基于ARM的IEEE802.11bMAC層協(xié)議IP核設(shè)計

摘要：介紹了IEEE 802.11b MAC層協(xié)議IP核設(shè)計，提出了基于32位微處理器ARM7DMI的系統(tǒng)設(shè)計方案，闡述了系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計、結(jié)構(gòu)及主要模塊單元的功能；給出了利用形式描述語言SDL進(jìn)行MAC層協(xié)議設(shè)計開發(fā)的完整設(shè)計流程；闡述了軟件的層次結(jié)構(gòu)，并針對設(shè)計中遇到的代碼生成器的選擇、設(shè)計優(yōu)化、與實時操作系統(tǒng)（RTOS）的集成和環(huán)境函數(shù)編寫等問題進(jìn)行了深入討論。
　　關(guān)鍵詞：ARM 802.11, IP
　　目前各種協(xié)議的設(shè)計實現(xiàn)，大多數(shù)是基于微處理器、微控制器或DSP的嵌入式系統(tǒng)。ARM是ARM公司推出的高性能32位RISC微處理器，具有業(yè)界領(lǐng)先的體系結(jié)構(gòu)，被廣泛6應(yīng)用于各種系統(tǒng)設(shè)計中。基于ARM的開發(fā)通常使用C、C++或匯編語言。筆者采用了更高級的形式語言SCL，大大縮短了協(xié)議的開發(fā)周期并提高了設(shè)計的可移植性。無線局域網(wǎng)是目前通信領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)，無線局域網(wǎng)的協(xié)議是非常典型的協(xié)議。
　　本文將詳細(xì)討論使用SDL進(jìn)行無線局域網(wǎng)802.11b MAC層協(xié)議的設(shè)計以及基于微處理器ARM7TDMI的系統(tǒng)實現(xiàn)方案。
　　其設(shè)計方法具有普遍意義。
　　1 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計及功能描述整個系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計主要分MAC層和物理層兩部分。硬件平臺的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中MAC層部分主要圍繞32位微處理器ARM7TDMI和AMBA總線設(shè)計，其主要的單元模塊和功能如下：
　　PCMCIA接口，此接口為硬件平臺和主機(jī)的通信接口。其設(shè)計遵循PC Card標(biāo)準(zhǔn)（版本5）。
　　WEP算法加解密模塊，此模塊用硬件實現(xiàn)IEEE 802.11b MAC層協(xié)議定義的有線網(wǎng)等效加/解密算法。
　　物理層數(shù)據(jù)接口，此接口用于完成物理層與MAC的數(shù)據(jù)交互操作，內(nèi)部設(shè)計有發(fā)關(guān)和接收FIFO，用來完成數(shù)據(jù)的接收發(fā)送緩存。
　　物理層控制接口，此接口用于完成MAC層對物理層的控制功能。例如無數(shù)據(jù)收發(fā)時，可以通過此接口控制物理層部分轉(zhuǎn)入節(jié)能狀態(tài)。
　　存儲器管理模塊，此模塊用于實現(xiàn)對系統(tǒng)所有存儲器（如FLASH、ROM、RAM）的管理，處理器通過此模塊對存儲器進(jìn)行訪問。
　　中斷控制邏輯，此模塊用于對系統(tǒng)中各模塊產(chǎn)生的中斷信號進(jìn)行控制和管理。　　微處理器單元ARM7TDMI，用于完成與主機(jī)的通信，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和管理。

　　物理層部分的設(shè)計主要分為四個單元：
　　基帶處理單元，主要用于完成基帶信號的處理操作，如Rake接收、均衡、數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等。
　　中頻處理單元，主要用于完成信號的調(diào)制解調(diào)處理。
　　混頻處理單元，主要用于完成射頻中頻的變頻處理。
　　射頻處理單元，主要完成射頻信號的功率放大功能。
　　MAC層的主要模塊單元（外部存儲器單元除外）用Verilog硬件描述語言設(shè)計并用Xilinx的FPGA Vertex II xc2v3000編程實現(xiàn)。物理層部分則主要用Intersil公司的PRISM芯片組及少量外圍電路設(shè)計實現(xiàn)。
　　2 SDL及軟件開發(fā)平臺SDL是一種層次化的描述語言，采用結(jié)構(gòu)化和自頂向下的設(shè)計原則，把系統(tǒng)規(guī)范分為系統(tǒng)、塊、子塊、進(jìn)程、服務(wù)和過程幾個層次進(jìn)行描述。系統(tǒng)、塊和子塊是靜態(tài)描述，用于描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；進(jìn)程、服務(wù)和過程是動態(tài)描述，用于描述系統(tǒng)的行為。SDL的理論模型是通信擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)，每個進(jìn)程都是一個通信擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)。SDL與常用的高級語音有很好的接口，如可以從SDL描述的系統(tǒng)規(guī)范直接導(dǎo)出C、CHILL甚至VHDL語言，以嵌入式系統(tǒng)和軟硬件混合系統(tǒng)實現(xiàn)；在進(jìn)行規(guī)范定義時，SDL又允許嵌入高級語言，如C/C++語音、義等。因而可以在多個層次上對系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的規(guī)范和描述。因為SDL的上述特性，目前已被越來越多地用于協(xié)議軟件的開發(fā)實現(xiàn)。本文選用Telelogic公司的SDT4.3和ARM公司的ADS1.2作為主要的軟件開發(fā)工具。使用SDT進(jìn)行協(xié)議軟件的開發(fā)步驟如圖2所示。
　　在系統(tǒng)行為定義階段，要特別注意代碼生成器對SDL設(shè)計的結(jié)束，例如對于C advanced生成器不支持信道子結(jié)構(gòu)、信號細(xì)化等；對于C micro生成器不支持連續(xù)信號、服務(wù)、優(yōu)先輸入/輸出等。在系統(tǒng)行為分析仿真調(diào)試階段，使用C basic/C advanced代碼生成器產(chǎn)生系統(tǒng)代碼，與SDT提供的仿真內(nèi)核一起編譯連接，得到系統(tǒng)行為的仿真醋，然后可以使用text、SDL、MSC等多種跟蹤方式進(jìn)行仿真調(diào)試。在系統(tǒng)行為驗證時，使用相同的代碼只不編譯連接時加入SDT提供的驗證內(nèi)核，可得到系統(tǒng)行為的驗證模型，可以使用自動狀態(tài)空間遍歷、覆蓋率分析等方式進(jìn)行系統(tǒng)行為的驗證。仿真和驗證都無環(huán)境函數(shù)，由仿真器和驗證器充當(dāng)系統(tǒng)的環(huán)境，產(chǎn)生和接收與系統(tǒng)交互的信號。在系統(tǒng)行為經(jīng)仿真驗證正確后，可以應(yīng)用C advanced/C micro生成器產(chǎn)生面向應(yīng)用的系統(tǒng)代碼和環(huán)境函數(shù)。應(yīng)用SDT生成的代碼經(jīng)過適當(dāng)修改和處理后可以輸入ARM開發(fā)工具ADS，進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，其方法和設(shè)計流程詳見后。
　　3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計和開發(fā)系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為三部分：協(xié)議軟件、驅(qū)動軟件和接口軟件。其中協(xié)議軟件部分主要用于實現(xiàn)IEEE 802.11bMAC層協(xié)議定義的各種服務(wù)（如授權(quán)、關(guān)聯(lián)等）和算法（如DCF、PCF、時鐘同步算法等）。這一部分軟件采用圖2所示的設(shè)計流程，完全使用形式描述語言SDL進(jìn)行設(shè)計實現(xiàn)，并使用SDT的代碼生成器將SDL的系統(tǒng)描述換成面向應(yīng)用的C/C++代碼。驅(qū)動軟件部分主要用于實現(xiàn)對硬件設(shè)備的驅(qū)動功能。如PCMCIA接口驅(qū)動，這一部分軟件用C/C++語言進(jìn)行設(shè)計實現(xiàn)。接口軟件部分主要完成SDL轉(zhuǎn)換出的系統(tǒng)代碼與RTOS及硬件平臺的接口功能。這一部分軟件借用于代碼生成器產(chǎn)生的環(huán)境函數(shù)，用C/C++語言設(shè)計實現(xiàn)。軟件部分的層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。
　　4 與ADS接口及軟件后端開發(fā)從SDL轉(zhuǎn)化出C/C++代碼后，可使用ARM的開發(fā)工具ADS進(jìn)行后續(xù)的軟件開發(fā)。其與SDT工具的接口及開發(fā)流程如圖4所示。由SDL描述轉(zhuǎn)換出的C/C++代碼，與環(huán)境函數(shù)、Runtime庫以及C/C++庫一起用ARM的編譯器編譯，產(chǎn)生面向ARM的可執(zhí)行程序。其中，環(huán)境函數(shù)主要用描述系統(tǒng)運(yùn)行的具體物理環(huán)境。由SDT工具根據(jù)用戶所作的系統(tǒng)描述自動生成一個結(jié)構(gòu)框架，然后用戶根據(jù)的采用的具體硬件平臺環(huán)境編輯這個文件，以描述真實的系統(tǒng)工作環(huán)境。Runtime庫主要包含SDL預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型、操作符的實現(xiàn)、調(diào)度函數(shù)、運(yùn)行錯誤處理等信息。SDT工具提供簡單的Runtime庫。C advanced/C micro代碼生成器都有各自對應(yīng)的Runtime庫。C/C++庫是ADS本身攜帶的函數(shù)庫，主要包含ISO標(biāo)準(zhǔn)定義的C/C++庫函數(shù)。在使用ARM編譯器編譯后，產(chǎn)生ARM的目標(biāo)文件（.o文件）。如果還有用ARM匯編指令編寫的匯編程序，可用匯編器（armasm）匯編，產(chǎn)生相應(yīng)的目標(biāo)文件。把所有的目標(biāo)文件用鏈接器（armlink）鏈接，便可得到能在ARM7TDMI處理器上執(zhí)行的映像文件（.aof文件）。這時可以用ADS提供的調(diào)試工具AXD進(jìn)行程序的調(diào)試。因為SDL的系統(tǒng)設(shè)計在高層進(jìn)行了仿真和驗證，所以調(diào)試的主要工作集中在驅(qū)動、中斷和環(huán)境函數(shù)的調(diào)試上。對SDL系統(tǒng)的調(diào)度主要是通過仿真確定對系統(tǒng)性能影響嚴(yán)重的模塊并對其進(jìn)行優(yōu)化以及系統(tǒng)在實時運(yùn)行狀態(tài)下能否滿足設(shè)計要求。如果在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題需要修改SDL的系統(tǒng)設(shè)計，可重新執(zhí)行如圖4所示的流程，直到滿足設(shè)計要求。

　　5 問題及分析
　　（1）代碼生成器的選擇問題。SDT提供三種代碼生成器，即C basic、C advanced和C micro。其中C basic是最簡單的代碼產(chǎn)生器，一般只用于在SDT開發(fā)環(huán)境中仿真系統(tǒng)的行為。C advanced和C Micro是面向應(yīng)用的代碼產(chǎn)生器，可以產(chǎn)生高效的代碼。C advanced支持幾乎所有的SDL概念，對SDL設(shè)計的約束較少。C micro可以產(chǎn)生性能更優(yōu)越、占用存儲空間更小的代碼，代價是對SDL設(shè)計的約束較多，例如不支持使能條件、連續(xù)信號、過程的繼承等。
　　（2）設(shè)計優(yōu)化問題。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意的設(shè)計要點(diǎn)有：當(dāng)輸出信號時，應(yīng)帶上接收進(jìn)程的PID，這樣可以減少對信號進(jìn)行路由的開銷；信號應(yīng)盡量少帶占用大量存儲空間的參數(shù)，因為在信號傳遞時同時復(fù)制信號的參數(shù)，占用大量存儲空間的參數(shù)將占用過多存儲空間并引起附加延時；兩個狀態(tài)之間的傳輸操作不宜過多，否則會帶來較大延時（可以用實時仿真確定影響時延的關(guān)鍵路徑并進(jìn)行優(yōu)化）；如果系統(tǒng)中有比較復(fù)雜的模塊，對時延又有嚴(yán)格要求，可以用C/C++或匯匯編單獨(dú)編寫，也可用硬件完成，如圖1的WEP算法模塊。
　　（3）與RTOS的集成問題。用戶可以不使用RTOS，而使用SDT提供的缺省內(nèi)核程序，也可以自己編寫所需的調(diào)度算法、內(nèi)存管理、中斷處理等。SDT工具直接支持的RTOS有Solaris（Posix 4）、Win32、VxWorks和OSE delta。SDT提供三種與RTOS的集成方式，即松集成、線程集成和緊集成。松集成把整個系統(tǒng)映射為OS的一個任務(wù)，使用SDT提供的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度，每次進(jìn)行一個完整的傳輸。因此松集成調(diào)度的最大延時是SDL設(shè)計中狀態(tài)之間傳輸?shù)淖铋L時間。緊集成把每個進(jìn)程映射為一個OS的任務(wù)，可以使用OS的調(diào)度算法，給不同的任務(wù)以不同的優(yōu)先級執(zhí)行，因而性能好于松集成。線程集成則是兩者的折衷。
　　（4）環(huán)境函數(shù)的編寫。環(huán)境函數(shù)主要是完成四個函數(shù)的編寫。XInitEnv（）：主要用于完成系統(tǒng)的初始化操作。XInEnv（）：主要用于接收來自硬件或RTOS的信號并轉(zhuǎn)換成SDL系統(tǒng)所需要的信號。調(diào)度器每隔一段時間輪詢一次xInEnv（）函數(shù)，檢查是否有信號輸入。如果發(fā)現(xiàn)有信號輸入則發(fā)送適當(dāng)信號給SDL系統(tǒng)。XInEnv（）函數(shù)中不能使用阻塞函數(shù)，如getchar()等。阻塞函數(shù)會妨礙調(diào)度器處理SDL系統(tǒng)。XOutEnv（）：主要用于接收來自SDL系統(tǒng)的信號并轉(zhuǎn)換成對RTOS的信號或?qū)τ布�的操作。�?dāng)SDL系統(tǒng)有信號輸出時，則調(diào)用xOutEnv（）函數(shù)，根據(jù)用戶編寫的代碼產(chǎn)生相應(yīng)的物理信號或硬件操作。XCloseEnv（）：用來完成關(guān)閉環(huán)境的操作。