近十年來，隨著無線局域網(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，解決整個(gè)系統(tǒng)功能模塊間的相互通信問題[6]。如果針對特定協(xié)議、特定應(yīng)用場景設(shè)計(jì)特定的總線架構(gòu)，將使得無線SoC的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證工作量巨大，無法形成靈活、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/不定長猝發(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)議沒有規(guī)定具體的總線優(yōu)先級算法，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)先級算法和循環(huán)優(yōu)先級算法。所謂固定優(yōu)先級算法是指AHB總線中各主設(shè)備的優(yōu)先級是事先確定好的，并保持固定不變；而循環(huán)優(yōu)先級算法，在仲裁的過程中會(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)先級固定算法。
    同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的仲裁器對主設(shè)備支持lock傳輸，對從設(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，本文采用簡單的譯碼規(guī)則，只對地址的高端位信號進(jìn)行譯碼，同時(shí)輸出從設(shè)備的選擇信號。
    在一個(gè)地址沒有被完全映射的設(shè)計(jì)中，當(dāng)總線對不存在的地址空間進(jìn)行訪問時(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)，大大簡化了芯片的設(shè)計(jì)。通信過程中發(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對于高吞吐
率的要求。
    本文提出了一種適用于無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總線接口的無線通信芯片中，最終完成了系統(tǒng)級的驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)
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