將FPGA應(yīng)用于SCA硬件平臺的硬件抽象層設(shè)計方案詳解

軟件無線電（Software Radio）是指用軟件定義的、能實(shí)現(xiàn)多種功能的無線電通訊系統(tǒng)，其核心思想是構(gòu)造一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，以將各種功能（如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等）用軟件來完成，從而通過加載不同的通信軟件來實(shí)現(xiàn)不同的通信模式和功能。由于功能的定義和實(shí)現(xiàn)都由軟件完成，所以可以通過配置不同的參數(shù)來支持不同電臺系統(tǒng)的互連互通，這使得軟件定義無線電具有很強(qiáng)的靈活性。

由于軟件無線電的諸多優(yōu)點(diǎn)，美軍的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）計劃采用了軟件無線電的設(shè)計思想，并定義了軟件通信體系結(jié)構(gòu)（SCA）規(guī)范。目的是實(shí)現(xiàn)電臺硬件的模塊化，軟件的可移植、可重用和可互操作性。將SCA體系結(jié)構(gòu)逐漸擴(kuò)展到2 GHz以上使用時，如果還在SCA的硬件體系結(jié)構(gòu)中僅僅使用通用處理器（GPP）和DSP等，將無法滿足高速數(shù)字信號處理發(fā)展的需求，因此，能更好適應(yīng)高速數(shù)字信號處理的可編程器件（FPGA）將不可避免的需要應(yīng)用到SCA的硬件平臺中。目前，F(xiàn)PGA并不支持CORBA中間件，故不能直接應(yīng)用到SCA體系結(jié)構(gòu)中。另外，由于FPGA芯片的外部輸入／輸出端口沒有像通用處理器和DSP芯片那樣從應(yīng)用程序中抽象出來，當(dāng)每次應(yīng)用程序代碼移植到新的平臺時，這些接口都要改變，這一點(diǎn)不利于實(shí)現(xiàn)波形應(yīng)用的可移植性。

SCA3.0規(guī)范中提出了硬件抽象層連接（HAL-C）的概念。硬件抽象層可對具體硬件的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行抽象，它介于硬件平臺和運(yùn)行于硬件平臺上的軟件之間。負(fù)責(zé)完成軟件設(shè)計中與硬件相關(guān)的內(nèi)容，并完成相關(guān)的接口功能，它可使軟件的設(shè)計很好地獨(dú)立于硬件，從而有效地提高軟件設(shè)計的可移植性。使得在JTRS設(shè)備的開發(fā)過程中能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的設(shè)計與通用硬件平臺的開發(fā)相分離，盡可能減小硬件平臺的具體結(jié)構(gòu)對應(yīng)用軟件設(shè)計的影響。

1硬件抽象層的基本概念及結(jié)構(gòu)

HAL-C通過對硬件單元的對外接口進(jìn)行抽象，從而定義了一系列標(biāo)準(zhǔn)的通信應(yīng)用編程接口（API），以實(shí)現(xiàn)與外部的通信功能。這樣，當(dāng)要求與外部通信時，僅需要通過對定義好的不同的API進(jìn)行調(diào)用即可，這將極大地減小硬件平臺結(jié)構(gòu)對軟件設(shè)計的影響，有效地降低對重要軟件組件接口進(jìn)行重新編寫的可能性。

1.1基本概念

在硬件抽象層概念中，波形（Waveform）一般是指為了實(shí)現(xiàn)信息的無線傳輸而對信息所采取的一系列變換，一般包括無線通信雙方為實(shí)現(xiàn)傳輸而采取的所有協(xié)議；處理元件（Processing Element，PE）是指一個能夠執(zhí)行信號處理功能的硬件組件，通常GPP、DSP、FPGA、ASIC或者其它的能夠執(zhí)行信號處理功能的硬件設(shè)備都可以看作是一個處理元件；硬件抽象層組件（HAI-CCompONent，HC）是完成一定處理功能的一個功能模塊，它屬于波形應(yīng)用的一個部分，通常HC是一個執(zhí)行于目標(biāo)設(shè)備上的、由波形開發(fā)人員編寫的軟件模塊，HC需要運(yùn)行于一個給定的PE上，且同一個PE可以運(yùn)行多個HC。

1.2硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)

硬件抽象層連接時，可根據(jù)不同硬件模塊的特點(diǎn)對硬件模塊進(jìn)行抽象，抽象后的硬件再對外接口。對于軟件模塊的設(shè)計者來說，只是提供收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，那么，具體如何實(shí)現(xiàn)收發(fā)功能即不需要軟件設(shè)計者考慮。其典型的HAL-C模型如圖1所示。

如圖1所示，組件一般用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能。這類組件由波形開發(fā)者依據(jù)HAL-C應(yīng)用接口進(jìn)行設(shè)計，而在硬件平臺上則依據(jù)PE的具體環(huán)境實(shí)現(xiàn)這些HAL-C應(yīng)用接口。由硬件平臺提供的HAL-C應(yīng)用接口可給HC提供一個底層的通信接口，這些底層API的主要目的是讓同一或者不同PE上的HC能夠通信。HC1、HC2之間的通信并不是直接進(jìn)行的，而是通過HAL-C提供的通信機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。HC1、HC2的開發(fā)者只需要把數(shù)據(jù)發(fā)送給HAL就可以了。具體數(shù)據(jù)如何從HC1傳輸?shù)紿C2，則是硬件抽象層要完成的工作。

通?？捎靡粋€貯存在HAL-C基層結(jié)構(gòu)的簡單傳輸模塊Tx來描述數(shù)據(jù)的傳輸。有兩種類型的傳輸需要描述，一種是貯存在不同PE上的HC之間通過物理信道進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸，如圖1中HC2到HC3的數(shù)據(jù)傳輸。它可以通過不同的物理信道實(shí)現(xiàn)（如PCI，RapidIO等），物理信道可以看作是傳輸在硬件平臺上的映射；另一種傳輸是在硬件內(nèi)部進(jìn)行的傳輸，雖然組件自己可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，但是若使用硬件抽象層連接來約束這種傳輸，則能提高組件的通用性。

為了簡化上面的連接模型，這里引入了end-point的概念。即一條從HC出發(fā)，通過傳輸模塊的路徑被指定為一條邏輯通道。HC可使用HAL-C應(yīng)用接口來訪問endpoint，以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。HAL-C基層結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)通過邏輯信道移動到指定的endpoint，這就可以把以前HC開發(fā)者應(yīng)該做的工作轉(zhuǎn)移到硬件抽象層中來實(shí)現(xiàn)，從而使波形開發(fā)與硬件相關(guān)資源相分離。

2 FPGA硬件抽象層連接接口

SCA規(guī)范中使用了兩種類型的接口：“provides”和“uses”。其中“provides”接口用來提供服務(wù)，“uses”接口用來使用這種服務(wù)。這種思想可被擴(kuò)展應(yīng)用到FPGA的組件級。也就是把一個由HAL-C基層結(jié)構(gòu)向組件提供數(shù)據(jù)的接口定義為HAL-C基層結(jié)構(gòu)的“provides”端口，然后由組件利用HAL-C基層結(jié)構(gòu)的“uses”端口給其它組件提供數(shù)據(jù)。HAL-C API希望HC通過通用接口來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在FPGA上，可使用source和sink來定義SCA中的這兩種端口。這些接口通常以線路和信號的形式存在。

2.1 source接口

source接口用于從HC向HAL-C基層結(jié)構(gòu)傳遞數(shù)據(jù)，它可根據(jù)硬件平臺的實(shí)現(xiàn)來確定信息被發(fā)送到指定的HC中。

source接口應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)的信號如下：

clock：接口的同步時鐘，所有信號均應(yīng)與該時鐘同步；

data：數(shù)據(jù)總線，其寬度可以是1，8，16，32，64位；

channel：與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的邏輯通道號；

length：定義數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，可用MAXBUFFERSIZE描述數(shù)據(jù)的最大長度；

write：傳輸數(shù)據(jù)的使能信號；

socketRequest：寬度為MAXSOURCESOCK-ETS的矢量，用于描述一個指定的邏輯信道接口正在請求訪問sink的邏輯信道；

socketReady：寬度為MAXSINKSOCKETS的矢量所包含的一個流控制信號，用以應(yīng)答source接口的請求信號。

source接口模塊如圖2所示。

2.2 sink接口

sink接口主要用于從HAL-C基層結(jié)構(gòu)接收數(shù)據(jù)并送給HC。sink接口應(yīng)當(dāng)接收source接口輸出的信號，它應(yīng)當(dāng)接收大小由length信號確定的數(shù)據(jù)。socketReady表示當(dāng)sink接口從source接口接收數(shù)據(jù)時的寬度，該寬度為MAXSINKSOCKETS的矢量所包含的一個流控制信號，是為source端口應(yīng)答的信號。

圖3所示為sink接口模塊圖。

2.3 source和sink的典型應(yīng)用模型

FPGA是硬件可編程設(shè)備，F(xiàn)PGA的內(nèi)部功能模塊可通過直接線路或總線相互連接。這意味著一個包含多個功能模塊的FPGA內(nèi)部體系可以被分解成分散的子模塊，這些子模塊可通過外部連接機(jī)制相互連接。圖4所示是FPGA內(nèi)部使用sink和source的典型模塊圖。

在FPGA上運(yùn)行的波形組件，在設(shè)計時只需要按照HAL-C所定義好的格式設(shè)計好波形組件與HAL-C的交互即可。數(shù)據(jù)與其他模塊間交互的具體過程可交給HAL-C去完成，即將與具體接口相關(guān)的工作交由HAL-C去完成。也就是說，在進(jìn)行軟件設(shè)計時不需要關(guān)心底層硬件模塊能為軟件設(shè)計提供怎樣的具體端口形式，而只要硬件抽象層模塊能夠滿足軟件模塊設(shè)計所需的數(shù)據(jù)傳輸速率就行。

3 在硬件平臺上實(shí)現(xiàn)HAL-C應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)SCA規(guī)范下的數(shù)字信號處理功能，可以設(shè)計一個通用硬件平臺，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該方案以FPGA、DSP為信號處理平臺的算法核心，以CPLD為結(jié)構(gòu)的控制核心，從而構(gòu)造一個具有通用性、可擴(kuò)充、易升級的多功能信號處理平臺。

本設(shè)計中的FPGA采用Xilinx公司Virtex 5系列的2200萬門器件XC5VLX220-1FF1760I以及500萬門器件XC5VSX95T-lFF1136I。DSP選用TI公司的TMS320C6416T，該DSP具有的豐富的集成外設(shè)，可適應(yīng)各種不同的應(yīng)用需求。通用FLASH采用Spansion公司的S29GL512N10TAI高密度NOR型FLASH。S9GL512N的容量高達(dá)512Mbit，可以存儲多個版本的DSP和FPGA程序。NOR型FLASH的讀操作時序和EEPROM相同，讀／寫操作最短周期為100NS，可以直接用于DSP的BOOT引導(dǎo)。TMS320C6416T與CPLD配合，可以控制FPGA配置文件的下載過程。FPGA芯片通過高速并行接口可與AD和DA直接相連，以進(jìn)行高速的數(shù)字處理。DSP芯片可通過EMIFA（外部存儲器接口）接口與FPGA進(jìn)行通信。

在實(shí)際應(yīng)用中，平臺需以多模式的方式工作，并應(yīng)根據(jù)需要實(shí)時更新功能程序。因此，用戶可在FLASH芯片中劃分區(qū)域，以將多種功能程序分別存儲在不同區(qū)域，并確定區(qū)域首地址。系統(tǒng)上電復(fù)位后，DSP和FLASH芯片先完成初始化，之后DSP會按照默認(rèn)方式訪問默認(rèn)首地址并加載默認(rèn)DSP和FPGA功能程序，以便系統(tǒng)工作在默認(rèn)模式下；當(dāng)需要更新模式時，主控設(shè)備先發(fā)送指令，DSP檢測到指令后，DSP便按照指令要求查到對應(yīng)首地址，并從新功能的首地址開始為DSP和FPGA加載新的功能程序，系統(tǒng)即工作在新模式下。如此便可在同一個硬件平臺上，通過動態(tài)調(diào)用不同的軟件程序來實(shí)現(xiàn)多功能、多模式的工作。

利用此硬件平臺還可實(shí)現(xiàn)MSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)功能。FPGA的硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)可將FPGA與外部接口在FPGA內(nèi)，用一個專用的小模塊來實(shí)現(xiàn)對外交互，并在這個特定模塊里定義好HC與外部交互的接口形式（如數(shù)據(jù)總線，相關(guān)的時鐘信號、控制信號等）。然后根據(jù)功能需要在FPGA內(nèi)為AD、DA、DSP、CPLD以及互連的FPGA抽象出獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)通信接口模塊ADHAL、DAHAL、DSPHAL、CPLDHAL和FPGAHAL，另外，還需要設(shè)計MSK調(diào)制和解調(diào)的HC模塊，其中調(diào)制部分包括DDS和數(shù)字正交上變頻兩個子模塊。數(shù)字正交上變頻可采用AD9779來實(shí)現(xiàn)。解調(diào)部分主要包括數(shù)字正交下變頻、基帶解調(diào)、中值濾波和位同步四個子模塊。這些HC模塊均為獨(dú)立的文件，而且各個模塊的參數(shù)均可配置。這樣便可利用上述編制好的文件來實(shí)現(xiàn)MSK調(diào)制解調(diào)功能。事實(shí)上，只需要在一個工程中把用到的文件包含進(jìn)來，并在頂層文件中實(shí)例化各個模塊，同時根據(jù)實(shí)際硬件連接約束FPGA的引腳，最后通過綜合實(shí)現(xiàn)并生成FPGA配置文件，再用DSP和CPLD來完成配置，即可實(shí)現(xiàn)如圖6所示的FPGA內(nèi)部抽象層。也可以通過主機(jī)動態(tài)配置各個模塊的參數(shù)以及連接關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)不同頻段的調(diào)制和解調(diào)。如果要完成其它方式的數(shù)字調(diào)制解調(diào)，只需要把MSK調(diào)制和解調(diào)的HC模塊替換為其他數(shù)字調(diào)制解調(diào)算法，并通過主機(jī)發(fā)送指令重新對FPGA進(jìn)行配置即可。這樣就可提高軟件模塊的可移植性、可重用和可互操作性。

4結(jié)束語

通過HAL-C提供的平臺，不但可使波形應(yīng)用開發(fā)者從底層硬件的細(xì)節(jié)處理中脫離出來，專注實(shí)現(xiàn)組件的算法功能，而且，基于FPGA硬件抽象層連接設(shè)計的軟件，還具有很好的可移植性，因而能有效縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，提高系統(tǒng)開發(fā)效率。