（信号与信息处理专业论文）edge协议验证系统物理层接口与控制子系统的设计与实现.pdf

7 0q暂，1 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 髦遮 日期：亟l2 幸：! 目2 童囝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 玺车) 渣 日期： 玉辇2a 2 ( 固 导师签名：希日期：- 辞厶三出一 一j1 e d g e 协议验证系统物理层接口控制子系统的设计与实现 摘要 从第一代模拟移动通信系统到目前的第三代数字移动通信系统， 蜂窝移动通信已经历了3 0 余年的发展历程。作为欧洲第一个数字蜂 窝移动通信标准的g s m 系统于1 9 9 1 年正式在欧洲面世。由于其公 开的规范标准以及强大的漫游能力，该系统获得了空前的发展。 g s m 系统是当前的主要无线通讯系统之一，是第二代主流蜂窝移 动通信系统。其加强型技术e d g e 在g 网的基础上，又增加了分组 交换能力和更先进的调制技术，使现有的g 网更加快速和高效，更 为以后2 g 向3 g 的平滑过渡打下了坚实的基础。 本文主要介绍和分析了基于多核处理器p i c o a r r a y 芯片的e d g e 协议验证系统物理层接口控制子系统的设计和实现。从g s m 系统的 电路域交换到e d g e 系统分组交换数据业务，本文都做了详细的介 绍。文章的主要内容分为四个部分，从不同的开发阶段对该子系统进 行了具体的分析。首先本文进行了系统级分析，并给出控制与接口系 统的整体框架。然后从接口与功能设计的角度把每个组成该系统的子 模块作详细定义。第三，从实现流程上加以描述，给出具体开发时的 控制结构和实现细节描述。最后从模块协作调度的角度将系统集成测 试做了具体分析。 关键词：e d g e ，物理层，协议验证，p i c o a r r a y 1lllllilliilllllljlllll ，r l - t h ed e s i g na n d 皿l e n 埘t a t i o no fp h y s i c a l l a y e ri n t e i 心a c ec o n t r o ls u bs y s t e mi ne d g e p r o t o c o lv e r i f i c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t f r o mt h ef i r s t g e n e r a t i o na n a l o gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m st o t h ec u r r e n t t h i r d - g e n e r a t i o nd i g i t a l m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ， c e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sh a se x p e r i e n c e dm o r et h a n3 0y e a r s a s t h ef i r s te u r o p e a nd i g i t a lc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ，g s m s y s t e mw a so f f i c i a l l ya v a i l a b l ei ne u r o p ei n19 91 b e c a u s eo fi t sp u b l i c s t a n d a r d sa sw e l la s s t r o n gr o a m i n gc a p a b i l i t i e s ；i t c o m e st oa n u n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n t g s mi so n eo ft h em a j o rw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nt h e w o r l d a n da l s o ，i ti sad o m i n a n tc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m o fs e c o n dg e n e r a t i o n b a s e do nt h eg s m n e t w o r k , i t se n h a n c e dv e r s i o n ， e d g e ，h a sm o r ea d v a n c e dm o d u l m i o nt e c h n o l o g ya n dp a c k e ts w i t c h i n g c a p a b i l i t y , w h i c hm a d et h ec u r r e n tg s mn e t w o r km o r ee f f i c i e n ta n d f a s t e r ， t h i sp a p e rd e s c r i b e sa n da n a l y z e st h ep h y s i c a ll a y e ri n t e r f a c ea n d c o n t r o ls u b s y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o t o c o lv e r i f i c a t i o n s y s t e mo fe d g e ，w h i c hi sb a s e do nt h em u l t i c o r ep r o c e s s o r s ，p i c o a r r a y f r o mt h ec i r c u i t ss w i t c h i n gi ng s mt op a c k e ts w i t c h i n gi ne d g e ，t h i s p a p e rm a d ead e t a i l e di n t r o d u c t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri s d i v i d e di n t of o u rp a r t s f i r s ti tc o n d u c t e das y s t e m - l e v e la n a l y s i s t h e a r c h i t e c t u r eo ft h ec o n t r o la n di n t e r f a c es u b s y s t e mi sg i v e n t h e nf r o m t h ep e r s p e c t i v eo fi n t e r f a c ea n df u n c t i o n a ld e s i g n ，e v e r ym o d u l ei nt h e s y s t e mh a sb e e nd e f i n e di nd e t a i l t h i r d l y ，t h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s a n dc o n t r o ls t r u c t u r e sa r ed e s c r i b e d f i n a l l y , s y s t e mi n t e g r a t i o nt e s th a s b e e nd i s c u s s e d ，w h i c hc o n s i s t so fm o d u l es c h e d u l i n ga n dc o m m u n i c a t i o n p r o c e d u r e k e y w o r d s ：e d g e ，p h y s i c a ll a y e r , p r o t o c o lv e r i f i c a t i o n ，p i c o a r r a y 一 目录 第一章e d g e 系统介绍1 1 1e d g e 系统出现背景。l 1 2e d g e 技术特点2 1 3e d g e 对网络结构的影响一3 1 4 本文主要内容5 第二章p i c o c h i p 芯片的特点和开发简述6 2 1p i c o c h i p 芯片的特点介绍6 2 2p i c o c h i p 芯片编程概要8 2 3p i c o c h i p 中c 语言编程参考1 1 2 3 1c 语言编程的框架11 2 3 2 通讯端口的应用1 2 2 3 3 有关常量和属性1 3 第三章e d g e 物理层控制与接口子系统分析和架构设计1 5 3 1 基于流水线设计的e d g e 物理层系统框架一1 5 3 2a p i 总体架构设计1 7 3 3 高层通信原语的描述和分析18 3 4a p l 支持的物理层逻辑帧分析2 4 3 4 1e d g e 系统逻辑帧种类一2 4 3 4 2e d g e 系统逻辑帧的复帧组合2 7 3 4 2 1 电路域信道组合类型分析2 7 3 4 2 1 分组域信道组合类型分析2 9 第四章a p i 端口设计和功能分配3 2 4 1 下行控制模块功能和接口设计3 2 4 2 上行控制模块功能和接口设计一4 0 4 3 高层接口处理模块功能和接口定义4 5 4 3 1 输入接口处理模块功能及接口定义4 5 4 3 2 输出接口处理模块功能及接口定义4 8 4 4 数据处理模块功能和接口设计5 0 4 4 1 下行数据处理模块b s t x d a t a 5 0 4 4 2 上行数据分发模块b s r x d a t a 5 2 一l 一 4 4 3 数据环路辅助模块b s t e h l o o p 5 5 4 5 误码率计算模块功能和接口设计5 6 第五章接口与控制子系统的实现6 0 5 1a p i 状态机的分析与设计。6 0 5 2 控制流程的实现6 2 5 2 1 消息解析流程6 3 5 2 2 控制模块无线帧管理框架6 8 5 2 3 复帧的存储和管理7 1 5 2 4 复帧控制流程7 2 第六章接口与控制系统集成测试流程分析7 7 6 1 多核芯片编程测试。7 7 6 2 模块调试及出错查找方法。7 8 6 3 系统流程测试用例设计与分析7 9 6 3 1 物理层空闲状态的流程测试用例7 9 6 3 2 物理层运行状态的流程测试用例8 2 6 3 2 1 电路交换域的信道建立相关过程8 2 6 3 2 2 分组交换域的信道建立相关过程8 6 第七章工作总结与未来展望- 8 9 7 1 工作总结8 9 7 2 未来展望一8 9 参考文献9 l 致 谢9 3 攻读学位期间发表的学术论文9 4 l 。j1 f 北京邮电大学硕士学位论文 e d g e 系统介绍 第一章e d g e 系统介绍 1 1e d g e 系统出现背景 语音通信是第二代移动系统的主要服务，最近几年，移动通信设备则在大大 增强对数据通信的支持能力，一些标准的移动通信设备当前可以提供速率达 9 6 k b p s 的数据服务。但是这样低的数据通信速率显然无法满足移动设备多媒体 数据通信的需求，因此，厂商们纷纷在开发新的、速率更快的移动数据通信技术， 其中最典型的就是g p r s ( 通用分组无线服务) 、h s c s d ( 高速率电路交换数据) 和e d g e 。 这三种技术都能够不同程度地解决更高数据速率的需求问题。h s c s d 引进 了多时隙的概念，h s c s d 和g p r s 技术都是一种面向非连接的技术，用户只有 真正在收发数据时才需要保持对网络的连接，因此大大提高了无线资源的利用 率。除此之外，许多新的核心网络组件产品将使未来的移动通信产品可以直接访 问i n t e m e t i n t r a n e t 。 h s c s d 和g p r s 通过多时隙操作实现了较高的比特速率。但是因为这些技 术是基于高斯最小移频键控( g m s k ) 调制技术【1 9 1 ，因此每个时隙能够得到的速 率提高是有限的。为此，许多效率更高的调制方案纷纷出台，例如在t d m a 1 3 6 + 中，多时隙操作和新的调制方案8 p s k ( 基于3 0 k h z 的载波带宽) 的结合将使数 据率提高大约4 倍。 第三代无线通信i m t - 2 0 0 0 的优势主要在于能够使用宽带服务，大大改进目 前在g s m 和t d m a 1 3 6 上提供的标准化服务。第三代移动通信系统将提供 3 8 4 k b p s 的广域数据通信服务和大约2 m b p s 的局域数据通信服务。新的用于码分 多址访问( w 二c d m a ) 的2 g h z 频段已经得到了e t s i 、无线电工业与广播协会 ( a r i b ) 的支持。w - c d m a 将包括i m t - 2 0 0 0 设备所需要的所有功能。然而，向更 高的数据率发展并不仅限于新的2 g h z 频段，e d g e 技术也能够让使用8 0 0 、9 0 0 、 1 8 0 0 、1 9 0 0 m h z 频段的网络提供第三代移动通信网络的部分功能。 在此基础上，e r i c s s o n 公司于1 9 9 7 年第一次向e t s i 提出了e d g e 的概念。 同年，e t s i 批准了e d g e 的可行性研究，这对以后e d g e 的发展铺平了道路。 尽管e d g e 仍然使用了g s m 载波带宽和时隙结构，但它也能够用于其他的蜂窝 ，慵 北京邮电大学硕士学位论文 e d g e 系统介绍 通信系统。e d g e 可以被视为一个提供高比特率、并且因此促进蜂窝移动系统向 第三代功能演进的、有效的通用无线接口技术。在此基础上，统一无线通信论坛 ( u w c c ) 评估了用于t d m a 1 3 6 的e d g e 技术，并且于1 9 9 8 年1 月批准了该 技术。 在现有的g s m 网络中引进e d g e 技术必然会对现有的网络结构和移动通信 设备带来影响。e d g e 的中心思想就是利用现存的g s m 和g p r s 网络节点，在 2 0 0 k h z 无线载频上通过改变调制类型来增加数据传输速率。e d g e 中引入的新 的调制方式是八进制移相键控，这是为了对核心网的影响达到最小u o j 。 e d g e 主要影响网络的无线访问部分收发基站( b t s ) 、g s m 中的基站控制 器( b s c ) 以及t d m a 中的基站( b s ) ，但是对基于电路交换和分组交换访问的 应用和接口并没有不良影响。通过移动交换中心( m s c ) 和服务g p r s 支持节点 ( s g s n ) 可以保留使用现有的网络接口。事实上，e d g e 改进了一些现有的g s m 应用的性能和效率，为将来的宽带服务提供了可能。 1 2e d g e 技术特点 e d g e 是一种能够进一步提高移动数据业务传输速率和从g s m 向3 g 过渡中 的重要技术。它在接入业务和网络建设方面所具有以下特性： 1 在接入业务性能 ( 1 ) 带宽得到明显提高，单点接入速率峰值为2 m b i t s ，单时隙信道的速率可达 到4 8 k b i t s ，从而使移动数据业务的传输速率在峰值可以达到3 8 4 k b i t s ，这为移 动多媒体业务的实现提供了基础。 ( 2 ) 更为精准的网络层提供位置服务。 2 网络建设方面的特点 ( 1 ) e d g e 引入了8 p s k 调制方式 1 9 】，它改变了空中接口的速率。 ( 2 ) e d g e 的空中信道分配方式、t d m a 的帧结构等空中接口特性与g s m 相 同。 ( 3 ) e d g e 不改变g s m 或g p r s 网的结构，也不引入新的网络单元，只是对 b t s 进行升级。 ( 4 ) 核心网络采用3 层模型：业务应用层、通信控制层和通信连接层，各层之 间的接口应是标准化的。采用层次化结构可以使呼叫控制与通信连接相对独立， 这可充分发挥分组交换网络的优势，使业务量与带宽分配更紧密，尤其适应v 0 口 业务。 ( 5 ) 弓i a , t 媒体网关( m g w ) 。m g w 具有s t p 功能，可以在口网中实现信令 2 j 一 1 0 俸 - 4 7 囊 北京邮电大学硕士学位论文e d g e 系统介绍 网的组建( 需v p n 支持) 。此外，m g w 既是g s m 的电路交换业务与p s t n 的接 口，也是无线接入网( r a n ) 与3 g 核心网的接口。 ( 6 ) e d g e 的速率高，现有的g s m 网络主要采用高斯最小移频键控( g m s k ) 调 制技术，而e d g e 采用了八进制移相键控( 8 p s k ) 调制，在移动环境中可以稳定 达到3 8 4 k b i t s ，在静止环境中甚至可以达到2 m b i t s ，基本上能够满足各种无线应 用的需求。 ( 7 ) e d g e 同时支持分组交换和电路交换两种数据传输方式。它支持的分组数 据服务可以实现每时隙高达1 1 2 k b i t s 6 9 2 k b i t s 的速率。e d g e 可以用2 8 8 k b i t s 的速率支持电路交换服务，它支持对称和非对称两种数据传输，这对于移动设 备上网是非常重要的。比如在e d g e 系统中，用户可以在下行链路中采用比上 行链路更高的速率。 1 3e d g e 对网络结构的影响 无线数据通信速度的提高对现有g s m 网络结构提出了新的要求。然而， e d g e 系统对现有g s m 核心网络的影响非常有限，并且由于g p r s 节点、s g s n 和网关g p r s 支持节点( g g s n ) 或多或少地独立于用户数据通信速率，因此 e d g e 将不需要部署新的硬件。 一个明显的通信瓶颈是a - b i s 接1 3 ，它当前只能支持每信道时隙1 6 k b p s 的速 率。 而对于e d g e ，每个信道的速率将超过6 4 k b p s ，这要求为每个通信信道分配 多个a - b i s 时隙。不过，a b i s 接口1 6 k b p s 的限制可以通过引入两个g p r s 编码 7 r 嗓( c s 3 ，c s 4 1 8 1 ) 来突破，它能够提供每通信信道2 2 8 k b p s 的速率。 对于基于g p r s 的分组数据服务，其他的节点和接口已经能够处理每时隙更 高的比特率。对于电路交换服务而言，a - b i s 接口可以处理每个用户6 4 k b p s 的速 率，因此在m s c 中的修改将只会影响软件部分，而不会涉及到原有的硬件设备。 ( 1 ) 无线网络规划 一个决定e d g e 能否取得成功的重要条件是应该能够允许网络运营商逐步 引入e d g e 。具有e d g e 功能的收发机最早应该部署在最需要e d g e 覆盖的地 方，以补充现有的标准g s m 收发机，因此在一个相同的频段，电路交换、g p r s 和e d g e 用户服务将同时存在。为了将运营商的投资和成本降到最低，与e d g e 相关的实现不应该要求对现有无线网络规划做广泛修改，包括信元规划、频率规 划、功率级和其他信元参数的设置等。 ( 2 ) 覆盖范围规划 北京邮电大学硕士学位论文 e d g e 系统介绍 非透明无线链路协议( 如包括自动重复请求a p r 的协议) 的一个重要特点 是较差的无线链路质量会导致更低的比特率。与语音通信不同的是，低载波噪 声比并不会导致数据会话的丢失，而只会临时地减少用户通信速度。在g s m 信 元中不同的用户间存在的载波干扰，一个e d g e 信元将同时包括具有不同通信 速率的用户，在接近信元中心的地方通信速率高，在接近信元边界的地方通信速 率限制在标准g p r s 的范围内。 根据提供给国际标准化组织的测试结果，一个具有9 5 语音通信业务的 e d g e 系统将有3 0 的用户获得超过4 5 k b p s 的每时隙通信速率，而全部用户的 平均速率为3 4 k b p s 。假设a p d 是2 d b ，那么平均通信速率将减少到3 0 k b p s 。 在覆盖范围的问题上，如果网络运营商能够接受在信远边界只具有标准 g p r s 数据通信速率，那么现有的g s m 站点已经提供了e d g e 足够使用的覆盖 范围。对于一般需要持续比特率的透明数据服务来说，则必须使用链路自适应技 术来分配满足比特率和错误比特率( b e r ) 需求时的时隙数量。 ( 3 ) 频率规划 在绝大多数成熟的g s m 网络中，频率的平均再使用次数在9 1 2 之间，未来 的移动通信系统将向着更低的频率再使用方向发展。事实上，随着跳频技术的引 进，多重再使用方式( m r p ) 和非连续传输( d t x ) 将频率的再使用次数降到3 是 可行的，这就是说每3 个基站就会发生频率被重新使用的情况。 e d g e 支持频率再使用的这种发展趋势。事实上，由于采用了链路自适应技 术，e d g e 可以被引入到任何频率计划，包括e d g e 可以被引入到现有的g s m 频率规划中，为未来更高速率的数据通信打下良好的基础。 ( 4 ) 协议的更改和变迁 在e r i c s s o n 公司提出e d g e 概念后，e d g e 技术的可行性研究别e t s i 同意， 随后的标准化工作也得到了i t u ，e s t i ，g s m 协会，3 g p p ，g s a 和3 g a m e r i c a $ 等国际组织的认可。其中，紧凑型e d g e 技术由通用无线公司u w c c ，e t s i 和 3 g p p 共同标准化【1 0 】，衍生出4 5 系列的g s m e d g e 协议族，该协议的主要物理 层部分如图1 1 所示： 4 1 一 ， p ： q 北京邮电大学硕士学位论文e d g e 系统介绍 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 i c 毽i v l e d g e t s4 5 0 0 3 l 图卜1g s m e d g e 物理层4 5 系列协议分布【1 6 】 1 4 本文主要内容 本文主要从经典的e d g e 技术出发( 这里不讲兼容紧凑型e d g e 技术，后面 提到的e d g e 和e g p r s 可以互换) ，从3 个方面讲述了e d g e 协议测试设备的 设计和实现。由于是基于多核心处理器的设计方案，因此本文在第二章中，介绍 了芯片的结构和开发特点，详细介绍了多核处理器p i c o a x r a y 的多语言编程结构。 在第三章中，文章对系统结构和支持的原语作了具体的分析，给出了设计框架。 第四章到第六章是本文的具体实现内容，第四章从信号线定义和模块的拓扑结构 两方面，对子模块进行了详细的定义；第五章从程序流程和控制框架的角度，对 系统进行了详细的描述；第六章从集成测试的角度，将多模块协同的系统工作流 程进行了仔细的分析。 5 北京邮电大学硕士学位论文 p i c o c h i p 芯片的特点和开发简述 第二章p i c o c h i p 芯片的特点和开发简述 2 1p i c o c h i p 芯片的特点介绍 p i c o a r r a y 是一种多核数字信号处理芯片( d s p ) ，它引入了一种全新的芯片体 系结构，由大量相互独立小芯片以阵列形式组成的，是一种大规模并行的、多重 指令多重数据( m i m d ) 架构，该架构是由获得专利的p i c o b u s 内连技术连接在一 起的多种类型的处理单元构成的。p i c o a r r a y 解决方案将已获得专利的多处理器 阵列芯片与强大成熟的软件开发工具套件和参考设计进行了完美结合，极大降低 了无线通讯设备的成本和功耗，加速了上市时间，并且实现了“软件无线电”这 一战略目标。p i c o a r r a y 的最大创新在于其互连结构以及与工具链进行集成的方 式，路由编程是在设计时进行的，因此所有资源均是静态分配的且具有确定性。 各个处理器均可互相链接( 即不仅仅是最近邻的) ，它可支持复杂的架构( 扇入、 扇出、交换等) 。该结构具有极高的带宽( t b p s ) ，并且支持t d m 接入机制，因 此多个信号可共享一个分段，从而实现极为高效的应用，这均是通过工具支持的， 编程人员仅将精力集中到设计任务上，无需考虑互连和布局问题，因为这些工作 均由编译器自动完成。 囝溢器 h 喇：e r - 囫p i c 姗 i n t e f l r i c e 一e x m p l e 2 “一 s i g n a lf l o w s 图2 - 1p i c o c h i p 体系结构示意刚1 2 】 图2 1 中p ( p r o c e s s o r ) 代表各个小的处理器，一般称为阵列单元a e ( a r r a y e l e m e n t ) ，这些处理器以阵列形式排列，通过总线( p i c o b u s ) 相互连接起来，每 一个a e 与两条总线相连，总线之间通过交换矩阵来协调，这样任何a e 之间都 可以很方便的通信，图中不同颜色的线条代表了不同的信号线，实际中每一个 p i c o a r r a y 所包含的a e 多达3 2 2 ( p c i 0 2 ) 个，这些a e 可以并行处理，互不干 6 i ： 一 l_illllllillllllilllll 钆 掣 留 北京邮电大学硕士学位论文 p i c o c h i p 芯片的特点和开发简述 扰，独立的完成自己的任务。口i 为p i c o c h i p 之间的接口，不同的p i c o c h i p 可以 通过i p i 接口级联起来( 如图2 2 ) 以完成更为复杂的系统功能。 图2 - 2p i c o c h i p 芯片级联【1 2 l 如图2 3 所示，每一个a e 内部体系结构包括处理器( p r o c e s s o r ) 、指令存储 区( i n s t r u c t i o nm e m o r y ) 、数据存储区( d a t am e m o r y ) 以及端1 3 ( p o r t ) ，内部 模块之间通过高速总线连接起来，高层信号经过配置端口( c o n f i g ) 对a e 进行 必要的配置，处理器从数据区存取数据，从代码区取回操作指令，端口( p o r t ) 是外部数据源的入口。这种分布式体系结构具有以下特点：每个a e 都有自己专 有的指令和数据存储器，其大小与a e 类型相关；处理器包含多个执行单元( e u ) ， 每个长指令字( l 州) 中可包含多达3 个e u 的操作指令，在个时钟周期内可 并行执行三条指令，实现a e 内部e u 之间的并行处理；每个a e 的时钟频率为 1 6 0 m h z ；配置总线允许外部主处理器对每个a e 进行单独编程，如加载内存和 设置端1 3 ；a e 通过端1 3 连接到p i c o b u s ，以实现相互之间的通信，每个a e 的端 口数与a e 类型相关，每个端口可以看作是一个单向输入或输出信道，连接一个 信源a e 到一个或多个信宿a e ；分布式内存和局部化算法实现；未使用的a e 被自动关掉，以减少功耗。 c o n f i g u r a t i o nb u s 图2 - 3a e 内部结构示意图【1 3 】 7 北京邮电大学硕士学位论文 p i c o c h i p 芯片的特点和开发简述 2 2p i c o c h i p 芯片编程概要 p i e o a r r a y 易于编程，可以用标准的开发工具和熟悉的设计环境来加速研发 进程，p i c o c h i p 公司开发的p i c o t o o l 是针对p i e o a r r a y 的一个完全集成的开发环 境，包括符号调试器( 通过单步断点进行操作) 、数据设计的图形视图、仿真器和 在系统测试的强大监视和显示环境。并且p i c o c h i p 还提供了一个案例设计库和 一系列的开发平台。p i c o a r r a y 和p i c o t o o l 的结合给用户带来极高的效率。用户 只用很短的时间就完成了无线d s p 开发工作，所用时间只是传统可编程解决方 案时间的很小一部分。图2 4 是p i c o t o o l 使用流程【l 。 图2 - 4p i c o t o o l 使用流程 a ec o d e 表示用户编写的源代码，可以是c 或者汇编代码，这些代码通过简 单v h d 语言进行封装，因此原文件扩展名为v h d ，a n a l y z e 和e l a b o r a t e 两个步骤 用来对代码进行编译，主要完成对原程序的语法检查，如果没有错误将生成一个 对应的1 i b 文件以供后续p a r t i t i o n 模块调用，p a r t i t i o n 对源代码进行更加深入的 检查，包括语法、语义、a e 间端口连接等，确保各个模块连接正确，并且速率 匹配。p l a c e 和s w i t c h 对资源进行分配，包括总线资源，时隙资源以及a e 处理 单元的分配。这一步完成之后，用户有两种选择：软件仿真、硬件运行。如果用 户选择软件仿真( s i m u l a t o r ) ，用户可以对程序进行调试，对逻辑进行检查，如 果语法无误，则可以通过d e b u g g e r 工具将程序下载到硬件平台运行。在本次实 践当中，主要是软件的调试和模拟消息灌入。我们可以将p i c o t o o l 的开发流程与 c 编译器简单对比，如图2 5 。 8 - p k 。 盈 北京邮电大学硕士学位论文 p i e o c h i p 芯片的特点和开发简述 图2 - 5p i c o t o o l 开发流程与c 编译器对比 对于编译时静态分配资源，每个d s p 程序模块都会使用必要硬件资源，其中 主要包括：a e 处理单元、总线时序，内存等。p i c o t o o l 开发工具对每个模块用 到的资源进行静态分配，这种静态分配方式使程序运行时不需要对总线、时序进 行裁决，所有的资源分配工作都在p l a c e 和s w i t c h 已经完成，程序只需要按照该 步骤生成的资源描述文件进行资源分配即可，这样就将程序运行时复杂度转移到 编译时，减少运行时( r u n t i m e ) 的复杂度，并且可以减少不必要的功率消耗，将 大部分功率真正应用到d s p 处理程序。 ( 1 ) 时序资源： p i c o c h i p 阵列中各个a e 之间共用总线，总线以时分复用的形式进行分配， 每个逻辑信号都会指定时隙速率( s l o tr a t e ) ，如图2 - 6 所示，a 和b 之间信号速 率为 2 ，表示这个信号每隔2 个时钟频率间隔发送一次，从图中可以看到a 和 b 之间的红色信号每隔一个时钟间隔出现一次，同理c 和d 的信号速率为4 ，需 要注意的是a b 之间信号( 红色信号) 与b c 之间信号( 黄色信号) 没有重合区 域，因此可以在同时传输，互不影响，最大限度保证吞吐量。b c 之间的信号跨 越c d ，因此需要对a b c d 之间的时隙进行综合考虑，所有的工作都是在程序下 载到硬件芯片板子之前由p i c o t o o l 在程序编译时期已经完成，系统运行时期不会 出现总线仲裁，因此在运行时可以最大限度的减小处理复杂度，并且这种时分复 用的形式保证了信号带宽。 9 北京邮电大学硕士学位论文p i c o c h i p 芯片的特点和开发简述 - i - _ ， - l 图2 - 6p i c o c h i p 的时分复用通信【1 2 】 ( 2 ) 内存资源 每一个a e 处理单元都内置一定的内存容量，a e 的代码区和数据区共用这 些内存，不同类型的a e 内存大小不同。a e 主要分为以下几种类型： 1 s t a n 类型，标准类型( s t a n d a r d ) ，这是芯片当中基础的d s p 处理器。主 要特点是代码段空间和数据段空间都不是很大，一般用来完成比较简单功能，其 对应的汇编指令也比较简单，但是可以进行大规模的协作，因为在一个芯片中有 几百个这种单元，可以把一些复杂的运算分布运算，提高速度和效率。 2 m e m 类型，存储类型( m e m o r y ) 。当一些运算和控制结合在一起时，要 处理的不仅仅是数据，还有一些流程，因此对代码量和数据量都有较大的需求， 这时便应用代码段和数据段都相比s t a n 类型更大的m e m 类型。除此之外， m e m 类型的内存可以配置，这样可以根据需要对代码和数据所占内存进行分配。 3 c t r l 类型，控制类型( c o n t r 0 1 ) ，这是一种在芯片中比较少的单元，拥有 大量的内存空间。适合进行速度要求不是很高但是对控制流程复杂的模块进行编 程，从类型的特点可以看出，该类型的模块可以进行接口控制和复杂调度的编程。 4 f a u 类型，功能加速单元( f u n c t i o na c c e l e r a t i o nu n i t ) ，这是一中特殊的 模块，这种模块是一种与其它分开并专门设计的硬件模块，以提高一些运算的速 度。 5 a d i 类型，全称为异步数据接口( a s y n c h o n o u sd a t ai n t e r f a c e ) ，这是输入输 出的末端，并通常连接到数模或者模数转换器上。 6 i p i 类型，p i c o a r r a y 交互接口( i n t e rp i c o a n a yi n t e r f a c e ) ，这时一种全双工 的输入输出接口，当不同的p i c o a r r a y 需要芯片级的级联的时候，就要使用该接 口进行连接。 7 s r a m i f ，一种对外加s r a m 进行访问的全双工接口模块。 8 p r o c i n t ，p r o c d m a 和p r o c g p r ，是一种全双工的外部处理器接口 l o 。 ； 峰 p 一 k f ，讧 北京邮电大学硕士学位论文 p i c , o c h i p 芯片的特点和开发简述 的组合模块。 在以上的几种类型当中，负责搭载程序的a e 主要有三种：s t a n ，m e m 和 c t r l 。不同的a e 类型可以让用户灵活选择，针对不同的模块需求，包括内存 需求，汇编指令需求等。这样可以最大限度的利用硬件资源，节省成本。除了 a e 的内置内存外，每一块p i c o c h i p 都会外置4 m 大小的s r a m ，这块内存被所 有a e 共用，不同的a e 可以根据需求进行申请，具体内存分配由p i c o t o o l 来完 成。在本次实践中，考虑到控制可能需要大量代码，和一些较复杂的流程控制。 并考虑到后续设计当中有可能添加一些其它功能，选择了c t r l 类型的大型a e 作为编程a e 类型。在调试中，主要用文本来模拟灌入高层的消息流，考虑到时 序上的要求，有时也有可能应用小型的s t a n 进行延时编程，模拟高层下来的消 息流顺序。 ( 3 ) a e 资源 在p i c o c h i p 中，a e 本身是最根本的资源，开发者应该最大限度利用好每一 个a e ，如果设计合理，在一块p i c o c h i p 芯片板子上能实现多个通信系统。各个 处理器( a e ) 均具有不同的“特性 ，它们针对不同的任务而进行了优化，但均 为1 6 位3 路l i w 哈佛架构，与单个独立式器件非常类似。在处理能力方面， 每个元件均与传统d s p ( 例如t i c 5 5 x x 或a d l 2 1 x x ) 或a r m 9 极为类似 尽管它们各自对于特定的关键算法( 优化的指令集、专业化的加速器) 可能具有 极高的性能。 除了以上特点，p i c o a r r a y 还具有用于密集计算的数据路径操作( 例如滤波、 快速傅立叶变换、路径度量计算和关联) 的大量处理资源，但同时它还具有大量 处理更为复杂的现代无线系统控制操作的通用m i p s ，这种系统必须能够快速适 应信道状况和服务需求。p i c o a r r a y 独特的架构和程序设计风格意味着所有这些 能力都可以用于现实的设计中，而不是仅限用于试验台m i p s 和通信带宽的利 用率一般都超过9 0 。 2 3p i c o c h i p 中c 语言编程参考 2 3 1c 语言编程的框架 ， 通常情况下，在p i c o c h i p 中编写c 程序的框架如下： a r c h i t e c t u r eco fn a m ei s l o c a lc o n s t a n t s ，i fa n y b e g i na e t y p e ”o p t i o n a lc o m p i l e ra r g u m e n t s ” 北京邮电大学硕士学位论文p i c o c h i p 芯片的特点和开发简述 i n i t i a l i z a t i o ns t a t e m e n t s ，i fa n y c o d e cs o u r c e e n d c o d e ； e n da r c h i t e c t u r en a m e ； 其中a e t y p e 就是编程序时所指定的a e 类型，o p t i o n a lc o m p i l e ra r g u m e n t s 指的是一种编译条件，比如连接一些用户定义的库文件，比如在编译是进行代码 的优化等等；i n i t i a l i z a t i o ns t a t e m e n t s 是进行初始化声明，比如数据段的初始化， 代码段与数据段的空间配比，错误位的忽略等等，以便适应程序大代码量或者是 数据查表处理的要求。 因为v h d l 分析器对c 代码不能正常解析，因此需要用语法“