基于ARM的IEEE 802.11b MAC層協(xié)議IP核設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于ARM的IEEE802.11bMAC層協(xié)議IP核設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用目前各種協(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)界的體系結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)設(shè)計中?；冢粒遥偷拈_發(fā)通常使用Ｃ、Ｃ＋＋或匯編語言。筆者采用了更的形式語言ＳＤＬ，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，無線局域網(wǎng)的協(xié)議是非常典型的協(xié)議。本文將詳細討論使用ＳＤＬ進行無線局域網(wǎng)８０２．１１ｂＭＡＣ層協(xié)議的設(shè)計以及基于微處理器ＡＲＭ７ＴＤＭＩARM7TDMI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的通信接口。其設(shè)計遵循ＰＣＣａｒｄ標準（版本５）。

·ＷＥＰ算法加解密模塊，此模塊用硬件實現(xiàn)ＩＥＥＥ８０２．１１ｂＭＡＣ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)送和接收ＦＩＦＯ，用于完成數(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)生的中斷信號進行控制和管理。

·微處理器單元ＡＲＭ７ＴＤＭＩ，用于完成與主機的通信，負責整個系統(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處理。

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ＦＰＧＡＶｉｒｔｅｘⅡｘｃ２ｖ３０００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)。

２ＳＤＬ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、進程、服務(wù)和過程幾個層次進行描述。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展有限狀態(tài)機，每個進程都是一個通信擴展有限狀態(tài)機。

ＳＤＬ與常用的語言有很好的接口，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)；在進行規(guī)范定義時，ＳＤＬ又允許嵌入語言，如Ｃ／Ｃ＋＋語言、ＯＭＴ／ＵＭＬ對象模型、ＡＳＮ．１或ＣＯＲＢＡ／ＩＤＬ數(shù)據(jù)類型定義等。因而可以在多個層次上對系統(tǒng)進行準確的規(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)計的約束，例如對于Ｃａｄｖａｎｃｅｄ生成器不支持信道子結(jié)構(gòu)、信號細化等；對于Ｃｍｉｃｒｏ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Ｃｂａｓｉｃ／Ｃａｄｖａｎｃｅｄ代碼生成器產(chǎn)生系統(tǒng)代碼，與ＳＤＴ提供的仿真內(nèi)核一起編譯鏈接，得到系統(tǒng)行為的仿真模型，然后可以使用ｔｅｘｔ、ＳＤＬ、ＭＳＣ等多種跟蹤方式進行仿真調(diào)試。在系統(tǒng)行為驗證時，使用相同的代碼只不過編譯鏈接時加入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Ｃａｄｖａｎｃｅｄ／Ｃｍｉｃｒｏ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)過適當修改和處理后可以輸入ＡＲＭ開發(fā)工具ＡＤＳ，進行嵌入式系統(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)ＩＥＥＥ８０２．１１ｂＭＡＣ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)描述轉(zhuǎn)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。這一部分軟件借助于代碼生成器產(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)所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)、運行錯誤處理等信息。ＳＤＴ工具提供簡單的Ｒｕｎｔｉｍｅ庫。Ｃａｄｖａｎｃｅｄ／Ｃｍｉｃｒｏ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標準定義的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)的目標文件。把所有的目標文件用鏈接器（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進行程序的調(diào)試。

因為ＳＤＬ的系統(tǒng)設(shè)計在高層進行了仿真和驗證，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)試主要是通過仿真確定對系統(tǒng)性能影響嚴重的模塊并對其進行優(yōu)化以及系統(tǒng)在實時運行狀態(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Ｃｂａｓｉｃ、Ｃａｄｖａｎｃｅｄ和Ｃｍｉｃｒｏ。其中Ｃｂａｓｉｃ是簡單的代碼產(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。Ｃａｄｖａｎｃｅｄ和Ｃｍｉｃｒｏ是面向應(yīng)用的代碼產(chǎn)生器，可以產(chǎn)生高效的代碼。Ｃａｄｖａｎｃｅｄ支持幾乎所有的ＳＤＬ概念，對ＳＤＬ設(shè)計的約束較少。Ｃｍｉｃｒｏ可以產(chǎn)生性能更優(yōu)越、占用存儲器空間更小的代碼，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。在進行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意的設(shè)計要點有：當輸出信號時，應(yīng)帶上接收進程的ＰＩＤ，這樣可以減少對信號進行路由的開銷；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，對時延又有嚴格要求，可以用Ｃ／Ｃ＋＋或匯編單獨編寫，也可用硬件完成，如圖１中的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（Ｐｏｓｉｘ４）、Ｗｉｎ３２、ＶｘＷｏｒｋｓ和ＯＳＥｄｅｌｔａ。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提供的標準內(nèi)核進行調(diào)度，每次執(zhí)行一個完整的傳輸。因此松集成調(diào)度的延時是ＳＤＬ設(shè)計中狀態(tài)之間傳輸?shù)拈L時間。緊集成把每個進程映射為一個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)送適當信號給ＳＤＬ系統(tǒng)。ｘＩｎＥｎｖ()函數(shù)中不能使用阻塞函數(shù)，如ｇｅｔｃｈａ