一種基ARM7的無線局域網(wǎng)MAC片上系統(tǒng)架構(gòu)

出處：金華al7101 發(fā)布于：2007-04-29 09:21:14

魯京，陳曦，周祖成
(深圳清華大學(xué)研究院EDA與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣東深圳 518057)

1 無線局域網(wǎng)MAC層協(xié)議

在IEEE推出802.11-1999和802.11b以來，無線局域網(wǎng)在技術(shù)上已日漸成熟。在國家863計(jì)劃 SoC設(shè)計(jì)方法及其關(guān)鍵支撐技術(shù)專項(xiàng)資金的資助下，我們初步完成無線局域網(wǎng)MAC層控制器知識(shí)產(chǎn)權(quán)核（IP core）的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。設(shè)計(jì)了用ARM7TDMI實(shí)現(xiàn)的MAC層控制器的體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)片上總線使用先進(jìn)微控制器總線架構(gòu)（AMBA）。該實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)清晰，利于設(shè)計(jì)重用且設(shè)計(jì)復(fù)雜度不大，是一種值得推薦的體系結(jié)構(gòu)。

無線局域網(wǎng)協(xié)議描述數(shù)據(jù)鏈路層MAC子層及其以下各層的規(guī)范。MAC層控制器實(shí)現(xiàn)的規(guī)范為IEEE 802.11-1999有關(guān)的無線局域網(wǎng)MAC層部分。MAC層的控制分點(diǎn)控制和分布控制兩種，其中分布控制是CSMA/CA。802.11同時(shí)定義了可選的有線網(wǎng)等效加密（WEP）機(jī)制。

2 ARM核和AMBA

MAC層控制器是802.11 協(xié)議MAC部分的物理實(shí)現(xiàn)。由于協(xié)議比較復(fù)雜，一般在設(shè)計(jì)中嵌入32 位處理器，而ARM 7核就是一種選擇。

ARM7TDMI為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，支持ARM 的Thumb兩個(gè)指令集，ARM對(duì)16位的Thumb指令集的支持，使其實(shí)現(xiàn)了比16位體系結(jié)構(gòu)更高的性能和比32位體系結(jié)構(gòu)更高的代碼密度。

先進(jìn)微控制器總線架構(gòu)AMBA是ARM公司為高性能片上微控制器定義的一套總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種中央多路選擇器互連方案，它讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的總線分開，完成片上數(shù)據(jù)傳送。AMBA包括先進(jìn)高性能總線（AHB）、先進(jìn)系統(tǒng)總線(ASB)和先進(jìn)外設(shè)總線(APB)。AHB和ASB都是高性能總線，采用高性能、高帶寬系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它支持多個(gè)主 (Master)設(shè)備和多個(gè)從(Slave)設(shè)備，ARM公司推薦使用AHB。APB實(shí)際上是二級(jí)總線，為AHB/ASB 提供一個(gè)低功耗和接口簡(jiǎn)單的擴(kuò)展。它從整體上說是一個(gè)從設(shè)備。APB通過橋與AHB/ASB連接。

另外AMBA結(jié)構(gòu)用仲裁器支持主設(shè)備總線仲裁，需要譯碼器啞從設(shè)備響應(yīng)處理器。

3 基于AMBA的MAC層控制器方案

基于AMBA的MAC控制器方案如圖1。整個(gè)系統(tǒng)圍繞AMBA總線構(gòu)成，完成所需控制信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)中共有4個(gè)主設(shè)備：ARM7核、PCMCIA接口、物理層數(shù)據(jù)接口和有線網(wǎng)等效加密引擎。各個(gè)模塊的功能：

ARM7TDMI核：它完成系統(tǒng)的控制功能，完成802.11MAC協(xié)議，整個(gè)系統(tǒng)在它的控制之下工作。

物理層數(shù)據(jù)接口（PLDI）：完成與基帶處理器數(shù)據(jù)端口的通信。在接收時(shí)，緩存來自基帶處理器的數(shù)據(jù)，通知ARM核收到數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步處理。ARM核首先讀取包頭，如果數(shù)據(jù)需要緩存，則ARM核控制該接口的DMA控制器將數(shù)據(jù)凈核存儲(chǔ)到SRAM中。在發(fā)送端，它緩存來自MAC的數(shù)據(jù)，然后送給基帶處理器。

物理層控制接口（PLCI）：它通過讀寫基帶處理器的寄存器完成基帶處理器的初始化和控制功能。

有線網(wǎng)等效加密引擎（WEP）：完成無線局域網(wǎng)的加密算法和進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，其內(nèi)有 DMA控制器。

PCMCIA接口(PCMCIA)：完成MAC處理器與主計(jì)算機(jī)的通信功能，也可以是USB或者PCI 接口等。

中斷控制器（ICTRL）：中斷控制模塊仲裁當(dāng)前哪個(gè)模塊應(yīng)該產(chǎn)生中斷，ARM通過讀取它的寄存器得知中斷的原因。

存儲(chǔ)器管理單元（MMU）：ARM7TDMI-S內(nèi)部沒有存儲(chǔ)器管理單元，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。存儲(chǔ)器管理單元完成邏輯地址向物理地址的轉(zhuǎn)換和其他存儲(chǔ)器控制功能。

串口（UART）和定時(shí)器（timers）：通過UART可以與主計(jì)算機(jī)通信，完成基本的MAC 控制功能和狀態(tài)監(jiān)視，另外實(shí)現(xiàn)MAC協(xié)議需要專門的定時(shí)器。

Arbiter、Decoder、Dummy Slave、Bridge為實(shí)現(xiàn)AMBA所需的功能模塊。

SRAM的大小為256K×16，F(xiàn)lash的大小為128×16。

另外，需要設(shè)計(jì)PCMCIA接口的NDIS5 WDM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

4 MAC控制器工作原理

MAC控制器的工作原理：

系統(tǒng)加電并復(fù)位后，F(xiàn)lash處于邏輯地址的端。ARM核讀取Flash中的指令，將代碼存入片內(nèi)RAM中，然后通過寫地址映射寄存器，實(shí)現(xiàn)物理地址和邏輯地址的重新映射，將片內(nèi) RAM映射為邏輯端地址，重新執(zhí)行初始化程序。

執(zhí)行片內(nèi)RAM中的指令，初始化基帶處理器和PCMCIA接口的屬性存儲(chǔ)器以完成初始化。

對(duì)于來自物理層的數(shù)據(jù)，首先緩存在PLDI中。ARM核讀出PLDI中的數(shù)據(jù)，處理包頭，然后將數(shù)據(jù)緩存入SDRAM。ARM核根據(jù)需要通知WEP完成解密工作。解密完成后，數(shù)據(jù)被重新存入SRAM。PCMCIA接口依設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的需要讀取數(shù)據(jù)給主機(jī)。

對(duì)于來自PCMCIA接口的數(shù)據(jù)，首先緩存在SRAM中。然后執(zhí)行與來自物理層的數(shù)據(jù)相反順序的操作。

5 若干關(guān)鍵子模塊的設(shè)計(jì)

5.1 PCMCIA接口

該接口完成MAC控制器與主機(jī)的接口，左邊是PCMCIA主機(jī)接口模塊，實(shí)現(xiàn)PC Card-1995標(biāo)準(zhǔn)；右邊是DMA控制器，完成與AHB的接口。來自主機(jī)的數(shù)據(jù)首先在臨時(shí)存儲(chǔ)器中緩存。存儲(chǔ)器被管理為以256字節(jié)為單位的首尾相接的環(huán)，可以使該存儲(chǔ)器得到有效的利用。

5.2 主設(shè)備中DMA控制器的設(shè)計(jì)

所有主設(shè)備都包含一個(gè)DMA控制器，完成存儲(chǔ)器直接存取，以減少ARM核的數(shù)據(jù)處理壓力。 DMA控制器的框圖如圖3。ARM核通過從設(shè)備設(shè)定DMA控制器的寄存器，包括起始地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)讀寫使能和讀寫方向等。DMA控制器通過AHB主設(shè)備接口申請(qǐng)使用AHB總線、完成DMA 請(qǐng)求和響應(yīng)接口和存儲(chǔ)器之間的DMA操作。完成操作后DMA控制器將產(chǎn)生中斷通知ARM核任務(wù)的完成情況。通道和控制邏輯完成相應(yīng)的控制功能。

5.3 PCMCIA接口中的主機(jī)接口

接口服從PC Card-1995標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)為程控IO工作模式。屬性存儲(chǔ)器存儲(chǔ)卡相關(guān)的信息如卡的類型、IO范圍和申請(qǐng)的中斷號(hào)。功能控制寄存器完成卡的進(jìn)一步控制功能（圖4）。

有線網(wǎng)等效加密引擎的設(shè)計(jì)：該模塊由CRC模塊、加密模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、DMA控制器和相關(guān)控制邏輯構(gòu)成。加密模塊使用的是RC4加密算法。

6 設(shè)計(jì)驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)使用Verilog HDL進(jìn)行描述，已經(jīng)完成系統(tǒng)驗(yàn)證工作。并在Xilinx xc2v3000 FPGA上完成原型實(shí)測(cè)，實(shí)際系統(tǒng)基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)需求。

7 結(jié)論

MAC控制器有多種實(shí)現(xiàn)方式，包括（1）不采用AMBA架構(gòu)完成與ARM核的接口方案，（2）不使用32位處理器，而是使用微碼編程，這種結(jié)構(gòu)更加專門化，設(shè)計(jì)復(fù)雜度更高。

基于ARM7TDMI和AMBA的無線局域網(wǎng)MAC層控制器片上系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)清晰，接口為標(biāo)準(zhǔn)接口，擴(kuò)展性強(qiáng)，符合設(shè)計(jì)重用的要求。

關(guān)鍵詞：一種基ARM7的無線局域網(wǎng)MAC片上系統(tǒng)架構(gòu)XC2V3000ARM7TDMIARM7TDMI-S PCMCIA

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