基于ARM平臺的MAC協(xié)議IP核設(shè)計(jì)

摘要：在介紹IEEE802.11MAC協(xié)議結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，給出協(xié)議開放的方案和步驟，提出IEEE802.11MAC協(xié)議在32位ARM7TDMI微處理器S3C4510B上的一種移植方案，開發(fā)出了嵌入式IEEE802.11MAC協(xié)議的IP核。同時(shí)，圍繞著IEEE802.11MAC協(xié)議的原理和移植過程中硬件相關(guān)部分，介紹ARM平臺的結(jié)構(gòu)、可用資源以及ARM的初始化過程等。

引言

無線局域網(wǎng)被認(rèn)為是下一代IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的是大推動(dòng)之一，被IT業(yè)賦予了極大的希望。無線局域網(wǎng)802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的MAC協(xié)議是一樣的，只是在物理層上有差異，因此對802.11MAC協(xié)議的開發(fā)，不論是在802.11b流行的今天，還是802.11g可能會(huì)成為主流的將來，都是很有意義的。當(dāng)然，ARM以其先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為嵌入式市場的RISC標(biāo)準(zhǔn)，因此基于ARM的IEEE802.11MAC協(xié)議的開發(fā)是很有現(xiàn)實(shí)意義的。

我們的開發(fā)流程如圖1所示。

PC軟件開發(fā)是指脫離硬件的嵌入式軟件開發(fā)階段。此階段可以在各種IDE環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，并進(jìn)行軟仿真來驗(yàn)證軟件的邏輯正確性。然后將開發(fā)出來的PC軟件結(jié)合硬件所需要的硬件相關(guān)代碼向硬件平臺進(jìn)行移值調(diào)試。前兩個(gè)階段完成后就得到了開發(fā)的最終成品。

1 協(xié)議結(jié)構(gòu)

IEEE802.11MAC協(xié)議的SDL描述可以分為以下幾個(gè)功能模塊，如圖2所示。

*MAC數(shù)據(jù)服務(wù)模塊：向LLC層提供MAC層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口。

*MPDU生成模塊：將MSDU（MMPDU）生成MPDU，并對MPDU分段、加密以及進(jìn)行排隊(duì)管理。

*協(xié)議控制模塊：完成DCF、PCF下的各種協(xié)議控制功能，包括RTS/CTS、ACK、ATIM、CF-ACK等，并根據(jù)信道狀態(tài)請求退避，在傳送數(shù)據(jù)挫敗后控制重傳等。該模塊還負(fù)責(zé)對所有接收到的MAC幀進(jìn)行分類，按不同的類型送到不同的模塊進(jìn)行處理。

*發(fā)送模塊：將MAC幀以字節(jié)流的形式發(fā)送到物理層，完成實(shí)際的發(fā)送過程。這個(gè)模塊中要完成對整個(gè)發(fā)送幀產(chǎn)生CRC校驗(yàn)，向發(fā)送的beacon幀中加入時(shí)戳用來進(jìn)行時(shí)間同步。這個(gè)模塊還負(fù)責(zé)處理底層獲得的當(dāng)前信道的狀態(tài)，完成協(xié)議要求的隨機(jī)退避功能。

*接收模塊：對從物理層接收到的幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)。如果正確接收的話，則進(jìn)行地址過濾，丟棄目的地址不是自己的幀。如果數(shù)據(jù)是經(jīng)過分段的話，還有進(jìn)行數(shù)據(jù)分段的重裝，然后將接收幀送往協(xié)議控制模塊進(jìn)行分類處理。同時(shí)，這個(gè)模塊還要提取接收幀中的信道保留信息，結(jié)合信道上有無載波的狀況綜合判斷信道的狀態(tài)，并把信道的狀態(tài)送往發(fā)送模塊來協(xié)調(diào)退避功能的完成。

*MAC管理實(shí)體模塊：是管理核心，完成所有的管理功能，包括掃描、入網(wǎng)、認(rèn)證、解認(rèn)證、關(guān)聯(lián)、解關(guān)聯(lián)、重新關(guān)聯(lián)、beacon幀的發(fā)送、站點(diǎn)狀態(tài)管理等功能。

*MAC管理服務(wù)模塊：提供MAC管理接口，包括MIB庫的管理，對MIB庫的訪問，并將管理接口傳來的管理服務(wù)請求送到MLME模塊進(jìn)行實(shí)際處理，將結(jié)果返回給管理接口。

2 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

IEEE802.11MAC協(xié)議的SDL流程中各模塊之間的交互是通過信號的方式來完成的，模塊之間通過交互信息來協(xié)調(diào)工作，并且完成各種MAC幀的結(jié)構(gòu)之間的傳遞。我們將信號定義為Signal(PID,SID,Param)參數(shù)PID用來標(biāo)準(zhǔn)信號的目的模塊，SID用來標(biāo)志信號在目的模塊中由哪個(gè)函數(shù)來處理，參數(shù)Param是一個(gè)指向存儲區(qū)的指針，存儲區(qū)里存放的是信號所要傳遞的信息。為了能使整個(gè)協(xié)議在信號的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行，需要由一個(gè)功能實(shí)體來完成信號的處理過程。這里采用的是一個(gè)循環(huán)隊(duì)列來存放產(chǎn)生的信號，由主循環(huán)程序來不斷檢測隊(duì)列中的信號，根據(jù)信號的PID和SID調(diào)用相應(yīng)模塊里的信號處理函數(shù)進(jìn)行處理。

協(xié)議中還涉及大量的比較判斷和定時(shí)操作，當(dāng)比較成立或定時(shí)到期后，進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。其實(shí)，我們可以認(rèn)為當(dāng)比較成立或時(shí)間到期產(chǎn)生相應(yīng)的信號，然后由信號處理機(jī)制來完成后續(xù)的工作。我們所要做的只是定義一個(gè)比較隊(duì)列和一個(gè)定時(shí)隊(duì)列，比較操作加到比較隊(duì)列中，定時(shí)操作加到定時(shí)隊(duì)列中，由主循環(huán)檢測這兩個(gè)隊(duì)列。當(dāng)某個(gè)比較判斷成立時(shí)或某個(gè)定時(shí)期時(shí)從相應(yīng)的隊(duì)列中取出，然后再以信號方式加入到信號隊(duì)列中去。因此我們將比較操作和定時(shí)操作分別定義為：

Compare(PID,SID,Param11,Param12,Param21,Param22,Param31,Param32);

Timer(PID,SID,Time);

PID、SID標(biāo)志比較成立或定時(shí)到期時(shí)產(chǎn)生的信號，Paramil、Parami2(i=1,2,3)為比較操作中需要進(jìn)行比較的幾對數(shù)據(jù)。Time為定時(shí)操作中設(shè)定的定時(shí)值。

上面介紹的機(jī)制建構(gòu)了協(xié)議框架，然后在這個(gè)框架基礎(chǔ)上按照SDL流程編寫相應(yīng)的信號處理函數(shù)就要吧實(shí)現(xiàn)整個(gè)協(xié)議。

前期協(xié)議開發(fā)了驗(yàn)證邏輯上的正確性。我們在Microsoft Visual C++環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)并進(jìn)行了軟仿真，結(jié)果表明所開發(fā)的設(shè)計(jì)在邏輯上是正確可行的。

3 協(xié)議向ARM平臺的移植

我們所使用的ARM硬件平臺ARM anywhere II采用的是三星公司的ARM芯片S3C4510B。S3C4510B是采用ARM7TDMI核的高性價(jià)比RISC微控制器，特別適用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。

我們開發(fā)了一個(gè)軟件模塊PHY來模擬物理層收斂過程子層（PLCP），對于物理介質(zhì)依賴子層（PMD）我們沒有實(shí)現(xiàn)。這并不影響MAC協(xié)議的開發(fā)。LLC層的數(shù)據(jù)通過PC串口發(fā)送到ARM平臺來模擬，數(shù)據(jù)經(jīng)過MAC處理后送到PLCP子層，然后由PLCP子層直接發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送通過ARM的通用I/O來實(shí)現(xiàn)，發(fā)送速率由S3C4510B的定時(shí)器來控制。

在將802.11MAC協(xié)議向ARM平臺的移植方案中，有一部分代碼的執(zhí)行是依賴于ARM平臺的。這部分代碼的移植工作需要特別注意，包括以下幾個(gè)方面：

①定時(shí)器。協(xié)議中要求的隨機(jī)退避過程需要底層周期性的送slot來進(jìn)行，這個(gè)周期性 slot需要用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)分析矢量NAV需要用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)，以判斷NAV的狀態(tài)。協(xié)議中定義的幾種幀間隔IFS（SIFS、DIFS、PIFS、EIFS）也需要利用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。

②外部中斷。802.11MAC協(xié)議中一個(gè)重要部分就是載波監(jiān)聽。當(dāng)信道狀態(tài)變化時(shí)（由忙到閑，由閑到忙）都要給負(fù)責(zé)監(jiān)聽信道狀態(tài)的模塊一個(gè)指示（CCA），指示當(dāng)前的信道狀態(tài)。這個(gè)過程可以由S3C4510B ARM芯片的外部中斷來很好地實(shí)現(xiàn)。由于S3C4510B ARM芯片可以對中斷檢測方式進(jìn)行配置，可以將中斷檢測方式配置為上升沿和下降沿均觸發(fā)中斷，這些就能很好地模塊協(xié)議的中物理載波監(jiān)聽（CS）。

③I/O。模擬PLCP子層的數(shù)據(jù)收發(fā)，一共用到8個(gè)I/O端口，一次發(fā)送8位。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，還使用了一個(gè)I/O端口作為發(fā)送指示。這個(gè)I/O端口通過信道模擬器連接到其它節(jié)點(diǎn)的用來監(jiān)聽信道狀態(tài)的外部中斷引腳上。

④UART。我們用UART來實(shí)現(xiàn)PC和ARM的通信。一些管理命令，例如掃描、入網(wǎng)、認(rèn)證、關(guān)聯(lián)、解認(rèn)證、解關(guān)聯(lián)，節(jié)點(diǎn)的配置信息例如MAC地址等都可以從串口來發(fā)送給ARM。另外，所有發(fā)送的數(shù)據(jù)都會(huì)通過串口傳送給ARM進(jìn)行發(fā)送，所有接收到的數(shù)據(jù)將通過串口回傳給PC。

⑤以太網(wǎng)控制器。以太網(wǎng)控制器在AP中是比較有用的。由于AP之間是通過有線的骨干網(wǎng)（backbone）來進(jìn)行連接的，從而組成了分布式系統(tǒng)（DS），以太網(wǎng)控制器已經(jīng)集成了IEEE802.11接口，就為實(shí)現(xiàn)這個(gè)有線的backbone提供了便利。

4 硬件仿真環(huán)境

圖3中，IEEE802.11MAC協(xié)議和PLCP子層模擬模塊都都在ARM平臺上，串口通信程序運(yùn)行在PC上。它和ARM的UART進(jìn)行通信用于模擬LLC層數(shù)據(jù)服務(wù)和上層的管理服務(wù)，同時(shí)它還可以顯示節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)和當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

下面介紹一下我們使用的簡易信道模擬器的原理。信道模擬器對應(yīng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)（ARM平臺）有一套接口，其中有8個(gè)I/O用于數(shù)據(jù)傳輸。由于無線信道是開放式的，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)其它節(jié)點(diǎn)都能收到，因此在信道模擬器中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的8個(gè)I/O是兩兩相通的，這樣就能保證一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)其它節(jié)點(diǎn)都能收到。另外，由于要模擬信道上的載波監(jiān)聽過程，我們用到了ARM上的外部中斷用做載波監(jiān)聽位（CS），然后用一個(gè)I/O發(fā)送指示（TR）。這樣，信道模擬器上要維持任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的CS位，都與其它節(jié)點(diǎn)的TR有一定的邏輯關(guān)系，例如，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，將其TR置為0（0表示信道變忙，ARM引腳初始電平為高電平1），則這個(gè)0應(yīng)該立即能反映到其它節(jié)點(diǎn)的CS位上從而產(chǎn)生中斷，其它節(jié)點(diǎn)都會(huì)知道信道變忙而開始從信道接收數(shù)據(jù)。同時(shí)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送完畢后將TR置為1，其它節(jié)點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生中斷并且檢測到CS位為1從而知道信道變閑，接收結(jié)束。

實(shí)際的信道模擬支持兩個(gè)基本服務(wù)區(qū)（BSS）組成的分布式系統(tǒng)（DS），每個(gè)BBS內(nèi)支持1個(gè)AP和2個(gè)普通節(jié)點(diǎn)。這內(nèi)部的邏輯關(guān)系用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。

5 移植過程中的注意事項(xiàng)

PHY軟件模塊模擬PLCP子層，負(fù)責(zé)完成要求的載波監(jiān)聽和數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)的定時(shí)控制。這些功能都是采用中斷方式實(shí)現(xiàn)的，因此要求代碼執(zhí)行速率要快。這里使用匯編語言開發(fā)來提供代碼的執(zhí)行效率。

為了獲得較高的代碼執(zhí)行速率和快速的中斷響應(yīng)，要求所有協(xié)議代碼和中斷服務(wù)程序都在SDRAM中執(zhí)行。這就涉及到在設(shè)計(jì)ARM的初始化代碼時(shí)要正確配置相應(yīng)的存儲區(qū)控制寄存器，并且完成代碼的搬移和地址的重映射。

圖3

    ARM的初始化代碼包括：

*定義入口點(diǎn)（entry point）。

*定義異常向量表，用來處理各種CPU異常，其中包括中斷。

*配置SDRAM和Flash的地址范圍、時(shí)序等參數(shù)，以使這些存儲器能正常工作。

*代碼搬移。程序代碼一般應(yīng)從Flash調(diào)入SDRAM中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。同時(shí)，系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。

*對SDRAM進(jìn)行地址重映射，從初始時(shí)地址空間的高端搬移到0x0開始的位置。

*初始化堆棧。

*初始化存儲區(qū)。

*根據(jù)需要改變處理器工作模式。

*開中斷。

*到C程序代碼入口點(diǎn)開始執(zhí)行。

另外，移植過程中還要考慮的一個(gè)問題是內(nèi)存分配的問題。嵌入式系統(tǒng)中對內(nèi)存的分配，一般來說要求快速可靠并且有效，實(shí)際上就是在采用靜態(tài)分配內(nèi)存還是動(dòng)態(tài)分配存的問題。如果系統(tǒng)要求對實(shí)時(shí)性要求高并且不能容忍分配失敗，這時(shí)就需要采用靜態(tài)分配內(nèi)存。采用靜態(tài)分配一個(gè)不可避免的問題就是系統(tǒng)失去了靈活性，必須在設(shè)計(jì)階段就預(yù)先估計(jì)所需要的內(nèi)存并對其作出分配，并且要考慮到所有可能的情況。我們在移植過程中，考慮到實(shí)時(shí)生和可靠性是我們的主要目標(biāo)，并且我們的ARM平臺具有較大的存儲區(qū)，因而采用了靜態(tài)分配的方式。

結(jié)語

目前，嵌入式協(xié)議開發(fā)已經(jīng)非常普通，本文只是根據(jù)作者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，介紹了嵌入式802.11MAC協(xié)議開發(fā)的基本過程。目前開發(fā)的協(xié)議已經(jīng)在ARM平臺上成功運(yùn)行，并且性能良好?，F(xiàn)在所使用的ARM平臺是沒有操作系統(tǒng)支持的，所移植的協(xié)議硬件依賴性太大，下一步我們將在有操作系統(tǒng)的ARM平臺上進(jìn)行協(xié)議移植，通過全長操作系統(tǒng)提供的API接口來提供協(xié)議的可移植性。另外，繼續(xù)優(yōu)化代碼，提高代碼效率，提高實(shí)時(shí)性與可靠性，以更適合于嵌入式應(yīng)用環(huán)境也將是我們下一步的目標(biāo)。