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基于ARM的IEEE802.11bMAC层协议IP核设计
摘要：介绍了IEEE 802.11b MAC层协议IP核设计，提出了基于32位微处理器ARM7DMI的系统设计方案，阐述了系统硬件平台的设计、结构及主要模块单元的功能；给出了利用形式描述语言SDL进行MAC层协议设计开发的完整设计流程；阐述了软件的层次结构，并针对设计中遇到的代码生成器的选择、设计优化、与实时操作系统（RTOS）的集成和环境函数编写等问题进行了深入讨论。目前各种协议的设计实现，大多数是基于微处理器、微控制器或DSP的嵌入式系统。ARM是ARM公司推出的高性能32位RISC微处理器，具有业界领先的体系结构，被广泛6应用于各种系统设计中。基于ARM的开发通常使用C、C 或汇编语言。笔者采用了更高级的形式语言SCL，大大缩短了协议的开发周期并提高了设计的可移植性。无线局域网是目前通信领域的一个研究热点，无线局域网的协议是非常典型的协议。本文将详细讨论使用SDL进行无线局域网802.11b MAC层协议的设计以及基于微处理器ARM7TDMI的系统实现方案。其设计方法具有普遍意义。
1 系统硬件平台设计及功能描述
整个系统硬件平台的设计主要分MAC层和物理层两部分。硬件平台的结构框图如图1所示。其中MAC层部分主要围绕32位微处理器ARM7TDMI和AMBA总线设计，其主要的单元模块和功能如下：
·PCMCIA接口，此接口为硬件平台和主机的通信接口。其设计遵循PC Card标准（版本5）。
·WEP算法加解密模块，此模块用硬件实现IEEE 802.11b MAC层协议定义的有线网等效加/解密算法。
·物理层数据接口，此接口用于完成物理层与MAC的数据交互操作，内部设计有发关和接收FIFO，用来完成数据的接收发送缓存。
·物理层控制接口，此接口用于完成MAC层对物理层的控制功能。例如无数据收发时，可以通过此接口控制物理层部分转入节能状态。
·存储器管理模块，此模块用于实现对系统所有存储器（如FLASH、ROM、RAM）的管理，处理器通过此模块对存储器进行访问。
·中断控制逻辑，此模块用于对系统中各模块产生的中断信号进行控制和管理。
·微处理器单元ARM7TDMI，用于完成与主机的通信，负责整个系统的控制和管理。
图1 硬件平台结构框图
物理层部分的设计主要分为四个单元：
·基带处理单元，主要用于完成基带信号的处理操作，如Rake接收、均衡、数/模、模/数转换等。
·中频处理单元，主要用于完成信号的调制解调处理。
·混频处理单元，主要用于完成射频中频的变频处理。
·射频处理单元，主要完成射频信号的功率放大功能。
MAC层的主要模块单元（外部存储器单元除外）用Verilog硬件描述语言设计并用Xilinx的FPGA Vertex II xc2v3000编程实现。物理层部分则主要用Intersil公司的PRISM芯片组及少量外围电路设计实现。
2 SDL及软件开发平台
SDL是一种层次化的描述语言，采用结构化和自顶向下的设计原则，把系统规范分为系统、块、子块、进程、服务和过程几个层次进行描述。系统、块和子块是静态描述，用于描述系统的结构；进程、服务和过程是动态描述，用于描述系统的行为。SDL的理论模型是通信扩展有限状态机，每个进程都是一个通信扩展有限状态机。
SDL与常用的高级语音有很好的接口，如可以从SDL描述的系统规范直接导出C、CHILL甚至VHDL语言，以嵌入式系统和软硬件混合系统实现；在进行规范定义时，SDL又允许嵌入高级语言，如C/C 语音、义等。因而可以在多个层次上对系统进行准确的规范和描述。因为SDL的上述特性，目前已被越来越多地用于协议软件的开发实现。
本文选用Telelogic公司的SDT4.3和ARM公司的ADS1.2作为主要的软件开发工具。使用SDT进行协议软件的开发步骤如图2所示。
在系统行为定义阶段，要特别注意代码生成器对SDL设计的结束，例如对于C advanced生成器不支持信道子结构、信号细化等；对于C micro生成器不支持连续信号、服务、优先输入/输出等。在系统行为分析仿真调试阶段，使用C basic/C advanced代码生成器产生系统代码，与SDT提供的仿真内核一起编译连接，得到系统行为的仿真醋，然后可以使用text、SDL、MSC等多种跟踪方式进行仿真调试。在系统行为验证时，使用相同的代码只不编译连接时加入SDT提供的验证内核，可得到系统行为的验证模型，可以使用自动状态空间遍历、覆盖率分析等方式进行系统行为的验证。仿真和验证都无环境函数，由仿真器和验证器充当系统的环境，产生和接收与系统交互的信号。在系统行为经仿真验证正确后，可以应用C advanced/C micro生成器产生面向应用的系统代码和环境函数。
应用SDT生成的代码经过适当修改和处理后可以输入ARM开发工具ADS，进行嵌入式系统的开发，其方法和设计流程详见后。
3 系统软件的设计和开发
系统的软件设计主要分为三部分：协议软件、驱动软件和接口软件。其中协议软件部分主要用于实现IEEE 802.11bMAC层协议定义的各种服务（如授权、关联等）和算法（如DCF、PCF、时钟同步算法等）。这一部分软件采用图2所示的设计流程，完全使用形式描述语言SDL进行设计实现，并使用SDT的代码生成器将SDL的系统描述换成面向应用的C/C 代码。驱动软件部分主要用于实现对硬件设备的驱动功能。如PCMCIA接口驱动，这一部分软件用C/C 语言进行设计实现。接口软件部分主要完成SDL转换出的系统代码与RTOS及硬件平台的接口功能。这一部分软件借用于代码生成器产生的环境函数，用C/C 语言设计实现。软件部分的层次结构如图3所示。
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