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基于ARM的IEEE802.11bMAC層協(xié)議IP核設(shè)計(jì)
摘要：介紹了IEEE 802.11b MAC層協(xié)議IP核設(shè)計(jì)，提出了基于32位微處理器ARM7DMI的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，闡述了系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及主要模塊單元的功能；給出了利用形式描述語(yǔ)言SDL進(jìn)行MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的完整設(shè)計(jì)流程；闡述了軟件的層次結(jié)構(gòu)，并針對(duì)設(shè)計(jì)中遇到的代碼生成器的選擇、設(shè)計(jì)優(yōu)化、與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的集成和環(huán)境函數(shù)編寫(xiě)等問(wèn)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(jì)實(shí)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(jì)中。基于ARM的開(kāi)發(fā)通常使用C、C++或匯編語(yǔ)言。筆者采用了更高級(jí)的形式語(yǔ)言SCL，大大縮短了協(xié)議的開(kāi)發(fā)周期并提高了設(shè)計(jì)的可移植性。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)是目前通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)802.11b MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)以及基于微處理器ARM7TDMI的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。其設(shè)計(jì)方法具有普遍意義。
1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)及功能描述
整個(gè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要分MAC層和物理層兩部分。硬件平臺(tái)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(xiàn)設(shè)計(jì)，其主要的單元模塊和功能如下：
·PCMCIA接口，此接口為硬件平臺(tái)和主機(jī)的通信接口。其設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)IEEE 802.11b MAC層協(xié)議定義的有線(xiàn)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(jì)有發(fā)關(guān)和接收FIFO，用來(lái)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(duì)物理層的控制功能。例如無(wú)數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，可以通過(guò)此接口控制物理層部分轉(zhuǎn)入節(jié)能狀態(tài)。
·存儲(chǔ)器管理模塊，此模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)所有存儲(chǔ)器（如FLASH、ROM、RAM）的管理，處理器通過(guò)此模塊對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。
·中斷控制邏輯，此模塊用于對(duì)系統(tǒng)中各模塊產(chǎn)生的中斷信號(hào)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(gè)系統(tǒng)的控制和管理。
圖1 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖
物理層部分的設(shè)計(jì)主要分為四個(gè)單元：
·基帶處理單元，主要用于完成基帶信號(hào)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(hào)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(hào)的功率放大功能。
MAC層的主要模塊單元（外部存儲(chǔ)器單元除外）用Verilog硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)并用Xilinx的FPGA Vertex II xc2v3000編程實(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)。
2 SDL及軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)
SDL是一種層次化的描述語(yǔ)言，采用結(jié)構(gòu)化和自頂向下的設(shè)計(jì)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(guò)程幾個(gè)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(guò)程是動(dòng)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(gè)進(jìn)程都是一個(gè)通信擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)。
SDL與常用的高級(jí)語(yǔ)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(yǔ)言，以嵌入式系統(tǒng)和軟硬件混合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；在進(jìn)行規(guī)范定義時(shí)，SDL又允許嵌入高級(jí)語(yǔ)言，如C/C++語(yǔ)音、義等。因而可以在多個(gè)層次上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的規(guī)范和描述。因?yàn)镾DL的上述特性，目前已被越來(lái)越多地用于協(xié)議軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)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(kāi)發(fā)工具。使用SDT進(jìn)行協(xié)議軟件的開(kāi)發(fā)步驟如圖2所示。
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在系統(tǒng)行為定義階段，要特別注意代碼生成器對(duì)SDL設(shè)計(jì)的結(jié)束，例如對(duì)于C advanced生成器不支持信道子結(jié)構(gòu)、信號(hào)細(xì)化等；對(duì)于C micro生成器不支持連續(xù)信號(hào)、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(yàn)證時(shí)，使用相同的代碼只不編譯連接時(shí)加入SDT提供的驗(yàn)證內(nèi)核，可得到系統(tǒng)行為的驗(yàn)證模型，可以使用自動(dòng)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(yàn)證。仿真和驗(yàn)證都無(wú)環(huán)境函數(shù)，由仿真器和驗(yàn)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(hào)。在系統(tǒng)行為經(jīng)仿真驗(yàn)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(guò)適當(dāng)修改和處理后可以輸入ARM開(kāi)發(fā)工具ADS，進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，其方法和設(shè)計(jì)流程詳見(jiàn)后。
3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為三部分：協(xié)議軟件、驅(qū)動(dòng)軟件和接口軟件。其中協(xié)議軟件部分主要用于實(shí)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(shí)鐘同步算法等）。這一部分軟件采用圖2所示的設(shè)計(jì)流程，完全使用形式描述語(yǔ)言SDL進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)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(dòng)軟件部分主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)功能。如PCMCIA接口驅(qū)動(dòng)，這一部分軟件用C/C++語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)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(tái)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(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)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(kāi)發(fā)
從SDL轉(zhuǎn)化出C/C++代碼后，可使用ARM的開(kāi)發(fā)工具ADS進(jìn)行后續(xù)的軟件開(kāi)發(fā)。其與SDT工具的接口及開(kāi)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(kù)以及C/C++庫(kù)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(hù)所作的系統(tǒng)描述自動(dòng)生成一個(gè)結(jié)構(gòu)框架，然后用戶(hù)根據(jù)的采用的具體硬件平臺(tái)環(huán)境編輯這個(gè)文件，以描述真實(shí)的系統(tǒng)工作環(huán)境。Runtime庫(kù)主要包含SDL預(yù)定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型、操作符的實(shí)現(xiàn)、調(diào)度函數(shù)、運(yùn)行錯(cuò)誤處理等信息。SDT工具提供簡(jiǎn)單的Runtime庫(kù)。C advanced/C micro代碼生成器都有各自對(duì)應(yīng)的Runtime庫(kù)。C/C++庫(kù)是ADS本身攜帶的函數(shù)庫(kù)，主要包含ISO標(biāo)準(zhǔn)定義的C/C++庫(kù)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(xiě)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(shí)可以用ADS提供的調(diào)試工具AXD進(jìn)行程序的調(diào)試。
因?yàn)镾DL的系統(tǒng)設(shè)計(jì)在高層進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，所以調(diào)試的主要工作集中在驅(qū)動(dòng)、中斷和環(huán)境函數(shù)的調(diào)試上。對(duì)SDL系統(tǒng)的調(diào)度主要是通過(guò)仿真確定對(duì)系統(tǒng)性能影響嚴(yán)重的模塊并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化以及系統(tǒng)在實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。如果在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需要修改SDL的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可重新執(zhí)行如圖4所示的流程，直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
5 問(wèn)題及分析
（1）代碼生成器的選擇問(wèn)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(jiǎn)單的代碼產(chǎn)生器，一般只用于在SDT開(kāi)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(duì)SDL設(shè)計(jì)的約束較少。C micro可以產(chǎn)生性能更優(yōu)越、占用存儲(chǔ)空間更小的代碼，代價(jià)是對(duì)SDL設(shè)計(jì)的約束較多，例如不支持使能條件、連續(xù)信號(hào)、過(guò)程的繼承等。
（2）設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)有：當(dāng)輸出信號(hào)時(shí)，應(yīng)帶上接收進(jìn)程的PID，這樣可以減少對(duì)信號(hào)進(jìn)行路由的開(kāi)銷(xiāo)；信號(hào)應(yīng)盡量少帶占用大量存儲(chǔ)空間的參數(shù)，因?yàn)樵谛盘?hào)傳遞時(shí)同時(shí)復(fù)制信號(hào)的參數(shù)，占用大量存儲(chǔ)空間的參數(shù)將占用過(guò)多存儲(chǔ)空間并引起附加延時(shí)；兩個(gè)狀態(tài)之間的傳輸操作不宜過(guò)多，否則會(huì)帶來(lái)較大延時(shí)（可以用實(shí)時(shí)仿真確定影響時(shí)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(duì)時(shí)延又有嚴(yán)格要求，可以用C/C++或匯匯編單獨(dú)編寫(xiě)，也可用硬件完成，如圖1的WEP算法模塊。
（3）與RTOS的集成問(wèn)題。用戶(hù)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(xiě)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(xiàn)程集成和緊集成。松集成把整個(gè)系統(tǒng)映射為OS的一個(gè)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(gè)完整的傳輸。因此松集成調(diào)度的最大延時(shí)是SDL設(shè)計(jì)中狀態(tài)之間傳輸?shù)淖铋L(zhǎng)時(shí)間。緊集成把每個(gè)進(jìn)程映射為一個(gè)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(jí)執(zhí)行，因而性能好于松集成。線(xiàn)程集成則是兩者的折衷。
（4）環(huán)境函數(shù)的編寫(xiě)。環(huán)境函數(shù)主要是完成四個(gè)函數(shù)的編寫(xiě)。XInitEnv（）：主要用于完成系統(tǒng)的初始化操作。XInEnv（）：主
要用于接收來(lái)自硬件或RTOS的信號(hào)并轉(zhuǎn)換成SDL系統(tǒng)所需要的信號(hào)。調(diào)度器每隔一段時(shí)間輪詢(xún)一次xInEnv（）函數(shù)，檢查是否有信號(hào)輸入。如果發(fā)現(xiàn)有信號(hào)輸入則發(fā)送適當(dāng)信號(hào)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(huì)妨礙調(diào)度器處理SDL系統(tǒng)。XOutEnv（）：主要用于接收來(lái)自SDL系統(tǒng)的信號(hào)并轉(zhuǎn)換成對(duì)RTOS的信號(hào)或?qū)τ布牟僮鳌．?dāng)SDL系統(tǒng)有信號(hào)輸出時(shí)，則調(diào)用xOutEnv（）函數(shù)，根據(jù)用戶(hù)編寫(xiě)的代碼產(chǎn)生相應(yīng)的物理信號(hào)或硬件操作。XCloseEnv（）：用來(lái)完成關(guān)閉環(huán)境的操作。
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