文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.008
中文引用格式： 袁揚，譚月輝，孫慧賢，等. 基于ZedBoard的SCA架構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(11)：31-33，37.
英文引用格式： Yuan Yang，Tan Yuehui，Sun Huixian，et al. Design and implementation of SCA based on ZedBoard[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：31-33，37.
0 引言
軟件通信體系架構(gòu)（Software Communications Architecure，SCA）是美軍在聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（Joint Tatical Radio System，JTRS）中針對GPP環(huán)境提出的軟件無線電實現(xiàn)框架，結(jié)合JTRS后續(xù)推出SCA補充標(biāo)準(zhǔn)對SCA架構(gòu)進(jìn)行裁剪，可在硬件資源有限的嵌入式硬件平臺上搭建小型化SCA架構(gòu)，增強系統(tǒng)軟件的可重用性和可移植性，是實現(xiàn)嵌入式可重構(gòu)系統(tǒng)的主要架構(gòu)之一。ZedBoard是Xilinx公司推出的首款融合了GPP和FPGA的嵌入式開發(fā)環(huán)境，可滿足大部分嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的需求，是嵌入式開發(fā)環(huán)境的必然發(fā)展趨勢，但是由于FPGA中的應(yīng)用組件都由具體的邏輯電路實現(xiàn)，完全不同于GPP上的程序調(diào)用執(zhí)行，所以SCA架構(gòu)在ZedBoard平臺上會有諸多實現(xiàn)問題[1]。
本文首先介紹了ZedBoard平臺硬件結(jié)構(gòu)，提出了基于ZedBoard的SCA架構(gòu)的總體設(shè)計，并重點針對SCA架構(gòu)在ZedBoard平臺上難以實現(xiàn)的問題，通過深入分析研究Modem硬件抽象層(Modem Hardware Abstration Layer，MHAL)標(biāo)準(zhǔn)和Open Core Protocol(OCP) 接口協(xié)議，結(jié)合ZedBoard硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計了MHAL硬件平臺外部抽象接口和SCA波形組件容器，有效地解決了SCA架構(gòu)在ZedBoard上的實現(xiàn)問題，為在ZedBoard上實現(xiàn)以SCA架構(gòu)為核心的系統(tǒng)開發(fā)打下了基礎(chǔ)。
1 基于ZedBoard的SCA架構(gòu)總體設(shè)計
ZedBoard平臺是Xilinx公司最新推出的首款融合了ARM Cortex A9雙核和FPGA的全可編程片上系統(tǒng)，兼?zhèn)銰PP和FPGA的特點和優(yōu)勢。ZedBoard平臺的核心是Xilinx的Zynq-7020芯片，主要包括processing system（PS）和programmable logic（PL）兩部分。其中PS部分包含雙核的ARM Cortex A9處理器，不僅負(fù)責(zé)整個ZedBoard開發(fā)板的管理和配置，也可作為獨立的芯片單獨使用，是ZedBoard平臺的系統(tǒng)控制核心，同時還集成了SIMD多媒體處理引擎（NEON）、內(nèi)存管理器（MMU）等功能模塊和多種對外擴展接口，具有很強的功能擴展能力。PL部分主要包括Xilinx的高性能7系列FPGA，作為PS部分的補充提供了豐富的IO資源和高速數(shù)字處理能力[2-3]。
基于ZedBoard的SCA架構(gòu)總體設(shè)計如圖1所示，為充分發(fā)揮ZedBoard平臺PS部分的高性能系統(tǒng)控制能力，設(shè)計將SCA架構(gòu)的核心框架、中間件和操作系統(tǒng)在PS部分的ARM上實現(xiàn)；而PL部分的高速數(shù)字處理能力和可重配置特點非常適合SCA應(yīng)用層波形組件的實現(xiàn)。本文通過自行設(shè)計的MHAL硬件抽象接口和OCP波形組件容器來解決SCA架構(gòu)在FPGA上的實現(xiàn)問題，并利用ZedBoard平臺的APC接口和IO總線實現(xiàn)PS部分的核心框架和FPGA波形組件間的消息傳輸，下面對MHAL硬件抽象接口和FPGA波形組件容器進(jìn)行重點講述。
2 MHAL硬件抽象接口設(shè)計
Modem硬件抽象層MHAL是JTRS辦公室在2007年頒布的接口標(biāo)準(zhǔn)，其初衷是為SCA系統(tǒng)中不同處理單元的通信提供標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和接口，同時也涉及了硬件平臺外部接口的抽象，為實現(xiàn)SCA消息在ZedBoard上的標(biāo)準(zhǔn)傳輸提供了方法[4-5]。本文深入分析研究了MHAL標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合ZedBoard開發(fā)環(huán)境，對MHAL消息結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，重新定義了MHAL硬件抽象接口的功能結(jié)構(gòu)和接口函數(shù)，分別設(shè)計了ARM和FPGA的MHAL消息發(fā)送和接收結(jié)構(gòu)，完成了MHAL硬件抽象接口的設(shè)計。
2.1 MHAL消息結(jié)構(gòu)設(shè)計
MHAL消息從最低有效位到最高有效位以地址遞增的方式進(jìn)行排列，本文對MHAL標(biāo)準(zhǔn)中的消息結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改和擴充，添加了消息起始符和消息類型字段，使其能更好地滿足SCA架構(gòu)在ZedBoard上的實現(xiàn)需求，其消息結(jié)構(gòu)如圖2所示，其他字段與MHAL標(biāo)準(zhǔn)中的消息結(jié)構(gòu)一樣，在此不做贅述。
?。?）消息起始符：本文設(shè)置了專門的16 bits消息起始符用來界定消息的起始，以13位巴克碼為基礎(chǔ)取值為“1111100110101000”，大大提高了MHAL消息接收和解幀的準(zhǔn)確性。
?。?）消息類型：獨立的16 bits消息類型字段用來指示MHAL消息的類型和附屬信息，可以提高M(jìn)HAL消息解析效率，使FPGA波形組件容器準(zhǔn)確地將消息發(fā)送到相應(yīng)的功能模塊。前3 bits指示MHAL消息類型，其對應(yīng)關(guān)系如表1所示；后續(xù)比特分為三部分，分別指示MHAL消息源的處理編號、組件編號和端口編號。
2.2 MHAL硬件抽象接口結(jié)構(gòu)設(shè)計
結(jié)合MHAL標(biāo)準(zhǔn)和ZedBoard平臺特點，本文設(shè)計的MHAL硬件抽象接口功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括通用代理、MHAL消息接收結(jié)構(gòu)和MHAL消息發(fā)送結(jié)構(gòu)，結(jié)合上文規(guī)范的MHAL消息結(jié)構(gòu)屏蔽了ARM和FPGA硬件平臺的外部接口，實現(xiàn)了SCA消息在ZedBoard的ARM和FPGA之間的標(biāo)準(zhǔn)傳輸。
2.2.1 通用代理設(shè)計
通用代理由SCA核心框架的ExecutableDevice接口通過execute()函數(shù)創(chuàng)建，是運行在ARM上的一個SCA中間件對象，具有核心框架規(guī)定的CF::Resource、CF::PortSupplier和CF::Port等組件接口，根據(jù)目標(biāo)邏輯地址實現(xiàn)與對應(yīng)FPGA組件的通信。
通用代理作為FPGA波形組件在ARM上的代理接受核心框架的調(diào)用和管理，并將SCA消息轉(zhuǎn)換為MHAL報文，添加目標(biāo)邏輯地址字段后發(fā)送到ARM MHAL發(fā)送結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)FPGA波形組件和ARM核心框架橋接的適配器。
2.2.2 ARM MHAL發(fā)送和接收結(jié)構(gòu)設(shè)計
ARM MHAL發(fā)送和接收結(jié)構(gòu)由MHAL設(shè)備組件實現(xiàn)，提供信源函數(shù)和信宿函數(shù)服務(wù)，實現(xiàn)對MHAL消息的封裝和發(fā)送、接收和解封裝。結(jié)合ZedBoard平臺ARM+FPGA的硬件結(jié)構(gòu)特點，本文對MHAL標(biāo)準(zhǔn)中的GPP API結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擴充和修改，使其更好地與ZedBoard開發(fā)環(huán)境相契合，下面以ARM發(fā)送結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行講述，其UML圖如圖4所示。
MHAL發(fā)送結(jié)構(gòu)收到由通用代理發(fā)送來的MHAL報文后，通過builsMhalMsg()等函數(shù)將其封裝為完整的MHAL消息并存儲在MHALMsg[MAX_MHAL]中，end-
BuildMhalMsg()函數(shù)結(jié)束MHAL消息封裝流程，再由 pushPacket()函數(shù)通過外部傳輸鏈路將MHAL消息發(fā)送到對端的MHAL接收結(jié)構(gòu)。
2.2.3 FPGA MHAL發(fā)送和接收組件設(shè)計
FPGA MHAL發(fā)送和接收組件由一系列接收和發(fā)送MHAL消息的實體構(gòu)成，與ARM MHAL發(fā)送和接收結(jié)構(gòu)功能基本一致。本文以Multi-Depth FIFO節(jié)點為基礎(chǔ)設(shè)計了FPGA MHAL發(fā)送和接收組件，其具有允許多條消息隊列等待接收，支持按字節(jié)處理消息的優(yōu)點，增強了FPGA對MHAL消息的處理能力，很好地滿足了FPGA上MHAL消息發(fā)送和接收的需求。下面以FPGA MHAL接收組件為例，本文采用Verilog硬件編程語言封裝了其外部接口，其外部端口和功能如表2所示。
3 FPGA波形組件容器設(shè)計
容器是FPGA波形組件的直接運行環(huán)境，為實現(xiàn)SCA對FPGA波形組件的調(diào)用和控制提供本地服務(wù)和API[1]，使得FPGA上的波形組件能像GPP組件一樣被核心框架管理，是在ZedBoard上實現(xiàn)SCA架構(gòu)的重要組成部分。
開放核協(xié)議OCP片上子系統(tǒng)通信定義了一個高效的、和總線相對獨立的、可配置的、可升級的接口，并可通過Verilog、VHDL等硬件編程語言實現(xiàn)，非常適合FPGA開發(fā)環(huán)境[6-7]。本文基于OCP接口設(shè)計了FPGA波形組件容器，規(guī)范了容器提供的服務(wù)和波形組件接口，實現(xiàn)了SCA核心框架對FPGA組件的管理以及異構(gòu)組件間互通，大大提高了FPGA波形組件的可移植性和可重用性，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
3.1 OCP互連模塊設(shè)計
OCP互聯(lián)模塊作為FPGA波形組件容器的核心，是實現(xiàn)容器對組件控制和管理功能的主要承擔(dān)者，主要由控制模塊、通信模塊、本地服務(wù)模塊和相應(yīng)的OCP接口組成。其中控制模塊是OCP互聯(lián)模塊的樞紐，為FPGA波形組件提供了與SCA波形組件接口相對應(yīng)的initialize()、start()和stop()等操作，便于核心框架對FPGA波形組件控制命令的執(zhí)行。
OCP互聯(lián)模塊的工作流程為：控制模塊進(jìn)一步解析FPGA MHAL接收組件接收到的MHAL消息，并判斷出此消息的類型。如果是控制消息、連接消息或者斷開連接消息，則根據(jù)MHAL消息中的目標(biāo)邏輯地址找到目標(biāo)組件并完成相應(yīng)控制操作；如果是數(shù)據(jù)消息，則交由通信模塊處理。通信模塊根據(jù)MHAL消息中的目標(biāo)邏輯地址將數(shù)據(jù)消息發(fā)送到目標(biāo)組件，并將接收到的組件返回數(shù)據(jù)消息交由控制模塊進(jìn)行封裝等處理。本地服務(wù)模塊為容器中的組件提供時鐘信號和復(fù)位信號。
3.2 組件OCP接口設(shè)計
為了使FPGA波形組件與容器的OCP互連模塊無縫連接，本文以O(shè)CP接口為基礎(chǔ)設(shè)計了FPGA組件的封裝接口。組件OCP接口與OCP互聯(lián)模塊的功能模塊相對應(yīng)，包括組件控制接口、組件通信接口和本地服務(wù)接口。
組件控制接口采用以容器為Master，組件為Slave的模式，采用RTL編程語言實現(xiàn)了initialize()、run()和release()操作，與組件SCD文檔中組件IDL端口定義保持一致，很好地滿足了核心框架對FPGA組件的控制操作需求。
組件通信接口根據(jù)組件與容器具體的通信情況分為組件Master只寫、組件Master只讀和組件Slave只寫三種模式，并定義了不同模式下所需的端口，可滿足組件通信的各種需求。
本地服務(wù)接口與本地服務(wù)模塊相對應(yīng)，用來接收OCP互聯(lián)模塊提供的時鐘信號和復(fù)位信號。
4 結(jié)論
本文緊跟當(dāng)前系統(tǒng)開發(fā)硬件平臺的趨勢，以Xilinx最新推出的ZedBoard平臺為背景，針對SCA架構(gòu)在專用硬件平臺上實現(xiàn)的諸多問題，通過深入分析研究MHAL標(biāo)準(zhǔn)和OCP協(xié)議，對MHAL消息結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改和擴充，結(jié)合ZedBoard開發(fā)環(huán)境設(shè)計了ARM和FPGA上的MHAL消息發(fā)送和接收結(jié)構(gòu)，并根據(jù)SCA核心框架對組件的管理需求設(shè)計了容器功能模塊和FPGA組件接口，最終完成了MHAL硬件抽象接口和FPGA波形組件容器設(shè)計，有效地解決了SCA架構(gòu)在ZedBoard上的實現(xiàn)問題，為在ZedBoard上實現(xiàn)以SCA架構(gòu)為核心的系統(tǒng)開發(fā)打下了基礎(chǔ)。
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