近十年來(lái),，隨著無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了IEEE 802.11a/b/g/n/ac等系列通信協(xié)議,，其中802.11b[1]速率最高為11 Mb/s,，802.11a/g[2-3]速率最高為54 Mb/s，802.11n[4]速率最高為600 Mb/s,，目前正在制定中的802.11ac[5]速率最高超過(guò)了1 Gb/s,。不僅WLAN協(xié)議版本在不斷地更新或改進(jìn)，而且不同應(yīng)用場(chǎng)景也導(dǎo)致芯片的架構(gòu)差別極大,，這些都使得WLAN芯片的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),。

    片上系統(tǒng)SoC（System-on-Chip）已成為當(dāng)今數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的必然選擇，而SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是采用片內(nèi)總線,。片內(nèi)總線作為SoC集成系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu),，可以將各個(gè)模塊互連起來(lái)，解決整個(gè)系統(tǒng)功能模塊間的相互通信問(wèn)題[6],。如果針對(duì)特定協(xié)議,、特定應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)特定的總線架構(gòu)，將使得無(wú)線SoC的設(shè)計(jì),、驗(yàn)證工作量巨大,，無(wú)法形成靈活、可重用的平臺(tái)化SoC解決方案,，給SoC架構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)極大的技術(shù)挑戰(zhàn),。基于以上考慮，本文提出了一種適用于系列無(wú)線局域網(wǎng)SoC,、基于AHB總線的靈活可配置通用總線體系架構(gòu),。
1 WLAN芯片的系統(tǒng)框架
    盡管WLAN協(xié)議有多種，但都屬于網(wǎng)絡(luò)通信的范疇,，均是有一個(gè)固定的層次結(jié)構(gòu),。為了實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的可靠通信，不同協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)都是按照開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)OSI（Open System Interconnect）參考模型去制定的,。這個(gè)模型把網(wǎng)絡(luò)通信的工作分為7層,，分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層,、網(wǎng)絡(luò)層,、傳輸層、會(huì)話層,、表示層和應(yīng)用層,。網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點(diǎn)都有相同的層次，不同結(jié)點(diǎn)相同層次具有相同的功能,，同一結(jié)點(diǎn)相鄰層間通過(guò)接口通信,。層次化結(jié)構(gòu)使得通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)模塊化，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,。
    根據(jù)OSI的參考模型,，對(duì)于不同的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，IP層(網(wǎng)絡(luò)層)以上各層均可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,，關(guān)鍵的差別就集中在物理層(PHY)和媒體接入層(MAC,，屬于數(shù)據(jù)鏈路層)。因此,，WLAN協(xié)議規(guī)范就只定義了OSI模型最下面的兩層,。只要是WLAN芯片，就必然會(huì)同時(shí)具備MAC和PHY兩種組件,。MAC是一組用以決定如何訪問(wèn)媒介與傳送數(shù)據(jù)的規(guī)則,，至于傳送與接收的細(xì)節(jié)則交由PHY負(fù)責(zé)[7]。
    圖1所示為WLAN芯片工作的一般層次框架,，其中物理層(PHY)功能和射頻（RF）模塊以純硬件的方式實(shí)現(xiàn),；MAC層則一分為二，將計(jì)算密集型或者時(shí)序約束性強(qiáng)的功能用硬件實(shí)現(xiàn)(Low MAC),，反之則用軟件實(shí)現(xiàn)(High MAC)；驅(qū)動(dòng)相關(guān)或更上層的功能則全部用軟件實(shí)現(xiàn),，配置方便,，靈活性高。

    隨著WLAN協(xié)議的不斷更新或改進(jìn)，各個(gè)層次的功能都有較大程度的提升,，相應(yīng)的技術(shù)方案就必須做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,。同時(shí)，軟硬件之間的接口交互方式也會(huì)隨著不同場(chǎng)合的應(yīng)用需求而有所差別,。這就要求WLAN芯片的設(shè)計(jì)必須具備良好的可擴(kuò)展性和可重用性等特點(diǎn),，因此采用基于一種靈活可配置的總線架構(gòu)將顯得至關(guān)重要。
2 基于AHB總線的芯片結(jié)構(gòu)
2.1 AHB總線架構(gòu)
    AHB(Advance High-performance
Bus)是AMBA總線協(xié)議中用于連接高性能系統(tǒng)模塊的高性能總線[8],。協(xié)議由ARM公司設(shè)計(jì),，目前已被工業(yè)界廣泛采用。其特點(diǎn)如下：
    (1)單時(shí)鐘沿操作,；
    (2)非三態(tài)實(shí)現(xiàn),；
    (3)采用地址/數(shù)據(jù)分離的流水線操作；
    (4)支持固定長(zhǎng)/不定長(zhǎng)猝發(fā)(burst)傳輸,；
    (5)分裂（split）事務(wù)傳輸,；
    (6)單周期主模式切換；
    (7)數(shù)據(jù)寬度可自定義,；
    (8)最多支持16個(gè)主設(shè)備和16個(gè)從設(shè)備,。
    WLAN芯片的設(shè)計(jì)，不僅要保證功能的實(shí)現(xiàn)符合協(xié)議的要求,，還要注重整個(gè)芯片的結(jié)構(gòu)是否具有可擴(kuò)展性和可重用性的特點(diǎn),。基于上述考慮,，本文提出了一種基于AHB總線的WLAN 芯片結(jié)構(gòu),，如圖2所示（虛線框內(nèi)為WLAN芯片）。

    AHB總線的引入將芯片系統(tǒng)劃分成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元,，一邊是執(zhí)行WLAN協(xié)議相關(guān)的功能單元,，包括MAC、PHY以及AD/DA模塊,；另一邊則是主機(jī)接口或者外部通用接口模塊,。修改前者可以滿足不同協(xié)議版本的功能需求，而修改后者可以適用于不同場(chǎng)合,、不同主機(jī)接口的應(yīng)用需求,。
2.2 AHB總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    AHB總線結(jié)構(gòu)包括AHB主設(shè)備、AHB從設(shè)備,、仲裁器,、譯碼器、主到從選擇器,、從到主選擇器,、默認(rèn)主設(shè)備和默認(rèn)從設(shè)備,。其中，仲裁器,、譯碼器,、主到從選擇器和從到主選擇器組成AHB總線的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖3所示,。

2.2.1 仲裁器
    仲裁器（Arbiter）是AHB系統(tǒng)總線的主要管理結(jié)構(gòu),，負(fù)責(zé)多個(gè)主設(shè)備的總線仲裁，保證在任何時(shí)候只有一個(gè)主設(shè)備獲得總線使用權(quán),。
　　AHB協(xié)議沒(méi)有規(guī)定具體的總線優(yōu)先級(jí)算法,，用戶可以根據(jù)實(shí)際的情況選擇適當(dāng)?shù)闹俨脜f(xié)議。通常有兩種算法：固定優(yōu)先級(jí)算法和循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法,。所謂固定優(yōu)先級(jí)算法是指AHB總線中各主設(shè)備的優(yōu)先級(jí)是事先確定好的,，并保持固定不變；而循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法,，在仲裁的過(guò)程中會(huì)根據(jù)一定的規(guī)律發(fā)生變化,。本設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)的需要,，采用優(yōu)先級(jí)固定算法,。
    同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的仲裁器對(duì)主設(shè)備支持lock傳輸,，對(duì)從設(shè)備支持split傳輸,，前者保證了突發(fā)傳輸?shù)膸捯螅笳邉t提高了整個(gè)系統(tǒng)的總線利用率,。
2.2.2 譯碼器
    AHB系統(tǒng)總線采用集中式地址譯碼機(jī)制,。為了實(shí)現(xiàn)快速譯碼，本文采用簡(jiǎn)單的譯碼規(guī)則,，只對(duì)地址的高端位信號(hào)進(jìn)行譯碼,，同時(shí)輸出從設(shè)備的選擇信號(hào)。
    在一個(gè)地址沒(méi)有被完全映射的設(shè)計(jì)中,，當(dāng)總線對(duì)不存在的地址空間進(jìn)行訪問(wèn)時(shí),，譯碼器應(yīng)該選擇默認(rèn)從設(shè)備，并由該設(shè)備提供傳輸響應(yīng),。
3 系統(tǒng)分析及驗(yàn)證
3.1 可擴(kuò)展性,、可重用性分析
3.1.1 不同應(yīng)用接口分析
    采用基于AHB的總線架構(gòu)，可以使得芯片的層次結(jié)構(gòu)更加分明,，同時(shí),，也可以很容易地進(jìn)行修改使其適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。根據(jù)不同的速率,、不同的外設(shè)接口需求,，可以選擇如PCI-e,、PCI,、USB,、SDIO、UART等不同的芯片接口方式,。如圖4所示,，只需要更換主機(jī)接口模塊(虛線框部分)，而其他模塊幾乎不用任何修改(如AHB互聯(lián)結(jié)構(gòu),、MAC,、PHY等部分)，就可實(shí)現(xiàn)功能模塊的可重用性,。

    無(wú)論是不同的協(xié)議,，還是同一種協(xié)議的不同版本，只需要將芯片結(jié)構(gòu)中的MAC和PHY進(jìn)行相應(yīng)的替換,，而不用對(duì)其他部分進(jìn)行任何修改,，這體現(xiàn)了基于AHB總線的WLAN芯片結(jié)構(gòu)具備可移植性的特點(diǎn)。
3.1.2 片內(nèi)有無(wú)CPU分析
    基于AHB總線的WLAN芯片結(jié)構(gòu)還具備可擴(kuò)展性的特點(diǎn),，主要表現(xiàn)在方便集成CPU,，如圖5所示。

    (1)片內(nèi)無(wú)CPU
    芯片上只實(shí)現(xiàn)硬件部分的功能,，而將所有軟件部分的功能放在主機(jī)上實(shí)現(xiàn),，大大簡(jiǎn)化了芯片的設(shè)計(jì)。通信過(guò)程中發(fā)送所需的數(shù)據(jù)以及接收所獲得的數(shù)據(jù),，均是通過(guò)外部接口與主機(jī)內(nèi)存進(jìn)行交互,。但是，TCP/IP協(xié)議棧處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中,，要占用大量的主機(jī)CPU資源,，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的復(fù)制、協(xié)議的處理以及中斷處理等方面,。
    (2)片內(nèi)有CPU
    為了減輕主機(jī)CPU的負(fù)擔(dān),，可以將TCP/IP協(xié)議棧轉(zhuǎn)移到芯片上實(shí)現(xiàn)，這就要求芯片上有集成CPU,。如果WLAN芯片是基于AHB總線進(jìn)行設(shè)計(jì)的,，則可以在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，只需將CPU掛接在AHB總線上,，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片上各模塊的控制,。
3.2 系統(tǒng)驗(yàn)證
    依據(jù)本文提出的基于AHB的靈活可配置總線架構(gòu)，應(yīng)用于實(shí)際的WLAN芯片設(shè)計(jì)中,。系統(tǒng)采用PCI外部接口,，內(nèi)部暫時(shí)未集成CPU,，片內(nèi)集成MAC和PHY。搭建的原型系統(tǒng)如圖6所示,。

    實(shí)測(cè)分析表明,，該系統(tǒng)可以工作在80 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘上。若AHB的總線寬度為32 bit,，則總線內(nèi)的數(shù)據(jù)交互最高可達(dá)2.56 Gb/s,，足以支持PCI總線在33 MHz、32 bit下的數(shù)據(jù)傳輸,，同時(shí)也滿足802.11ac對(duì)于高吞吐
率的要求,。
    本文提出了一種適用于無(wú)線通信芯片的靈活可配置總線架構(gòu)。首先介紹了WLAN芯片的系統(tǒng)框架,，分析了芯片設(shè)計(jì)中對(duì)靈活可配置總線的需求,；然后提出了基于AHB總線的芯片結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思路，給出了AHB總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),；最后重點(diǎn)分析了該總線架構(gòu)的可擴(kuò)展性,、可重用性等優(yōu)點(diǎn)，并將其應(yīng)用于基于PCI總線接口的無(wú)線通信芯片中,，最終完成了系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證,。
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