潘志鵬，吳 斌，楊 坤，葉甜春

（中國科學院微電子研究所，北京100029）

近十年來，隨著無線局域網(wǎng)（WLAN）技術的飛速發(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，而且不同應用場景也導致芯片的架構差別極大，這些都使得WLAN芯片的設計實現(xiàn)面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。

片上系統(tǒng) SoC（System-on-Chip）已成為當今數(shù)字集成電路設計的必然選擇，而SoC設計的關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)的互連結構，可以將各個模塊互連起來，解決整個系統(tǒng)功能模塊間的相互通信問題[6]。如果針對特定協(xié)議、特定應用場景設計特定的總線架構，將使得無線SoC的設計、驗證工作量巨大，無法形成靈活、可重用的平臺化SoC解決方案，給SoC架構設計人員帶來極大的技術挑戰(zhàn)?；谝陨峡紤]，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。

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)絡通信的范疇，均是有一個固定的層次結構。為了實現(xiàn)不同設備之間的可靠通信，不同協(xié)議的標準都是按照開放系統(tǒng)互聯(lián)OSI（Open System Interconnect）參考模型去制定的。這個模型把網(wǎng)絡通信的工作分為7層，分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。網(wǎng)絡中各結點都有相同的層次，不同結點相同層次具有相同的功能，同一結點相鄰層間通過接口通信。層次化結構使得通信協(xié)議的實現(xiàn)可以實現(xiàn)模塊化，降低了設計的復雜度。

根據(jù)OSI的參考模型，對于不同的網(wǎng)絡通信協(xié)議，IP層(網(wǎng)絡層)以上各層均可以實現(xiàn)標準化，關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，就必然會同時具備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節(jié)則交由PHY負責[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現(xiàn)；MAC層則一分為二，將計算密集型或者時序約束性強的功能用硬件實現(xiàn)(Low MAC)，反之則用軟件實現(xiàn)(High MAC)；驅(qū)動相關或更上層的功能則全部用軟件實現(xiàn)，配置方便，靈活性高。

隨著WLAN協(xié)議的不斷更新或改進，各個層次的功能都有較大程度的提升，相應的技術方案就必須做適當?shù)恼{(diào)整。同時，軟硬件之間的接口交互方式也會隨著不同場合的應用需求而有所差別。這就要求WLAN芯片的設計必須具備良好的可擴展性和可重用性等特點，因此采用基于一種靈活可配置的總線架構將顯得至關重要。

2 基于AHB總線的芯片結構

2.1 AHB總線架構

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公司設計，目前已被工業(yè)界廣泛采用。其特點如下：

(1)單時鐘沿操作；

(2)非三態(tài)實現(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個主設備和16個從設備。

WLAN芯片的設計，不僅要保證功能的實現(xiàn)符合協(xié)議的要求，還要注重整個芯片的結構是否具有可擴展性和可重用性的特點。基于上述考慮，本文提出了一種基于AHB總線的WLAN芯片結構，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)劃分成兩個相對獨立的單元，一邊是執(zhí)行WLAN協(xié)議相關的功能單元，包括MAC、PHY以及AD/DA模塊；另一邊則是主機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、不同主機接口的應用需求。

2.2 AHB總線互聯(lián)結構設計

AHB總線結構包括AHB主設備、AHB從設備、仲裁器、譯碼器、主到從選擇器、從到主選擇器、默認主設備和默認從設備。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)結構，詳細設計如圖3所示。

2.2.1 仲裁器

仲裁器（Arbiter）是AHB系統(tǒng)總線的主要管理結構，負責多個主設備的總線仲裁，保證在任何時候只有一個主設備獲得總線使用權。

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)實際的情況選擇適當?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，在仲裁的過程中會根據(jù)一定的規(guī)律發(fā)生變化。本設計中，根據(jù)系統(tǒng)的需要，采用優(yōu)先級固定算法。

同時，本文設計的仲裁器對主設備支持lock傳輸，對從設備支持split傳輸，前者保證了突發(fā)傳輸?shù)膸捯?，后者則提高了整個系統(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制。為了實現(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行譯碼，同時輸出從設備的選擇信號。

在一個地址沒有被完全映射的設計中，當總線對不存在的地址空間進行訪問時，譯碼器應該選擇默認從設備，并由該設備提供傳輸響應。

3 系統(tǒng)分析及驗證

3.1 可擴展性、可重用性分析

3.1.1 不同應用接口分析

采用基于AHB的總線架構，可以使得芯片的層次結構更加分明，同時，也可以很容易地進行修改使其適用于不同的應用場合。根據(jù)不同的速率、不同的外設接口需求，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)結構、MAC、PHY等部分)，就可實現(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，只需要將芯片結構中的MAC和PHY進行相應的替換，而不用對其他部分進行任何修改，這體現(xiàn)了基于AHB總線的WLAN芯片結構具備可移植性的特點。

3.1.2 片內(nèi)有無CPU分析

基于AHB總線的WLAN芯片結構還具備可擴展性的特點，主要表現(xiàn)在方便集成CPU，如圖5所示。

(1)片內(nèi)無 CPU

芯片上只實現(xiàn)硬件部分的功能，而將所有軟件部分的功能放在主機上實現(xiàn)，大大簡化了芯片的設計。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內(nèi)存進行交互。但是，TCP/IP協(xié)議棧處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸中，要占用大量的主機CPU資源，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的復制、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CPU的負擔，可以將TCP/IP協(xié)議棧轉移到芯片上實現(xiàn)，這就要求芯片上有集成CPU。如果WLAN芯片是基于AHB總線進行設計的，則可以在原來的基礎上進行擴展，只需將CPU掛接在AHB總線上，便可實現(xiàn)對芯片上各模塊的控制。

3.2 系統(tǒng)驗證

依據(jù)本文提出的基于AHB的靈活可配置總線架構，應用于實際的WLAN芯片設計中。系統(tǒng)采用PCI外部接口，內(nèi)部暫時未集成CPU，片內(nèi)集成MAC和PHY。搭建的原型系統(tǒng)如圖6所示。

實測分析表明，該系統(tǒng)可以工作在80 MHz的系統(tǒng)時鐘上。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。首先介紹了WLAN芯片的系統(tǒng)框架，分析了芯片設計中對靈活可配置總線的需求；然后提出了基于AHB總線的芯片結構和設計思路，給出了AHB總線互聯(lián)結構設計；最后重點分析了該總線架構的可擴展性、可重用性等優(yōu)點，并將其應用于基于PCI總線接口的無線通信芯片中，最終完成了系統(tǒng)級的驗證。

[1]IEEE Std.802.11b-1999.Wireless LAN medium access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications：Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band.New York，NY，USA，Sep.1999.

[2]IEEE Std.802.11a-1999.Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications：High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band.New York，NY，USA，Sep.1999.

[3]IEEE Std.802.11g-2003.Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications：Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band.New York，NY，USA，Jun.2003.

[4]IEEE Std.802.11n-2009.Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications：Enhancements for Higher Throughput.New York，NY，USA，Oct.2009.

[5]IEEE P802.11ac.Specification framework for TGac.IEEE 802.11-09/0992r21.January 2011.

[6]汪健，劉小淮.嵌入式 SoC片上總線技術的研究[J].集成電路通訊，2008，26(3)：6-13.

[7]GAST M S.802.11 wireless networks：the definitive guide.O’Reilly，Sebastopol CA，USA，April，2002.

[8]ARM,AMBA specification rev 2.0.ARM Limited,1999.