啟動，無需用戶干預，USB設備能真正做到“即插即用”。

（2）速度更快。USB接口的數據傳輸速度有全速（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接口提供了內置電源，采用總線供電的USB設備可獲得5V電壓和最大500mA的電流。這對一些耗電較小的設備非常有利，可以省去相對龐大的電源系統。

基于以上特點，尤其是速度方面的顯著優勢，USB得到了越來越廣泛的應用。現在，大多數新PC都裝備有兩個USB端口，并且已經在PC機的多種外設上得到應用。

2、USB工作原理

2.1 USB通信模塊分層結構

USB通信模塊的基本流圖如圖1所示。

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

2.2 數據傳輸方式

數據通過USB在主機與設備之間傳送。USB規范極據不同數據的特點規定了USB支持的四種數據傳輸方式：

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

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

（3）中斷傳輸方式。該方式傳送的數據數量很小，但這些數據需要及時算是，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據。通常打印機、掃描儀和數字相機以這種方式與主機聯接。

USB設備的各個端點可以在設備開發時根據需要設置為相應的傳輸方式。分組無線網絡控制單元（PRU）與計算機之間的通信要求大量數據的無差錯傳輸，對時間間隔沒有嚴格要求，所以選用批傳輸方式。

3、USB接口技術在分組無線網絡控制單元（PRU）上的應用

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接口產品有兩種：一種是集成了USB接口的單片機，采用它開發成本較高；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了PRU的USB接口。

3.1 接口芯片USBN9602

USBN9602是一個集成的USB節點控制器，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電壓調節器的USB收發器、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）支持命令控制端點EP0，其余六個單向的FIFO支持中斷、等時和批方式的數據傳輸。8位并行接口支持復用和非復用方式的CPU數據/地址總線。可編程中斷輸出設置允許設備根據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（包結尾）檢測電路，它可以根據總線通信協議判斷出一個包的結束；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，USBN9602的6個單向FIFO分別為4個32字節和2個64字節。

3.2 PRU和USB接口設計

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）設備。如果D-被上拉，則設置為低速（1.5Mbps）設備。

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置MODE0和MODE1兩引腳的電平高低來實現。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。該方式下的數據傳輸用到了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/數據總線AD［7:0］。引腳RD、WR和ALE分別與8051上相應的引腳相連，片片信號CS由8051輸出的高8位地址經過解碼器產生。當ALE為高電平時，AD［7:0］上的地址信號被鎖存到USBN9602內的地址寄存器中，再當RD或WR有效時，數據被讀出或者寫入。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讀寫外部數據寄存器的時序相同，因此可以把USBN9602中需要讀寫的寄存器當作普通的外部數據寄存器來對待，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的中斷輸出也應通過編程設置為低有效。

3.3 PRU的USB接口程序設計

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，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的網絡控制程序中的。

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設置缺省地址，這是由于USB規范規定設備在總線為其分配地址之間要以0作為缺省地址；④設置中斷屏蔽，在USBN9602中各個端點的發送數據、接收數據和發送NAK握手包等事件可能產生中斷；設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據，并且在初始化中該事件被允許中斷，則USBN9602就會向單片機發出中斷信號，單片機會在中斷句柄中處理這些數據。中斷句柄中處理了端點0對以控制方式傳輸的命令的接收與響應和各個端點數據的發送與接收等事件，其中那些以控制方式傳輸的命令包括清除特征（CLEAR-FEATURE）、設置特征（SET-FEA-TURE）、讀取配置（GET-CONFIGURATION）、設置配置（SET-CONFIGURATION）、讀取描述符（GET-DESCRIP-TOR）、讀取狀態（GET-STATUS）和設置地址（SET-AD-DRESS）。通過這些命令主機可以了解或改變設備的工作狀態。描述符包括設備描述符和配置描述符，USB規范給出了它們的格式工，想要計算機正確識別設備并安裝驅動程序，這些描述符必須根據具體設備的情況填寫。

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行最頻繁也是最重要的操作。在程序中這兩個操作表現為子函數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據寄存器來對待，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已經成為一個USB設備，能夠被計算機正確識別。要使這個USB設備正常工作，實現它與計算機的通信，還要為該設備編寫驅動程序。USB的驅動程序屬于WDM型。WDM（Windows Driver Model），即Windows驅動程序模型，是Microsoft力推的全新驅動程序模式，旨在通過提供一種靈活的方式來簡化驅動程序的開發，在實際對新硬件支持的基礎上減少并降低所必須開發的驅動程序的數據數量和復雜性。開發工具可以選擇DDK（Driver Development Kits）。

責任編輯：gt