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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言SDL進(jìn)行MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)開發(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)編寫等問題進(jìn)行了深入討論。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(jì)的可移植性。無線局域網(wǎng)是目前通信領(lǐng)域的一個(gè)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(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)硬件平臺設(shè)計(jì)及功能描述
整個(gè)系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計(jì)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(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(shí)，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(chǔ)器管理模塊，此模塊用于實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)所有存儲(chǔ)器（如FLASH、ROM、RAM）的管理，處理器通過此模塊對存儲(chǔ)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(gè)系統(tǒng)的控制和管理。
圖1 硬件平臺結(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(chǔ)器單元除外）用Verilog硬件描述語言設(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(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(shí)現(xiàn)；在進(jìn)行規(guī)范定義時(shí)，SDL又允許嵌入高級語言，如C/C 語音、義等。因而可以在多個(gè)層次上對系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的規(guī)范和描述。因?yàn)镾DL的上述特性，目前已被越來越多地用于協(xié)議軟件的開發(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(jì)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(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。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(jì)流程詳見后。
3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和開發(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(jì)實(shí)現(xiàn)。軟件部分的層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。
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