（通信与信息系统专业论文）基于dsp的协议重配置原型系统设计与实现.pdf

南京邮i 乜人学硕- j ：研究生学位论义 摘要 摘要 在移动通信环境中，多种无线接入技术并存将是一个发展趋势。为了使用户能在异构 网络环境中自由漫游和无缝切换，早在2 0 世纪9 0 年代学术界就开始研究软件无线电技术 ( s d r ) ，由其发展形成的端到端重配置( e 2 r ) 技术已成为目前的研究热点。其中，首先 需要解决的是各种无线接入协议的动态切换，即协议重配置技术。 论文总结笔者参与江苏省高科技项目“下一代泛在网络端到端重配置关键技术 的 研究心得，深入研究和探讨了在由a r m 、d s p 和f p g a 构成的嵌入式系统中，协议重配 置的实现技术。 论文首先概述协议重配置技术的发展背景，并指出通信底层协议实现重配置技术的特 点及难点。然后简要介绍了协议重配置研究的两种目标无线接入技术一一w i f i 和w i m a x 标准，以及协议重配置所用的d s p 处理器及其集成开发环境。在此基础上，给出了本文实 现协议重配置的原型系统的系统框架及其硬件结构，分析了该系统的优点，设计并实现了 a r m 模块与f p g a 模块的j t a g 配置接口、参数重配置接口，与d s p 模块的h p i 接口的 连接技术。最后以w i f i 和w i m a x 标准的m a c 层协议为研究对象，使用支持动态配置的 通用软件模型和基于d s p b i o s 系统的d y n a m i cl o a d e r 技术，详尽地给出了基于d s p 硬件 平台的协议重配置实现技术。 本文提出的协议重配置技术具有很好的通用性和可操作性，是一种通信底层协议动态 配置具有新意的方法，为实现全网络的端到端重配置奠定了基础，对下一代泛在网络的无 缝融合具有一定的参考意义。 关键词：协议重配置，动态加载技术，数字信号处理器，软件无线电，端到端重配置，w i f i 标准，w i m a x 标准 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n se n v i r o n m e n t ，t h ec o e x i s t e n c eo fm u l t i p l er a d i oa c c e s s t e c h n o l o g i e s ( r a t ) w i l lb eat r e n d i no r d e rt or e a c hf r e er o a m i n ga n ds e a m l e s ss w i t c h i n gi n h e t e r o g e n e o u sn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，t h ea c a d e m i ab e g a nt os t u d ys o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ( s d r ) t e c h n o l o g yi ne a r l y19 9 0 s i tl e dt oe n d - t o e n dr e c o n f i g u r a b i l i t y ( e 2 r ) t e c h n o l o g ya s o n eo ft h ec u r r e n tr e s e a r c hf o c u s t a lt oe 2 r 舀h o wt os w i t c hb e t w e e nd i f f e r e n tr a t ，s d y n a m i c a l l y , t h a ti s ，h o wt os o l v et h ep r o b l e mo fp r o t o c o lr e c o n f i g u r a t i o n t h ea u t h o r sr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n de x p e r i e n c e sa r es u m m a r i z e di nt h i st h e s i s ，w h i c h w e r eg a i n e di nj i a n g s up r o v i n c a lh i 曲一t e c hp r o j e c t r e s e a r c ho nt h e k e yt e c h n o l o g i e so f e 2 r 如r n e x tg e n e r a t i o n u b i q u i t o u sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ”a ni n d e p t hd i s c u s s i o na n d i n v e s t i g a t i o ni sc o n d u c t e do nt h ei m p l e m e n t a t i o no fp r o t o c o lr e c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g yi n e m b e d d e ds y s t e m ，w h i c hi sc o m p o s e do f a r m ，d s pa n df p g a p r o c e s s o r s t h eb a c k g r o u n do fe 2 rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti sr e v i e w e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d d i f f i c u l t i e so fl o wl e v e lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sr e c o n f i g u r a t i o ni sp o i n t e do u ta tt h eb e g i n n i n g o ft h et h e s i s t h e n ，t w ot a r g e tr a ts t a n d a r d s ，w i f ia n dw i m a x p r o t o c o l s ，a n df u n d a m e n t a l so f d s pa n di t si n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta r eb r i e f e d b a s e do nt h ea b o v ed i s c u s s i o n ，t h e f r a m e w o r ka n dh a r d w a r ec o m p o n e n t so ft h ep r o t o c o l r e c o n f i g u r a t i o np r o t o t y p es y s t e ma r e p r o v i d e d 、析mt h e i rr a t i o n a ld e p i c t e d s y s t e mi n t e r f a c e sa r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e di n c l u d i n g j t a gc o n f i g u r a t i o ni n t e r f a c ea n dp a r a m e t e rr e c o n f i g n r a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e na r m a n df p g a a sw e l la sh p ii n t e r f a c eb e t w e e na r ma n dd s e f i n a l l y , u s i n gag e n e r a l i z e ds o f t w a r em o d e l s u p p o r t i n gd y n a m i cc o n f i g u r a t i o na n dd s p b i o sb a s e dd y n a m i cl o a d e rt e c h n o l o g y , ap r o t o c o l r e c o n f i g u r a t i o ni m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g yi sd e t a i l e d ，w h i c hi sr e a l i z e do nd s ph a r d w a r e p l a t f o r ma n dt a r g e t i n gt h em a cl a y e rp r o t o c o l so fw i f ia n dw i m a x t h ep r o p o s e dt e c h n o l o g yf o r p r o t o c o lr e c o n f i g u r a t i o ng i v e sa ni n n o v a t i v ew a yt o r e c o n f i g u r el o w e rl a y e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sd y n a m i c a l l ya n di so fg o o dg e n e r a l i t ya n d o p e r a b i l i t y t h ew o r kh a sl a i das o l i df o u n d a t i o nf o re 2 ra n dc o n t r i b u t e dc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e f o rs e a m l e s si n t e g r a t i o no fn e x tg e n e r a t i o nu b i q u i t o u sn e t w o r k s k e y w o r d s ：p r o t o c o lr e c o n f i g u r a t i o n ，d y n a m i cl o a d i n g ，e n d t o - e n dr e c o n f i g u r a b i l i t y ( e 2 r ) ， s o f t w a r e - d e f i n e dr a d i o ( s d r ) ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，w i f i ，w i m a x i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 省、芝、泣 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：蠡杰遗导师签名 日期竺耻： 南京邮电人学硕士研究生学位论文第一章弓i 言 第一章引言 1 1 软件无线电技术 移动通信技术发展迅速，新的无线通信技术和标准层出不穷。在移动通信环境中，多 种异构的移动通信技术并存将是一个显著的特点，这主要是由开放的移动通信市场环境和 快速的技术发展等因素决定的【l 】。异构移动通信技术并存在某种程度上促进了移动通信的 发展，并在一定程度上满足了广大用户不断提高的业务数量和质量的要求。为了使用户能 在这样的应用环境中自由漫游和无缝切换，就提出了异构无线接入技术间的互通和融合问 题。融合可以在终端、网络、业务多个层面实现，最为关键的就是能灵活支持多种无线技 术的终端重配置，其技术基础就是软件无线电( s d r ，s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 1 2 。 软件无线电概念在2 0 世纪7 0 年代后期首次提出，9 0 年代开始广泛研究。理想的软件无 线电技术能够通过配置终端设备实现任意模式的变化【3 】。软件无线电的核心思想是：将模 数转换尽可能靠近天线，用软件完成尽可能多的无线及个人通信功能( 如调制、编码、交 织等) 。软件实现的通信功能采用模块化的设计思想，通过各种可转换、可替代、可定制、 可重用的组件模块的使用，完成终端的可重配置能力。 随着研究的深入，人们发现仅以终端设备为研究目标，无法充分发挥软件无线电技术 的灵活性以及对异构接入技术的支持作用。因此，基于软件无线电技术的端到端重配置技 术的研究应运而生。 1 2 端到端重配置技术 端到端重配置( e 2 r ，e n d - t o e n dr e c o n f i g u r a b i l i t y ) 技术是指针对无线接入技术环境的 异构性特点，以异构资源的最优化使用和用户对业务的最优化体验为目标，综合可编程、 可配置、可抽象的硬件环境以及模块化的软件设计思想，使网络和终端具备支持多种接入 技术，且可灵活适配能力的技术1 4 。有别于s d r 倾u 重于研究终端设备，它强调的是系统的 概念，从系统的视角关注软件无线电在整个网络体系架构中的端到端应用，涉及从通信源 端到目的端的各个环节和协议标准的所有层次，是一种具有前瞻性的异构网络融合的解决 方案。 端到端重配置技术包括终端重配置技术、网络重配置技术和业务重配置技术。重配置 技术的相关研究包括：终端和网络设备软件下载和无线接入技术重配置，重配置的控制管 理机制，异构网络的联合无线资源管理，动态频谱分配技术【5 1 。相对于传统的融合技术思 l 塑皇唑! 坚叁兰堕：! 堕壅竺兰垡堡竺 笙二至! ! 童 路，端到端重配置技术具有更广泛的通用性和可扩展性。重配置环境下的终端和网络设备 具有灵活的软件下载和无线技术的重配置能力，用户可以根据终端所处的环境特征和业务 需要选择合适的无线接入技术。端到端重配置技术对于解决目前复杂的异构无线技术共存 问题有着重要的意义【6 】。可重配置实体通过灵活配置和选择合适的接入技术，可以减少异 构环境中可能的系统干扰，并可缓解资源不足等问题，并可通过联合无线资源管理等技术， 实现网络资源的最优化使用。 在实现终端和网络无线接入技术重配置时，首先需要解决的是各种无线接入协议的动 态切换，即协议重配置技术。 1 3 协议重配置技术 协议重配置就是对一种通信协议进行适当的更新和配置，转换成另一种目标协议。如 果整个协议配置过程是实时动态进行的，称为动态协议重配置。支持重配置的协议，必须 采用软件实现，而不是硬件实现，同时在软件实现时，往往需要根据功能划分成各个模块， 也就是采用功能模块化的软件实现模型。 本文侧重研究基于d s p 硬件平台的底层通信协议的重配置技术，由于d s p 系统资源比 较缺乏和实时应用的要求，d s p 应用软件一般直接运行在处理器上，没有操作系统支撑， 因此也就无法直接采用一些成熟的基于操作系统的软件动态配置技术。另一方面，传统的 d s p 软件重配置或者动态配置技术，是对整个d s p 储存区进行重新配置，配置时间较长， 往往不能满足移动通信中的实时应用。这是在d s p 环境中动态协议重配置技术所必须解决 的两个主要问题。 1 4 论文主要内容及本人所做工作 本论文课题研究源自江苏省高科技项目“下一代泛在网络端到端重配置关键技术”。 该项目主要研究面向多无线电环境的终端重配置技术，提出终端重配置通用硬件平台、基 于软件无线电的软件重配置技术、无线链路协议的通用软件实现模型；研究终端重配置的 网络支撑技术，提出重配置过程的管理系统、控制信令和重配置软件的下载方法和流程； 研究基于网络环境特征的业务重配置技术，设计并实现具有动态可重配置的应用层业务。 论文基于笔者在该项目的研究心得，深入研究和探讨了在由a r m 、d s p 和f p g a 构成 的嵌入式系统中，协议重配置原型系统的设计与实现。论文第二章简要介绍了协议重配置 研究的两种无线接入技术一一w i f i 和w i m a x 协议标准，重点介绍了各自的m a c 层协议。 第三章概述了协议重配置技术的硬件实现环境一- - d s p 处理器的结构和特点，并详细给出 原型系统所使用的t i 公司t m s 3 2 0 c 5 4 x 系歹i j d s p 处理器的系统资源，然后简单介绍了d s p 2 塑皇些坐叁兰堡土型! 壅竺堂垡堡苎 丝二翌! ! 童 应用软件的集成丌发环境c c s 和b i o s 系统。第四章给出了支持动态协议重配置的原型系统 的系统框架和模块功能，以及各模块间互联的接口技术。这些接口技术包括a r m 模块与 f p g a 模块之间的j t a g 配置接口和参数重配置接口的软硬件设计，a r m 模块与d s p 模块之 间的h p i 接口的连接技术。论文最后在第五章详尽地给出了基于d s p 平台的协议重配置的实 现技术，首先设计了支持多种协议的通用软件实现模型，利用该模型对w i f i 协议和w i m a x 协议根据协议功能迸行模块划分，然后使用基于b i o s 系统的配置文件和d y n a m i cl o a d e r 工 具分别完成各个模块的软件实现，构建出具有动态加载其他模块能力的静态模块以及在加 载过程才进行链接的动态模块，最后给出了利用这些模块可执行映像进行协议构建和重配 置的具体步骤。 本人主要完成两项关键工作，原型系统模块间的接口设计和d s p 环境中的协议重配置 技术实现。前者实现模块间的数据交换和通信，控制模块间的交互过程，使得原本分散的 多个模块组成一个功能完备的原型系统。后者是课题研究项目的核心内容，解决了d s p 应 用软件缺乏操作系统支持难以实现动态重配置和d s p 存储器部分重配置两个难点，是一种 通信底层协议动态配置具有新意的方法，为实现全网络的端到端重配置奠定了基础。 南京i i i g t 1 人学硕：i ：研究生学位论文第二章w i f i 和w i m a x 标准简介 第二章w i f i 和w i l v l a x 标准简介 本文侧重研究通信底层的协议重配置技术，目标协议分别是无线局域网( w l a n ， w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 的无线高保真标准( w i f i ，w i r e l e s sf i d e l i t y ) 和无线城域网 ( w m a n ，w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 的微波接入全球互操作标准( w i m a x ， w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) ，这些标准都旨在定义i s o o s i 参考模型 下两层( 物理层和数据链路层) 的操作规范。w i f i 技术采用i e e e 8 0 2 1 1 系列标准，本文侧 重研究i e e e8 0 2 1 1 b 标准。w i m a x 技术采用i e e e 8 0 2 1 6 系列标准，本文主要研究i e e e 8 0 2 1 6 d 标准。 2 1 w i f i 概述 基于i e e e8 0 2 1 1 b 协议的w i f i 标准阴，工作在i s m2 4 g h z 频段上，使用基于补偿码键 控( c c k ) 调制方式和直接序列扩频( d s s s ) 扩频方式，可以提供最高11 m b s 的传输速 度。 w i f i 支持两种服务类型：基本服务集( b s s ) 和扩展服务集( e s s ) 。b s s 描述一个 w i f i 无线局域网的基本构件，包括两个或多个站点，站点可以是固定的，也可以是移动的， 而且站点间可以互相通信，有效支持对等通信。如果一个站点离开了b s s ，就不能和该b s s 内的其它成员站点直接通信。两个或多个b s s 通过接入点( a p ) 互连，形成了一个e s s 。 这些互联的b s s 就构成了一个基本结构，称为一个分布系统( d s ) i s 。w i f i 标准有以下三 种拓扑结构： i n d e p e n d e n tb s s 网络，不使用a p 作为连接的中心，站点之间直接通信，也被叫作 对等网或者自组织( a dh o c ) 网络，是最基本的网络类型。 i n f r a s t r u c t u r eb s s 网络，使用a p 作为网络控制中心，所有其他站点对网络的访问 均由其控制。在实际应用中，w l a n 往往与有线网结合起来，a p 往往充当w l a n 与有线网络的转换器。 e s s 网络，使用a p 和有线网络将两个或者多个b s s 连接起来的网络，站点可以实 现跨b s s 的移动应用。 物理层包括三个功能子层：管理子层、物理层汇聚协议子层( p l c p ) 和物理媒介相关 子层( p m d ) ，支持在无线媒介中采用多种传输技术，如跳频扩频、直接序列扩频、红外 线、窄带调制等。 4 南京1 1 1 1 j 1 人学硕i ：研究生学位论文第二章w i f i 和w i m a x 标准简介 2 2 w i f im a c 层结构与功能 w i f i 标准m a c 层定义访问共享物理层信道所应遵循的协议规范，包括寻址方式、访 问协调等功能。m a c 层采用独特的媒体访问控制机制，即各站点以载波侦听多路接入冲 突避免( c s m a c a ) 的方式共享无线媒体。m a c 层还可以根据需要对数据包进行分段和重 组，对接收到的数据进行重新排序等功能。 m a c 层提供二种访问机制：分布协调功能( d c f ) 是w i f i 的基本访问机制，作用于 b s s 和基本网络构架中，支持竞争型异步业务，可在所有站点中实现；集中控制访问机制， 即点协调功f i 邑( p c f ) ，支持无竞争型时限业务和无竞争异步业务。p c f 功能是以d c f 为基 础的。其逻辑结构如图2 1 所示。 图2 1w i f im a c 层的体系结构 竞争型业务并 p c f 的基础 2 3 w i m a x 概述 w i m a x 标准例工作在2 6 6 g h z 频段上，每个频道带宽为2 0 m h z ，最高传输速率可达 7 5 m b s ，最大传输距离可达5 0 公里，提供具有认证加密安全功能和q o s 保证机制的数据传 输服务。w i m a x 可使用两种网络拓扑结构组网：点到多点( p m p ) 结构和网状( m e s h ) 结构。 w i m a x 标准物理层协议定义了多种规范，每一种适用于特殊的频率范围和应用。在 l o 6 6g h z 这个频段，需要满足视距传输的需求，i e e e8 0 2 1 6 协议定义了一种物理层规范： w i r e l e s s m a n - s c 模式，即采用单载波调制方式，可以采用q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 调制技术。 在w i r e l e s s m a n s c 模式下，下行信道采用时分复用( t d m ) 方式，上行信道采用时分多址 接f i , ( t d m a ) 与按需分配多址接入( d a m a ) 相结合的多址方式。 。 在2 11 gh z 这个频段，满足非视距传播要求，i e e e8 0 2 1 6 协议定义了三种物理层规范： 增强单载波( w i r e l e s s m a n s c a ) 模式、j 下交频分复用( w i r e l e s s m a n o f d m ) 模式以及 正交频分多址( w i r e l e s s m a n o f d m a ) 模式。其中，w i r e l e s s m a n s c a 模式也指单载波 5 塑窒坚! 坚叁堂堕! ：堕塑竺堂丝堡兰釜三主型! ! ! 塑! ! 坚坐堡堡塑坌 调制方式，w i r e l e s s m a n o f d m 模式是采用2 5 6 点变换o f d m 技术，w i r e l e s s m a n o f d m a 模式是采用2 0 4 8 点变换o f d m 技术。在w i r e l e s s m a n s c a 和w i r e l e s s m a n o f d m 模式下， 一般在下行信道采用t d m 方式，上行信道采用t d m a 与d a m a 相结合的多址方式，而在 w i r e l e s s m a n o f d m a 模式中，上行信道和下行信道都采用了o f d m a 方式1 1 0 】。 2 4 w i m a xm a c 层结构与功能 w i m a x 标准m a c 层协议栈如图2 2 所示，从图中可以看出该层包含三个子层：特定业 务汇聚子层( c s ) 、m a c 公共部分子层( m a c c p s ) 和安全子层( s s ) 。 上层 厂一、 jl 特定业务汇聚子层 ( c s ) ( m a cs a p ) 一 c层m a c 公共部分予层 ( m a c - c p s ) 加密子层 ( s s ) 1r ( r n y i s o 物理层 图2 2w i m a x 标准m a c 层协议组成结构 2 4 1c s 子层 c s 子层接收来自上层的协议数据单元( p d u ) ，对其进行分类并映射到特定的m a c 连 接，并通过m a cs a p 将数据交给m a c c p s 子层。根据外部上层协议的不同，定义了不同 类型c s 子层，为上层提供不同的接口。目f i i j i e e e8 0 2 1 6 d 定义的两种c s 子层是a t mc s 和 p a c k e tc s ，主要规范了分类和净荷头部压缩( p h s ) 两个功能。 a t mc s 子层定义了对来自外部a t m 层的p d u 进行汇聚的协议规范，作为联系各种 a t m 业务和m a cs a p 的逻辑接口。分类功能是所有c s 子层的主要功能，它使用特定的分 类器、分类优先级和连接属性，对数据进行区别，确定数据的业务流特征和q o s 属性。a t m c s 分类器使用2 种分类器，分别以v p i 和v c i 为匹配对象。分类后的a t m 信元将被映射到以 1 6 比特长度的连接标识符( c i d ) 为标识的m a c 连接上，在w i m a x 网络中传输时不再使 用v p i 币i v c i 域，因此去除信元头部的这两个域，起到净荷头部压缩作用。另外信元的h e c 6 塑皇! ! ! ! ! ! 坚叁兰堡! ：堕壅竺堂丝堡兰笙三主! ! ! ! 塑兰竺垒圣堡丝堕坌 域也将去除，因为在m a cc p s 子层中形成的新m a cp d u 有自己的头部校验域( h c s ) 。 p a c k e tc s 子层支持的上层协议是诸! t h i p 、p p p 、i e e e 8 0 2 3 等基于分组的网络协议。 p a c k e tc s 使用了多个分类器，根据分类器优先级来决定各个分类器使用次序。如果分组和 某个分类器的所有参数匹配则转发到相应的连接上，如果找不到匹配的分类器则选择默认 的连接或丢弃分组。确定了分组的连接之后，就生成相应的c i d 、业务流标识( s f i d ) 和 p h s 准则。 2 4 2m a c c p s 子层 m a c c p s 子层实现m a c 层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立以及连 接维护，它通过m a cs a p 从各种类型的汇聚子层接收数据，并可以提供q o s 机制。 m a c p d u 由固定长度的m a c 报头、可变长度的净荷和可选的c r c 检验三部分组成。 m a c 报头有两种形式，通用报头和带宽请求报头，如图2 3 所示。通用报头用于封装m a c 层管理消息和c s 子层传递过来的业务数据，带宽请求报头用于带宽分配管理。表2 1 和表 2 2 分别给出了通用报头和带宽请求报头中各域的说明。 弓 _ 、 o，、o 。 - 一 丫 _ e k s ￥ l e n i 盈 m s b ( 3 ) 凸 ut y p e ( 6 ) 星 u ( 2 ) 王 【日 l e nl s b ( 8 ) c i dm s 乓8 ) c i dl s 耳8 ) h c s ( 8 ) ( a ) 通用报头 s。 百 菩 t y p e ( 3 ) b rm s b ( 1 1 ) 莹 b rl s b ( 8 )c i dm s b ( 8 ) c i dl s b ( 8 ) h c s ( 8 ) ( b ) 请求带宽报头 图2 3 通用报头和带宽请求报头格式 7 南京邮l u 大学颀i ：研究生学位论文 第- 二章w i f i 和w i m a x 标准简介 表2 1m a c 通用报头中各域说明 域名长度比特描述 c i 1 c r c 校验指示。1 = 该p d u 中包含c r c 校验信息； o = 该p d u 中不包含c r c 校验信息。 e c1 加密控制。0 = 净荷没有被加密；1 = 净荷被加密。 e k s2 加密密钥序列 h c s8 报头校验序列 h t1 报头种类，设为0 l e n1 1 报文字节长度，包括报头、净荷和c r c 部分。 t y p e 6指示净荷部分所包含的子报头或特殊净荷类型 表2 2 带宽请求报头中各域说明 域名长度比特描述 b r1 9s s 在该c i d 上所请求的上行带宽的字节数 c i d1 6 连接标识 b cl 总设置为0 h c s8 报头校验序列 h t 1 报头种类，总设置为l t y p e 3 指示带宽请求报头的种类 2 4 3 安全子层 安全子层位于m a cc p s 子层下方，提供鉴权、密钥交换和数据加密等功能，主要包括 以下两部分内容： ( 一) 数据包的加密封装协议，定义了一系列的认证和加密算法在m a c 层净荷中的应用 规则，对b s 和s s 之间传递的数据进行加密，并提供认证和密钥交换。 ( - - ) 密钥管理协议( p k m 协议) ，定义一个授权模式的客户n 务器密钥管理协议，提供 b s 与s s 之间安全的密钥分配机制。此协议保证了s s 与b s 的密钥同步，s s 通过p k m 协 议从b s 获得授权密钥( a k ) 和会话密钥( t e k ) ，并进行周期性再认证和密钥更新。 8 南京邮电人学硕一t ：g f 究生学位论文第三章d s p 硬件，i 台及开发环境 第三章d s p 硬件平台及开发环境 3 1 d s p 硬件结构及特点 数字信号处理技术的核心和标志是数字信号处理器( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 。 从第一个微处理器问世以来，处理器技术得到了飞速的发展。快速傅里叶变换( f f t ) 等 实用算法的提出促进了专门实现数字信号处理的处理器的分化和发展。数字信号处理器强 调运算处理的实时性，因此d s p 芯片除了具有一般处理器的高速运算和控制功能外，还针 对实时信号处理，在处理器结构、指令系统和指令流程上做了很大改进，其硬件结构特点 如下【1 1 】： ( 1 ) d s p 普遍采用数据总线和程序总线分开的哈佛结构或改进的哈佛结构，与传统 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) 的冯诺依曼结构( 普遍c p u 使用的数据与程序共享总线的结构，如i n t e lx 8 6 处 理器系列) 相比，指令执行速度大大提高。 针对滤波、相关性、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，d s p 大多配有 独立的乘法器和加法器，使得在同一周期内可以完成相乘和累加两个运算。有 的d s p 可以同时进行相乘、相加、相减运算，大大加快了f f t 碟形运算的速度。 片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄存器 用于寻址，他们可以在当前访问前后自动修改内容，以指向下一个要访问的地 址，并且支持循环寻址和位反序寻址。 d s p 大都采用流水线技术，每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译 码、取数、执行等步骤，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执 行时间。 配有中断处理器和定时控制器，可方便地构成一个小规模系统。 具有软硬件等待功能，能与各种存储器配合使用。 许多d s p 带有d m a 通道控制器，以及串行通信口等，配合片内多总线结构， 数据块传送速度大大提高。 低功耗。d s p 芯片功率一般为0 5 w - 4 w ，若采用低功耗技术的d s p 芯片只有 0 0 5 w ，可用电池供电，很适合嵌入式系统，而p e n t i u m 、p o w e rp c 等普通微处 理器的功耗则高达2 0 w - 5 0 w 。 3 2 t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列处理器特点 在众多d s p 芯片的生产公司中，美国德州仪器( t i jt e x a si n s t r u m e n t s ) 公司最为突 9 堕室堕! 垒查兰堡! ：型! 壅竺堂垡笙塞 丝兰翌里竺竺堡! 鱼丝茎垄竺望 出，其产品遍及全球，在d s p 市场中占有率最高，成为全球d s p 研发和生产的领先者。 目前，t i 公司以t m s 3 2 0 系列d s p 为主，分为c 2 0 0 0 系列、c 5 0 0 0 系列和c 6 0 0 0 系列三 - 、，巴 大主流产品。c 5 0 0 0 系麴以高效益、低功耗为特点，其中子系列t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 芯片广 泛应用于通信、消费电子和汽车等很多领域。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列( 简称c 5 4 系列) d s p 芯片主要有以下特点【1 2 1 ： ( 1 ) 运算速度快，可以达到3 0 m i p s 5 3 2 m i p s 。 ( 2 ) 优化的c p u 结构。c 5 4 系列d s p 的内部硬件组织框架如图3 1 所示。内部有一 个4 0 位的算术逻辑单元( a l u ) ，2 个4 0 位的累加器( a 和b ) ，1 个4 0 位的加 法器，1 个1 7 位1 7 位的乘法器和一个4 0 位的桶型移位器。有4 条内部总线 和2 个地址产生器。采用高级多总线结构，有l 条程序总线( p b ) 、3 条数据总 线( c b ，d b ，e b ) 和4 条地址总线( p a b ，c a b ，d a b ，e a b ) 1 3 】。 ( 3 ) 功耗低。该系列d s p 核心可以在3 3 v 、2 5 v 和1 8 v 甚至是1 2 v 的低电压方式 下工作。 ( 4 ) 智能外设。除了标准的串行口和时分复用串行口外，还提供有自动缓冲串行口 和用于外部处理器通信的h p i 接口。 本文使用了c 5 4 系列中的c 5 4 1 0 处理器，其内部资源如表3 1 所示，r a m 空间和r o m 空间分别是6 4 k 字和1 6 k 字，c 5 4 1 0 为1 6 位处理器，机器字宽为1 6 比特，r o m 空间只 能作为程序空间，而r a m 空间既可作为程序空间，也可作为数据空间。 表3 1c 5 4 1 0 片内资源表 r a m ( k w )r o m ( k w ) m c b s p 并行口定时器 指令周期( n s ) 6 41 63h p i11 0 l o 南京邮i 乜人学硕i ：研究生学位论文第三章d s p 硬件、f 台及开发环境 图3 1c 5 4 系列的内部硬件功能框图 3 3 集成开发环境c c s 和b i o s 系统 3 3 1 集成开发环境c c s t i 公司为了加速和提高程序员创建和测试实时d s p 处理系统的开发过程，专门提供 了一套功能完备的集成开发环境c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 。c c s 基于w i n d o w s 系统平 台，是目前最流行、最优秀的d s p 开发软件之一，所有的t id s p 都可以使用该环境进行 开发。基于d s p 的协议重配置技术的所有开发都是在c c s 中完成的，所以在本节有必要 i i 南京邮i u 人学硕：f ：研究生学位论文 第三章d s p 硬件、f 台及开发环境 简单介绍c c s 的功能和使用。 c c s 集成开发环境主要包括以下几部分：可视化的代码编辑器，代码编译工具( c 编 译器，汇编器( a s s e m b l e r ) ，链接器( l i n k e r ) ，存档器( a r c h i v e r ) ) ，调试和断点工具， h e x 格式转换工具，绝对地址列表器，交叉引用列表器以及d s p b i o s 工具。在c c s 环境 中，可以使用汇编语言和c c + + 语言作为编程语言14 1 。使用c c s 的软件开发过程如图3 2 所示，从图中可以看出c c s 提供的各种工具在软件开发过程中的使用场合和使用顺序，同 时，也可以看出c c + + 语言和汇编语言混合编程时的组织过程。 汇编器和链接器输出的文件是公共目标文件格式( c o f f ，c o m m o no b j e c tf i l e f o r m a t ) ，该格式以段的形式来管理程序中的数据和代码。所谓段，通常是指存储空间中连 续的一个数据或代码块，c o f f 目标文件至少应包含以下3 个默认的段： ( 1 ) 文本段，包含可执行代码； ( 2 ) 数据段，包含初始化的数据； ，( 3 ) 保留空间段，为没有初始化的变量保留存储空间。 汇编器对段的处理是，将相同段名的语句汇编在一起，生成c o f f 目标文件。而链接 器对段的处理是，将不同c o f f 目标文件中相同段结合在一起，产生可执行的输出模块。 如果输出模块在链接时重新定位每个段，那么链接器还将各个段分配到存储器中指定地 址。 可执行c o f f 文件在装入目标系统的存储器时，必须进行地址重定位。重定位可以在 链接时或运行时进行，c c s 中软件开发的默认配置是生成链接时重定位的输出文件，但考 虑到协议重配置技术的实现要求，我们必须配置部分生成模块采用运行时进行重定位。重 定位一般进行如下处理： ( 1 ) 将每个段分配到存储器空间中，使之从适合的地址开始； ( 2 ) 将符号变量调整到对应新段的地址； ( 3 ) 将引用调整为重定位后的符号，这些符号反映了调整后的新符号值。 如果c o f f 文件使用链接时重定位配置，那么这些重定位处理是由链接器完成的；如 果使用运行时重定位配置，那么重定位处理则需要由运行时系统的某些工具来完成，进行 动态重定位解析。 1 2 南京l h g i i 人学硕i ：研究生学位论义第三章d s p 硬件一f 台及开发环境 图3 - 2c c s 环境的软件开发过程 3 3 2 b 1 0 s 系统 c c s 除了集成常规的开发工具以及调试环境之外，还提供了d s p b i o s 系统开发工具。 d s p b i o s 是一个简易的嵌入式操作系统，它能大大方便用户编写多任务应用程序，本身 占用极少的c p u 资源。b i o s 提供底层的应用函数接口，可用于支持系统实时分析、线程 管理、调度软件中断、周期函数以及外部硬件中断与各种外设的管理。 在c c s 中开发d s p 应用软件有两种开发模式，一种是完全使用自己编写的代码来控 制d s p 的所有资源以及程序流程，称为传统模式，另一种借助b i o s 提供的功能来管理资 源和程序流程，称为b i o s 模式。在b i o s 开发模式中，有两个重要特点： 1 3 堕室坐! 垒查兰婴：! 望! 塑竺堂垡笙茎笙三翌里翌壁竺：! ：鱼垄茎垄墅望 第一，所有与硬件有关的操作都必须借助b i o s 本身提供的函数完成，开发者应避免 直接控制硬件资源，如定时器、d m a 控制器、串口、中断等。开发人员可以通过c c s 提 供的图形化工具在b i o s 的配置文件中完成这些设置，也可以在代码中通过a p i 调用完成 动态设置。第二，带有b i o s 功能的程序在运行时与传统模式丌发的d s p 程序有所不同。 传统模式开发d s p 的软件中，用户自己的程序完全控制d s p ，软件按顺序依次执行，而使 用b i o s 系统后，由b i o s 系统控制d s p ，用户的应用程序建立在b i o s 的基础上。用户程 序也不再是按编写的次序顺序执行，而是在b i o s 的调度下按任务、中断的优先级排队等 待执行。 b i o s 系统主要包括下列模块： c l k 模块：用于片上的定时器管理，设置定时器中断的间隔时间。 h