基于SCA的可移植FPGA波形組件接口設(shè)計(jì)

摘 要:軟件通信體系架構(gòu)(SCA)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用軟件無(wú)線電平臺(tái)，從而使軟件無(wú)線電平臺(tái)的成本得到顯著降低，應(yīng)用靈活性得到極大增強(qiáng)。但是目前在SCA體系中，還沒(méi)有一種有效提高FPGA波形可移植能力的方法。在此提出一種基于SCA的可移植FPGA波形組件接口設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)根據(jù)SCA的要求，基于容器和組件模型設(shè)計(jì)高性能、規(guī)范化的FPGA波形組件接口，從而在很大程度上提高了FPGA波形的模塊化程度，在不同平臺(tái)上提高了可移植性和可復(fù)用性，使SCA體系架構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)得以顯著提升。

關(guān)鍵詞:軟件通信體系架構(gòu);波形組件接口;FPGA;軟件無(wú)線電平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)04-079-04

Portable FPGA Waveform Component Interface Design Based on

Software Communications Architecture

CHANG Jisong，WU Yu，SHI Junwu

(Department of Electronic Science and Engineering，National University of Defence Technology，Changsha，410073，China)

Abstract:Software Communications Architecture(SCA)can implement an open，standard，modular software radio platform，which can obviously reduce the development cost of software radio platform and obviously improve the application flexibility.But there isn′t a methdology which can effictly improve the portabaiity of FPGA waceform in the SCA architecture yet.A kind of portable FPGA waveform component interface design technology is presented，which is based on the requirement of SCA and a high performance，standard FPGA waveform component interface based on container and component model is designed，thereby it can greatly improve the modularization degree of FPGA waveform，and enhance the portability and reusability and enhance the performance advantage of SCA.

Keywords:software communications architecture;waveform component interface;FPGA;software radio platform

0 引 言

軟件無(wú)線電(SDR)區(qū)別于傳統(tǒng)無(wú)線電的關(guān)鍵之處在于SDR的大部分功能是由軟件提供的，它通過(guò)軟件應(yīng)用而非硬件器件提供波形的產(chǎn)生和處理、加密、信號(hào)處理及其他主要通信功能。因此軟件無(wú)線電系統(tǒng)具有可編程、可重配置、可升級(jí)、維護(hù)成本低等特點(diǎn)[1]。

軟件通信體系架構(gòu)(Software Communications Architecture，SCA) [2]是由美軍JTRS計(jì)劃[3] 聯(lián)合項(xiàng)目辦公室(JPO)發(fā)布的設(shè)計(jì)軟件無(wú)線電系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范，JTRS的使命是使用通用、開(kāi)放的軟件架構(gòu)，以獲得全新的軟件可編程電臺(tái)來(lái)替換所有美軍使用的2 MHz~2 GHz軍用電臺(tái)[4]。其項(xiàng)目的目標(biāo)定位主要包括:極大地提高部署于全球范圍通信系統(tǒng)的操作靈活性和互操作能力，使系統(tǒng)升級(jí)簡(jiǎn)單，減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和操作成本。SCA是美軍未來(lái)各軍兵種無(wú)線通信系統(tǒng)都將遵循的一體化體系架構(gòu)，目前已經(jīng)成為軍用無(wú)線電領(lǐng)域中事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，不久也將成為民用無(wú)線電設(shè)備的正式規(guī)范。

在傳統(tǒng)的無(wú)線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的硬件平臺(tái)是與系統(tǒng)功能緊密耦合在一起的，已有的硬件平臺(tái)很難適應(yīng)系統(tǒng)功能的不斷更新，這就對(duì)系統(tǒng)升級(jí)，采用新業(yè)務(wù)和新技術(shù)帶來(lái)了困難。然而軟件通信體系架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)恰恰在于能夠構(gòu)建一個(gè)開(kāi)放式、通用性強(qiáng)和標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺(tái)，在該硬件平臺(tái)上能夠很好地支持各種新的通信波形。因此，將軟件通信體系架構(gòu)應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)，能夠使無(wú)線通信處理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)周期和成本得到顯著降低，使應(yīng)用靈活性得到極大的增強(qiáng)。

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，要將理想的SCA完全應(yīng)用到無(wú)線通信系統(tǒng)當(dāng)中還存在一定困難。這是因?yàn)椋瑸榱耸共ㄐ谓M件具有很好的移植性和平臺(tái)無(wú)關(guān)性，SCA規(guī)范要求各波形組件之間的通信由CORBA中間件[5]來(lái)完成。但是，目前僅通用處理器(例如CPU)能夠運(yùn)行CORBA，一般的專(zhuān)用處理器(例如FPGA，DSP)則無(wú)法運(yùn)行。而目前在無(wú)線通信系統(tǒng)的通信信號(hào)處理各個(gè)過(guò)程中仍有相當(dāng)一部分工作必須依靠這些專(zhuān)用處理器來(lái)完成。因此，如何將專(zhuān)用處理器融合到SCA的體系架構(gòu)中，使得基于專(zhuān)用處理器的波形組件也可以像基于CORBA的波形組件一樣，具有很好的可移植性和可重用性，就成為當(dāng)前軟件無(wú)線電領(lǐng)域研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。

在此，基于容器和組件模型，針對(duì)運(yùn)行于FPGA上波形組件的可移植性問(wèn)題給出了自己的解決方法。該方法通過(guò)為FPGA波形組件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的OCP接口，將波形組件與外部的通信功能和自身的信號(hào)處理功能相分離，極大地降低了波形組件與具體硬件平臺(tái)的耦合度，從而使波形開(kāi)發(fā)人員能夠從繁瑣的數(shù)據(jù)交換過(guò)程中解放出來(lái)，只需關(guān)注算法本身的設(shè)計(jì)，因此能夠在很大程度上降低新波形的開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本，增強(qiáng)波形的可重用性和可移植能力，與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 基于SCA的可移植FPGA波形設(shè)計(jì)

目前，針對(duì)專(zhuān)用處理器上波形組件的可移植性問(wèn)題尚未形成規(guī)范，仍在不斷研究之中。為了在SCA體系架構(gòu)中更好地使用專(zhuān)用處理器，在2004年頒布的SCA 3.0的專(zhuān)用硬件補(bǔ)充規(guī)范(SHS)中提出了硬件抽象層連接(HAL-C)概念[6]，HAL-C能夠有效地將系統(tǒng)的波形開(kāi)發(fā)與硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)分離，波形開(kāi)發(fā)者根據(jù)硬件平臺(tái)提供的接口進(jìn)行波形組件的開(kāi)發(fā);硬件平臺(tái)則為波形提供統(tǒng)一的接口。

為了更好地實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用硬件組件的復(fù)用和移植，在隨后的SCA 3.1中提出了組件可移植規(guī)范(CPS)，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)廣泛的討論和征求意見(jiàn)，又形成了專(zhuān)用處理器組件可移植補(bǔ)充建議(SHP)，通常稱(chēng)為 CP289[7]。CP289的目標(biāo)是使組件與其外部環(huán)境的通信實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，為此它定義了一整套將DSP，F(xiàn)PGA等專(zhuān)用硬件處理器集成到SCA系統(tǒng)中的方法，這樣便可以像通用處理器上的CORBA組件一樣來(lái)對(duì)待專(zhuān)用處理器上的波形組件[8]。為了實(shí)現(xiàn)組件外部環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)化，CP289協(xié)議提出了組件和容器的概念。

組件指一個(gè)獨(dú)立定義的應(yīng)用或者波形的功能單元，它能進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)和部署，并且可以根據(jù)需要進(jìn)行升級(jí)，是一個(gè)波形應(yīng)用最基本的功能單元。組件直接運(yùn)行在容器之中，容器是組件實(shí)時(shí)直接的運(yùn)行環(huán)境，并為組件提供一些本地的實(shí)時(shí)的服務(wù)和API，負(fù)責(zé)組件的本地調(diào)用、控制和管理。

CP289的一個(gè)突出之處在于它提出使用開(kāi)放核協(xié)議(OCP)來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)FPGA上的組件接口。OCP規(guī)范[9]是目前惟一公開(kāi)許可，并給出IP 核系統(tǒng)級(jí)綜合要求的協(xié)議，它為片上系統(tǒng)定義了一套非常豐富且功能強(qiáng)大，與具體總線相獨(dú)立，高度可配置和可擴(kuò)展的通信接口。概括的說(shuō)，使用OCP協(xié)議設(shè)計(jì)組件接口的優(yōu)勢(shì)可以歸納為以下幾點(diǎn):

(1) 降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。如果今后所有的FPGA組件都使用OCP接口，那么設(shè)計(jì)者就無(wú)需再花費(fèi)精力和時(shí)間去了解和學(xué)習(xí)各種實(shí)現(xiàn)方式各異的波形組件的通信接口，只需了解對(duì)OCP所規(guī)定的各種標(biāo)準(zhǔn)接口即可。接口設(shè)計(jì)方便。由于OCP協(xié)議提供的接口非常豐富，基本可以滿(mǎn)足所有通信需要，因此組件設(shè)計(jì)者無(wú)需再專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)自己的通信接口，只需根據(jù)特定需求，從OCP接口庫(kù)中進(jìn)行選取即可。

(2) 提高組件的復(fù)用性和可移植能力。由于所有組件的通信接口都是從OCP接口庫(kù)中選取的，因此組件的接口樣式是有限的，操作時(shí)序也是固定的，這樣就在很大程度上提高了組件的可復(fù)用和可移植能力。

(3) 組件之間的互連設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單。由于接口樣式有限且標(biāo)準(zhǔn)，因此互連結(jié)構(gòu)也是相對(duì)有限且標(biāo)準(zhǔn)的，甚至在有些情況下可以根據(jù)給定的互連信息自動(dòng)生成互連模塊而無(wú)需用戶(hù)編寫(xiě)任何代碼。

(4) OCP協(xié)議開(kāi)發(fā)成本很低。OCP協(xié)議是開(kāi)放的而且完全免費(fèi)，這就使得使用OCP協(xié)議進(jìn)行開(kāi)發(fā)的成本很低，大大促進(jìn)了OCP協(xié)議在軟件無(wú)線電領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 可移植的FPGA波形接口設(shè)計(jì)要求

OCP協(xié)議是考慮到各種應(yīng)用，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的一套給出核系統(tǒng)級(jí)綜合要求的協(xié)議，它在片上系統(tǒng)通信上定義了一個(gè)高效、總線獨(dú)立，可配置和高度可擴(kuò)展的接口，因此OCP協(xié)議提供了豐富的接口信號(hào)，可以滿(mǎn)足基本傳輸、突發(fā)傳輸、亂序傳輸?shù)榷喾N傳輸方式的需要。

然而，從另一方面來(lái)說(shuō)，由于OCP協(xié)議提供的接口類(lèi)型過(guò)于豐富，如何根據(jù)應(yīng)用需求從這些接口中選取所需信號(hào)并進(jìn)行合理配置也是比較復(fù)雜的。為此，CP289針對(duì)通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要出發(fā)，同時(shí)從性能和復(fù)用性?xún)煞矫孢M(jìn)行考慮，通過(guò)引入附加約束的方式對(duì)OCP接口類(lèi)型進(jìn)行了精簡(jiǎn)。在此基礎(chǔ)上，為SCA系統(tǒng)中的FPGA波形組件制定了三種接口[10]，分別為: 組件控制接口(Worker Control Interface，WCI)、組件通信接口(Worker Port Interface，WPI)及本地服務(wù)接口，如圖1所示。下面分別對(duì)上述三組接口的功能進(jìn)行描述:

管理控制接口 為容器提供了控制和管理組件的通道和方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的啟動(dòng)、停止、配置等功能。該接口的定義和實(shí)現(xiàn)對(duì)于任何組件來(lái)說(shuō)都是一樣的，組件開(kāi)發(fā)者只要實(shí)現(xiàn)了該接口，就可以不必考慮與SCA系統(tǒng)中的管理模塊(核心框架)進(jìn)行任何交互，因?yàn)檫@方面的工作已經(jīng)由容器自動(dòng)完成。

圖1 組件的接口

組件通信接口 在SCA規(guī)范中定義了“uses”和“provides”端口，分別用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，Port接口負(fù)責(zé)與容器及容器之中其他組件的數(shù)據(jù)通信。

本地服務(wù)接口 為了實(shí)現(xiàn)管理控制接口和Port接口，完成與其他組件之間的通信，容器還需為組件提供一些標(biāo)準(zhǔn)的本地服務(wù)。如RCC容器，則提供一些POSIX AEP;RPL容器，則提供時(shí)鐘、存儲(chǔ)器訪問(wèn)等服務(wù)。

為了保證根據(jù)CP289設(shè)計(jì)的FPGA波形組件接口具有互連性和可互操作性，CP289對(duì)每種接口都提出了約束，這幾個(gè)約束對(duì)接口所支持的操作類(lèi)型，使用的信號(hào)及信號(hào)的位寬等都進(jìn)行了規(guī)定。

3 波形接口設(shè)計(jì)示例

根據(jù)OCP規(guī)范和CP289中的約束，設(shè)計(jì)了幾種簡(jiǎn)單接口，分別為:

(1) 用于控制的Stdctrl_master_port，Stdctrl_slave_port;

(2) 用于塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖x接口StdPortRe_master，StdPortRe_slave;

(3) 用于塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?xiě)接口StdPortWr_master，StdPortWr_slave;

(4) 用于連續(xù)數(shù)據(jù)流傳輸?shù)慕涌赟tdFIFO_master_port，StdFIFO_slave_port。

在接口所定義的信號(hào)中， Mdata，Sdata的位寬可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，但最好是8的倍數(shù)。操作或異常以及緩沖器的長(zhǎng)度信息由OCP的控制信號(hào)control和status提供。在此僅舉例說(shuō)明StdFIFO_master_port和StdFIFO_slave_port的設(shè)計(jì)。

OCP規(guī)范為使用者提供了OCP的子集[6]，用于定義那些經(jīng)常使用的簡(jiǎn)單接口，這里設(shè)計(jì)的StdFIFO_master_port和StdFIFO_slave_port即是基于OCP子集中FIFO只寫(xiě)類(lèi)型的OCP接口而設(shè)計(jì)的。OCP子集中FIFO只寫(xiě)類(lèi)型的OCP接口定義如表1所示。

在CP289的組件通信接口約束中，也對(duì)FIFO類(lèi)型的接口進(jìn)行了規(guī)定，要求使用MreqInfo信號(hào)來(lái)指示數(shù)據(jù)的起始。另外，發(fā)送端和接收端的操作和異常信息分別由Control信號(hào)和Status信號(hào)來(lái)指示。根據(jù)OCP規(guī)范以及CP289的約束，這里設(shè)計(jì)了StdFIFO_master_port和StdFIFO_slave_port

表1 FIFO只寫(xiě)類(lèi)型OCP接口定義

UsagePurposeNon-default ParametersSignals

FIFO Write-onlyOCPInterface toFIFO inputread_enable=0，addr=0，sdata=0，resp=0Clk，Mcmd，Mdata，SCmdAccept

3.1 OCP接口參數(shù)設(shè)置

表2說(shuō)明Master和Slave兩端信號(hào)使能、位寬參數(shù)的設(shè)置。其中，Clk和MCmd是必選信號(hào)，其他信號(hào)都是可選的。該接口主要采用OCP數(shù)據(jù)信號(hào)中的基本信號(hào)，包括Clk，MAddr，MCmd，MData，SCmdAccept。由于該接口僅支持寫(xiě)操作，因此僅加入了位寬為8的Mdata信號(hào)。另外，有些數(shù)據(jù)信號(hào)中的簡(jiǎn)單擴(kuò)展信號(hào)MreqInfo用來(lái)傳輸附加信息;Control和Status是邊帶信號(hào)，用來(lái)與外部系統(tǒng)交換控制和狀態(tài)信息;MReset_n也是邊帶信號(hào)，是master端的復(fù)位信號(hào)。

表2 OCP接口參數(shù)配置

信號(hào)名使能參數(shù)數(shù)值信號(hào)寬度數(shù)值

ClkRequiredn/aFixedn/a

MAddraddr0addr_wdth 0

MCmdRequiredn/aFixedn/a

MDatamdata1data_wdth 8

SCmdAcceptcmdaccept1 Fixed1

MReqInfo reqinfo1reqinfo_wdth2

Controlcontrol1control_wdth 8

Status status1status_wdth8

MReset_n mreset1Fixed 1

3.2 OCP接口

根據(jù)表2參數(shù)配置后的波形接口示意如圖2所示。其中，除了Clk信號(hào)是由外部提供給Master和Slave的以外，其他信號(hào)都是嚴(yán)格的點(diǎn)到點(diǎn)的單向信號(hào)。由于該接口僅支持只寫(xiě)操作，所以MCmd信號(hào)只能指示IDLE和Write兩種請(qǐng)求狀態(tài);MReqInfo信號(hào)指示有效數(shù)據(jù)的起始;Mreset_n是Master端的同步復(fù)位信號(hào)，低電平有效。

3.3 接口支持的狀態(tài)機(jī)

3.3.1 Master端狀態(tài)機(jī)

從圖3可以看出，由于本接口僅支持只寫(xiě)操作，所以Master端有一個(gè)IDLE狀態(tài)和一個(gè)Write狀態(tài)。在IDLE狀態(tài)，當(dāng)其收到外部的寫(xiě)信號(hào)指示，則將MCmd置為寫(xiě)狀態(tài)，同時(shí)將寫(xiě)數(shù)據(jù)置于Mdata信號(hào)線上，并等待Slave端接受寫(xiě)請(qǐng)求，Master端進(jìn)入Write狀態(tài);在Wirte狀態(tài)，當(dāng)其收到接收端的ScmdAccept信號(hào)，則繼續(xù)下一次操作，如果沒(méi)有收到接收端ScmdAccept信號(hào)，則繼續(xù)保持MCmd和Mdata上的信號(hào)。

圖2 OCP接口示意圖

3.3.2 Slave端狀態(tài)機(jī)

從圖4中可以看出，由于接口僅支持寫(xiě)操作，因此MCmd僅指示IDLE或者Write。Slave端僅有一個(gè)IDLE狀態(tài)，當(dāng)其接收到Master端的寫(xiě)請(qǐng)求時(shí)，會(huì)根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài)來(lái)決定是否向Master端返回ScmdAccept信號(hào)。如果返回ScmdAccept信號(hào)，則寫(xiě)操作結(jié)束，進(jìn)入下一次操作;如果未返回ScmdAccept信號(hào)，則Master端需一直保持MCmd和Mdata上的信號(hào)。

圖3 OCP接口示意圖(一)

圖4 OCP接口示意圖(二)

3.4 OCP接口VHDL代碼示例

3.4.1 master端接口代碼

下面列出的是根據(jù)參數(shù)配置編寫(xiě)的master端的接口VHDL代碼。其中，時(shí)鐘信號(hào)是由外部提供的，接口的其他信號(hào)都是在時(shí)鐘的上升沿驅(qū)動(dòng)和采樣。由于該接口僅支持只寫(xiě)操作，所以StdFIFOPortWr_M_MCmd僅指示IDLE或Write。StdFIFOPortWr_M_Status信號(hào)和StdFIFOPortWr_M_Control信號(hào)分別用來(lái)與外部環(huán)境交互狀態(tài)和控制信息。

StdFIFO_master_port is

port (

StdFIFOPortWr_M_Clk:in std_logic;

StdFIFOPortWr_M_MCmd:out std_logic_vector(2 downto 0);

StdFIFOPortWr_M_MData:out std_logic_vector(7 downto 0);

StdFIFOPortWr_M_MReqInfo:out std_logic_vector(1 downto 0);

StdFIFOPortWr_M_SCmdAccept:in std_logic;

StdFIFOPortWr_M_ResertN:out std_logic;

StdFIFOPortWr_M_Status:out std_logic_vector(7 downto 0);

StdFIFOPortWr_M_Control:in std_logic_vector(7 downto 0)

);

3.4.2 Slave端接口代碼

以下所示則是根據(jù)參數(shù)配置編寫(xiě)的Slave端的接口VHDL代碼。其中時(shí)鐘信號(hào)是由外部提供的，接口的其他信號(hào)都是在時(shí)鐘的上升沿驅(qū)動(dòng)和采樣。由于該接口僅支持只寫(xiě)操作，所以StdFIFOPortWr_M_MCmd僅指示IDLE或者Write。StdFIFOPortWr_M_Status信號(hào)和StdFIFOPortWr_M_Control信號(hào)分別用來(lái)與外部環(huán)境交互狀態(tài)和控制信息。

StdFIFO_slave_port is

port (

StdFIFOPortWr_M_Clk:in std_logic;

StdFIFOPortWr_M_MCmd:in std_logic_vector(2 downto 0);

StdFIFOPortWr_M_MData:in std_logic_vector(7 downto 0);

StdFIFOPortWr_M_MReqInfo:in std_logic_vector(1 downto 0);

StdFIFOPortWr_M_SCmdAccept:out std_logic;

StdFIFOPortWr_M_ResertN:in std_logic;

StdFIFOPortWr_M_Status:out std_logic_vector(7 downto 0);

StdFIFOPortWr_M_Control:in std_logic_vector(7 downto 0)

);

4 結(jié) 語(yǔ)

這里提出基于SCA的可移植FPGA波形組件接口設(shè)計(jì)技術(shù)，有效地提高了SCA體系中FPGA波形的可移植能力，使SCA體系架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)明顯提升。通過(guò)將其應(yīng)用于實(shí)際工程，驗(yàn)證這里提出的FPGA波形組建設(shè)計(jì)技術(shù)的正確性和有效性。將其應(yīng)用于軟件無(wú)線電平臺(tái)，必將提高波形組件的可復(fù)用和可移植能力，促進(jìn)FPGA在軟件無(wú)線電系統(tǒng)中的應(yīng)用，進(jìn)而降低軟件無(wú)線電處理平臺(tái)的功耗，提高軟件無(wú)線電平臺(tái)的通用性，降低通信波形的開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本。

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