（信息与通信工程专业论文）基于sca的可移植fpga波形结构及组件接口设计.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 摘要 软件通信体系架构( s c a ) 可以实现一个具有开放性、标准化、模块化的通 用软件无线电平台，从而使软件无线电平台的成本得到显著降低，应用灵活性得 到极大增强。虽然s c a 通过c o r b a 机制很好地解决了通用处理器设备波形组件 的互连互通和可移植问题，但是这种机制不能很好地适用于f p g a 这种专用处理 器。随着f p g a 处理性能的不断提升，它在s c a 系统中的作用越来越突出。因此， 如何在s c a 系统中很好地集成f p g a 波形，如何提高f p g a 波形的可移植性就成 为当前软件无线电研究领域中一个非常重要的研究课题。 论文首先通过对现有的旨在解决f p g a 波形可移植性的协议和规范进行了研 究，深入分析了它们的优缺点。接下来对m h a l 规范、c p 2 8 9 协议、o c p 接口规 范中的方法加以融合和优化，提出了新的f p g a 可移植波形结构。这个结构既为 f p g a 波形设计了标准的通信接口，又实现了波形应用的分离，同时还通过o c p 接口实现了波形组件运行环境的标准化，真正实现了波形的可移植。 其次，论文根据提出的波形结构，结合c p 2 8 9 协议中的操作要求，在原本过 于简单的m h a l 消息格式的基础上进行了细化，同时具体给出了m h a l 消息封装 结构和m h a l 消息解析结构的处理流程，实现了f p g a 波形在s c a 系统中的标 准通信。论文通过对c p 2 8 9 协议的深入研究，结合实际工程应用，提出了具体化 的容器结构，并进一步进行了容器中组件控制模块、互连模块和本地服务模块的 设计，实现了波形应用的分离。论文以o c p 规范为基础，依据c p 2 8 9 协议中对组 件接口的约束，设计了几种典型的组件o c p 接口，使得波形组件设计与系统实现 相分离，并真正实现了波形运行环境的标准化。 最后，论文根据所设计的波形结构和组件接口设计了一个f p g a 验证波形， 通过波形的实现，证明f p g a 波形组件可以像g p p 波形组件一样可加载、可装配、 可部署、可装配，验证了论文所设计的f p g a 波形是与s c a 兼容的。另外，通过 对波形组件移植试验，验证了所设计的波形结构和组件接口能够为波形组件提供 很好的可移植性。 关键词：软件通信体系架构f p g a 可移植波形结构组件接口 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 a b s t r a c t s o f t w a r ec o m m u n i c a t i o n sa r c h i t e c t u r ec a r li m p l e m e n ta l lo p e n , s t a n d a r d ，m o d u l a r s o f t w a r er a d i op l a t f o r m ，t h e r e b yo b v i o u s l yr e d u c e st h ed e v e l o p m e n tc o s to fs o f t w a r e r a d i op l a t f o r ma n di m p r o v e st h ea p p l i c a t i o nf l e x i b i l i t y a l t h o u g hc o r b am i d d l e w a r e c a np r o v i d ei n t e r c o n n n e c ta n di n t e r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ng e n e r a lp u r p o s ep r o c e s s o r s ， i td o s n tw o r kw e l lf o rt h es p e c i a l i z e dh a r d w a r ep r o c e s s o r sl i k ef p g a w h i l et h e p r o c e s s i n gp e f o r m a n c em a k e sp r o g r e s s ，f p g at a k e sm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h es c a s y s t e m s h o wt oi n t e g r a t ef p g aw a v e f o r m si n t ot h es c as y s t e m ss e a m l e s s l ya n dh o w t oi m p r o v et h ep o r t a b i l i t yo ft h ef p g aw a v e f o r m sh a v eb e c o m eah o tt o p i c i nt h i sp a p e r ，w ef i r s ts t u d yt h ep r o t o c o l sr e l a t e dt of p g aw a v e f o r mp o r t a b i l i t y , s u m m a r i z et h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n g e s t h e nw eb a s eo nt h em h a lp r o t o c o l ， c p 2 8 9 p r o p o s a la n do c pp r o t o c o lt op r o p o s e as t r u c t u r ef o rp o r t a b l ef p g aw a v e f o r m t h i ss t r u c t u r en o t o n l yd e s i g n s s t a n d a r dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e sf o rf p g a w a v e f o r m s ，b u ta l s or e a l i z e st h es e p a r a t i o no fw a v e f o r ma p p l i c a t i o n s ，m a k e st h e r u n n i n ge n v i r o m e n to fw a v e f o r mc o m p o n e t ss t a n d a r da n dt r u l ym a k e st h ew a v e f o r m p o r t a b l e t h e n ，b a s e do nt h ew a v e f o r ms t r u c t u r ea n dt h eo p e r a t i o nr e q u i r e m e n t so ft h e c p 2 8 9p r o p o s a l ，w er e f i n et h eo r i g i n a lm h a lm e s s a g ef o r m a t ，a n dp r o v i d et h e s t a n d a r dw r a p p e ra n dp a r s e rp r o c e d u r e so ft h em h a lm e s s a g e s ，w h i c hr e a l i z et h e s t a n d a r dc o m m u n i c a t i o nf o rf p g aw a v e f o r m si ns c as y s t e m s b a s e do nt h o r o u g h s t u d yo ft h ec p 2 8 9p r o p o s a la n de n g i n e e r i n gp r a c t i s e ，w ep u tf o r w a r dt h ed e t a i l e d s t r u c t u r eo ft h ec o n t a i n e r ，a n dt h e nd e s i g nt h ec o n t r o lm o d u l e ，i n t e r c o n n e c tm o d u l ea n d l o c a ls e r v i c em o d u l e ，w i t ht h ea i mo fa n dr e a l i z i n gt h es e p a r a t i o no ft h ew a v e f o r m a p p l i c a t i o n s w ed e s i g n s e v e r a lt y p e so fw a v e f o r mc o m p o n e n ti n t e r f a c e s ，w h i c h s e p a r a t et h ew a v e f o r mc o m p o n e td e s i g na n ds p e c i f i cs y s t e mr e a l i z a t i o n ，a n dm a k et h e r u n n i n ge n v i r o m e n to f t h ew a v e f o r ms t a n d r a d f i n a l l y ，b a s e do nt h ew a v e f o r ms t r u c t u r e ，w ei m p l e m e n ta ne n t i r ef p g a w a v e f o r m w h i c hp r o v e st h a tt h ef p g aw a v e f o r mc o m p o n e n tc a l lb el o a d e d ，d e p l o y e d ，i n s t a l l e d ， a n dm o r ei m p o r t a n ti ss c ac o m p l i a n t i na d d i t i o n ，t h ew a v e f o r mc o m p o n e n tp o r t a b l e t r a i lp r o v e st h a tt h ed e s i g no ft h ew a v e f o r ms t r u c t u r ea n dc o m p o n e n ti n t e r f a c e sc a n p r o v i d ew e l lp o r t a b i l t yf o rf p g aw a v e f o r m s k e yw o r d s ：s c a ，f p g a ，p o r t a b i l i t y ， w a v e f o r ms t r u c t u r e ， c o m p o n e n ti n t e r f a c e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 表 目录 表2 1m h a l 各字段位宽及有效范围1 3 表2 2t y p e 字段15 表2 3t y p e 字段取值l5 表2 4 数据消息的t y p e 字段1 5 表2 5 连接消息的t y p e 字段1 6 表2 6 断开消息的t y p e 字段1 6 表2 7 控制消息的t y p e 字段。1 6 表2 8 控制类型17 表2 9l d 字段1 7 表4 1o c p 的基本信号3 0 表4 2m c m d 的命令类型一31 表4 3组件控制接口信号参数配置3 3 表4 4w o k e r 作为m a s t e r 的f i f o 类型只写o c p 接口配置3 9 表4 5w o k e r 作为m a s t e r 的f i f o 类型只读o c p 接口配置3 9 表4 6w o r k e r 作为s l a v e 的f i f o 类型只写o c p 接口配置4 1 表4 7 可寻址类型只读o c p 接口配置4 3 表4 8m b u r s t s e q 的编码4 3 表4 9 可寻址类型只写o c p 接口配置4 5 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 图目录 图1 1s c a 分层结构图1 图1 2h a l c 的典型模型4 图1 3 采用m h a l 的通信架构5 图1 4 组件和容器6 图1 5以总线为中心的接口和以核为中心的接口6 图1 6v c i 用作点对点连接8 图1 7 用来实现总线连接的两个v c i 连接8 图1 8o c p 接口接驳到不同总线9 图1 9f p g a 可移植波形结构图1 0 图2 1m h a la p i 参考部署图1 2 图2 2m h a l 的标准消息结构。1 3 图2 3新定义的m h a l 消息格式l4 图2 4m h a l 解析结构处理流程图1 8 图2 5m h a l 封装结构处理流程图1 9 图3 1f p g a 波形组件的通用代理2 2 图3 2 容器和组件结构图2 3 图3 3 消息整体处理流程2 4 图3 4 互连模块示意图2 6 图4 1片上系统的o c p 连接2 9 图4 2 控制接口控制时序图3 4 图4 3 控制接口配置时序图3 5 图4 4 控制接口读取时序图3 6 图4 5w o r k e r 作为m a s t e r 的f i f o 类型只写o c p 接口3 7 图4 6w o r k e r 作为m a s t e r 的f i f o 类型只写o c p 接口4 0 图4 7w o r k e r 作为m a s t e r 的f i f o 类型只读o c p 接口4 0 图4 8w o r k e r 作为s l a v e 的f i f o 类型只写o c p 接口时序图4 2 图4 9 可寻址类型只读o c p 接口时序图4 4 图4 1 0 可寻址类型只写o c p 接口时序图4 6 图5 1 系统结构示意图4 9 图5 2c p c i 机箱结构图5 0 图5 3 波形的加载和装配过程5 l 图5 4 验证波形组件部署与装配图5 2 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕：t 论文 图5 5 对波形组件星座图的配置5 4 图5 6 波形组件移植示意图5 5 图5 7 波形移植前后星座图5 6 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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谢意。 学位论文作者签名：鲎盗堂 日期： z o o7 年 月j 一日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：芏墨垒 作者指导教师签名：蚕客量丛连 日期： 日期： f 7 月s 日 i 朋0 日 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 第一章绪论弟一早三：百v 匕 1 1 研究背景 软件通信体系架构( s o f t w a r ec o m m u n i c a t i o n sa r c h i t e c t u r c - - - s c a ) 是为联合战 术无线电系统( j o i n tt a t i c a lr a d i os y s t e m j t r s ) 的研制而发布的。j t r s 项目的 目标是：极大提高操作灵活性和全球配置系统的互操作性；减少可支持性费用； 利用插入式技术来进行系统升级及功能提升；减少系统开发和操作成本嵋。 为了达到这些目标，s c a 被组织来：提供不同s c a 实现间的应用软件移植； 利用商业标准的杠杆作用以减少开发成本；通过复用已设计出的模块减少新的波 形的开发周期。s c a 的主要好处在于：最大化利用现成的商业协议和产品；通过 分层的、开放的商业软件基础将核心和非核心应用与底层硬件分离开；通过通用 对象请求代理架构( c o m m o no b j e c tr e q u s e t b r o k e ra r c h i t e c t u r e c o r b a ) 技术提供 分布式的处理环境，以提供软件的可移植性，可重用性和可扩展性u 。 s c a 的一个重要目标就是实现波形的可移植。实际上，将已有的软件无线电 应用移植到其他平台对软件定义无线电( s o f t w a r ed e f i n er a d i o s d r ) 开发者是相 当大的挑战h 。例如，源平台和目的平台可能由于无线电构成要素不同而结构差异 很大。s d r 平台在r f i f 以及基带边界可能有很大的差异，可能有不同的处理单 元( 例如g p p ，d s p ，f p g a ) ，也可能有不同的操作系统，应用编程接口( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m ei n t e r f a c e a p i ) ，服务和传输层。一个成功的软件移植需要开发者对源 和目的平台的硬件架构和软件操作环境有透彻的了解。 图1 1s c a 分层结构图 图1 1 所示为s c a 的分层结构图嘲，s c a 通过分层的结构使波形应用与底层 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 硬件及操作系统分离，并通过c o r b a 。技术提供分布式的处理环境，实现了波形 的可移植性。由于分布式处理是s c a 系统结构的基础，而c o r b a 又是一个广泛 使用的中间件技术口1 ，所以在s c a 中采用c o r b a 来提供分布式处理。这套框架 提供了很多增加波形可移植性的特性，包括通用的操作环境以及一系列通用服务， 还有标准的应用组件接口阻1 。虽然这套框架实现了g p p 上波形的可移植，但是却 不能很好满足f p g a 波形可移植的要求。 作为可编程的硬件设备，f p g a 中波形组件的实现过程完全不同于通用处理器 的程序执行调用，f p g a 中的任何组件都是通过生成具体的逻辑电路的方式来实现 的嘲。尽管通用处理器可以很好的支持c o b r a ，但目前在专用处理器上运行 c o r b a 仍然很困难的。由于s c a 的早期版本主要是为支持c o r b a 的通用处理 器g p p 设计的，s c a 的确使g p p 软件组件实现了可移植，但它却没有很好地解 决f p g a 设备波形组件的可移植问题。 近年来f p g a 技术迅速发展，它既具有a s i c 的高速处理能力，又拥有很好的 可重构性能，而且开发成本低、开发周期短，使其成为实现软件无线电的数字信 号处理的一种非常有效的选择，因此f p g a 的波形开发也成为s c a 研究的重点。 事实上，对于高带宽和高数据率的波形，许多的调制和协议处理都必须在 f p g a 设备上执行。即使有些处理也能够在g p p 和d s p 上完成，使用f p g a 却是 一种趋势，因为它有减少风险和适应新算法的好处。f p g a 的并行处理能力和重配 置特性给s d r 开发者提供了极大的灵活性，可以满足一些无法预料的需求以及未 来的高性能波形。因为f p g a 设备在s d r 平台中的主导地位，越来越多的软件无 线电实现用到了可重配置的硬件h 1 。 在2 0 0 3 年6 月，美国国防部( d o d ) 对他们原来的j t r s 计划要求实现的频 段计划进行了调整，调整后要求j t r s 所实现的频段范围要包括2 g h z 以上的通信 需求，要求j t r s 能够对高速的数据链路及卫星通信提供支持。这些新要求使得在 s c a 的硬件体系结构中仅仅使用g p p 、d s p 等将无法满足高速数字信号处理发展 的需求，因此未来在软件无线电平台中将越来越多的用到f p g a n 们。 由于f p g a 在s c a 系统中的支配地位，如何很好地解决f p g a 波形的可移植 问题，并且使f p g a 能够很好地集成到s c a 系统中就变得十分重要。本文正是基 于这样的背景展开研究。 1 2f p g a 波形可移植问题解决现状 由于s c a 规范与其补充规定中对于一些概念的定义不太一致，为了不产生混 淆，论文对后面所用到的概念进行明确： 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 波形：是为了实现信息的无线传输而对信息实施的一系列变换，以及将接收 信号转换为信息内容的一系列变换n 1 1 。这些包括( s c a ) 应用组件以及核心框架、 服务及( s c a ) 设备等f p g a 上运行的所有代码。 波形组件：一个独立定义的应用或者波形的功能单元，它能够被独立的设计 和部署。 波形应用：由一个或多个组件为了完成一个特定功能而统一部署的聚合单元， 是一个可配置的相互连接在一起的组件集合。它不包括共用的一些基本结构，如 s c a 的核心框架c f 、基本服务等n 副。 可移植：假设系统a 和系统b 都是s c a 兼容的，那么如果一个软件组件可以 连接到系统a ，那么它也应该可以连接到系统b n 朝。应用或组件移植的目标是将一 个应用或组件移植到另一个平台所花费的代价最小化n 耵。 可移植问题的关键在于抽象和分离，一是将波形应用的底层硬件抽象出来； 二将波形应用与其他部分分离，这样就减小了波形应用本身与外部的相关性；三 是将波形组件设计与系统具体实现分离。我们通过对s c a 规范本身以及对f p g a 波形可移植问题的研究，总结并提炼出了以下几种现有的解决f p g a 可移植性问 题的主要途径： 1 2 1 抽象波形的外部接口 对波形的外部接口进行抽象，可以降低波形开发与平台特定通信方式的耦合 度，减小硬件平台结构对软件设计的影响，明显地提高波形的可移植性。硬件抽 象层互连( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e rc o n n e c t i v i t y ，h a l c ) 中的硬件抽象层h a l 的概念正是对外部接口的抽象；m o d e m 硬件抽象层( m o d e mh a r d w a r ea b s t r a c t i o n l a y e r ) 的初衷虽然是提供平台间的标准通信方式，但它规定了标准的波形端的接 口，也实现了对外部接口的抽象。 1 2 1 1h a l - c s c a 3 0 规范中提出了硬件抽象层h a l 的概念。h a l cn 钉通过对硬件的对 外接口进行抽象，定义一系列标准的通信a p i 去实现与外部的通信，当要求与外部通 信时，仅需要通过对定义好的不同的a p i 进行调用即可，这将极大的减小硬件平台 结构对软件设计的影响，有效地降低对重要软件组件接口的重新编写的可能性。 图1 2 给出的是h a l c 的典型模型u 。其中h a l 是一个处理单元p e 的对 外交互接口的抽象；h a l c 组件( h c ) 是运行于其上的具体的波形组件，虽然 h a l 为( h c ) 提供与底层硬件交互的功能，但h a l 作为一个独立于h c 的单独 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 的模块被单独进行设计“。由硬件平台提供的h a l c 应用接口给h c 提供了一个 底层的通信接口，这些底层a p i 的主要目的是让同一或者不同p e 上的h c 能够通 信。h c l 、h c 2 之间的通信并不是直接进行的，而是通过h a l c 这个通信机制进 行n 明。h c i 、h c 2 的开发者只需要把数据发送给h a l 就可以了，具体数据如何从 h c l 传输到h c 2 则是硬件抽象层要完成的工作。 oh a l - ce n d p o i m l ! ! 竺o 竺! 竺! 竺竺i e e 。w 。：a v 二e 匕f 。o 盘r m 二d 二e 。p ；c n d e m 血 ? 翻霸 广 o _ f ? _ p r 口5 图1 2 姒l c 的典型模型 专用硬件补充( s h s ) 附录中所提出的h a l c 虽然通过对硬件单元的对外接 口进行抽象，减小了硬件平台结构对软件设计的影响。但是s h s 还不够详细，对 于h a la f i 函数，仅描述了其原型及功能，因此对实现仅具有部分指导意义，这 就导致真正实现的a p i 可能不统一，难以互操作。另外，f p g a 的h a l c 组件接 口部分的定义也很简单，不够完善。这些原因都导致通过h a l c 实现的波形可移 植性大打折扣。 在最新公布的s c a2 2 2 规范中提出了m h a l n 踟接口标准。虽然m h a l 的初 衷是为s c a 系统不同处理平台提供通信方式，但同时它也实现了波形外部接口的 抽象。m h a l 定义了不同处理器之间消息传递的标准格式，与此同时，还针对不 同处理器的特点分别规定了负责处理m h a l 消息的功能模块。 如图1 3 所示，m h a l 为异构处理器提供了互通的方式，在c p u 上，规定使 用m h a l 设备组件对m h a l 消息进行封装和解析；在d s p 上，规定使用一系列 的库函数对m h a l 消息进行处理，在f p g a 上，则规定了一系列接收和发送m h a l 消息的实体。 事实上，m h a l 即是对不同处理器的外部接口进行了抽象和封装，为波形提 供了标准、统一的接口以及通信方式。由于在不同平台之间，m h a l 的a p i 、抽 第4 页 国斩科学技术大学研究生院工学硕士论文 行移植n 明。 图l3 采用i v i h a l 的通信架构 然而，m h a l 的缺点在于在国际交通和武器管制f e a r s 的约束下，m h a l 的很多技术细节都不对外公开“”，这实际上增加了m h a l 实现的难度。 12 z 标准化波形组件运行环境 波形组件是波形应用的一个功能单元，可以被独立地部署，为组件提供标准 化的运行环境意味着组件与其外部的交互标准化，它可以在一个标准化的平台上 运行，这就大大提高了波形组件的可移植性，使得波形可以实现小粒度的移植。 而波形组件的运行环境是由c p 2 8 9 协议提出的。 由于s h s 附录还有许多不完善的地方，为了更好的实现专用硬件组件的复用 和移植。在随后的s c a31 中提出了组件移植规范( c o r a p o n e n tp o r t a b i l i t v s p e c i f i c a t i o n - c p s ) ，在此基础上经过广泛的讨论和征求意见。又形成了e x t e n s i o nf o r c o m p o n e n tp o r t a b i l i t y f o r s r l e c i a l i z e d h a r d w a r e p r o o s o r s - - - - c h a n g e p r o p o s a l 2 8 9 ( c p 2 8 9 ) 。 c p 2 8 9 的目标是标准化组件与其外部环境的通信它定义了使d s p 、f p g a 等专用硬件处理器( s h p ) 集成到s c a 中的方法，这样便可以像g p p 上的c o r b a 组件一样来对待s h p 上的组件衄1 。为了实现组件运行环境的标准化支持组件的 可移植性，c p 2 8 9 协议提出了组件和容器的概念。 如图1 4 所示，组件是指一个独立定义的应用或者波形的功能单元，它能够 被独立的设计和部署，是一个波形应用中最基本的功能单元。容器是波形组件实 例的最直接运行环境。容器为组件实例提供运行环境，也提供一些列基于a p i 的 本地服务。通过容器和组件的概念，将波形应用本身与波形所运行的环境分离， 这样降低了波形应用与波形其他部分的祸合性，容器将波形组件容纳其中而且 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 为其提供标准化的运行环境，波形组件只需与容器交互，这样就提高了波形组件 的可移植性。 图1 4 组件和容器 在c p 2 8 9 中，对专用硬件上的组件移植做了更加详细的分析和论述，完善和 补充了s h s 中提出的硬件抽象层连接。对于f p g a 上的组件，c p 2 8 9 规范中提出 了用开放核协议( o p e n c o r e p r o t o c o l - o c p ) 接口来设计实现，同时规定了波形组 件与容器之间的组件控制接口、组件通信接口、本地服务接口，全面地考虑了波 形组件与外界的交互，并将这些接口抽象化标准化，通过容器为波形组件提供标 准化运行环境。 1 2 3 设计以内核为中心的接口 以内核为中心的接口设计，就是接口的设计只关注核的通信需求，而与总线 或互连结构无关。为波形组件提供以内核为中心的接口，可以使波形组件设计与 波形具体实现独立，极大地提高波形可移植性。图1 5 说明了以总线为中心的接口 与以核为中心接口的差异： 图1 5以总线为中心的接口和以核为中心的接口 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 从图1 5 中我们可以看到，以总线为中心的接口是与具体的总线耦合在一起 的，而以内核为中心的接口却可以接驳到任何总线上去。两种接口的特性如下啪3 ： 以总线为中心的接口： 1 ) 迫使接口局限于具体的总线 2 ) 连接到其他总线可能导致一些核的特性完全丧失 以内核为中心的接口： 1 ) 方便不限制地使用所有核的信号和特性 2 ) 允许接口不受限制地桥接到任何互连结构 3 ) 接口所使用的门资源明显地少于总线接口所使用的 理想情况下，以内核为中心的接口使得内核设计者能集中精力于内核功能的 设计和内核之间的互连口。以内核为中心的接口必须是传输执行未知的，s o c 内 核通过接口连接核内传输机制，但不需了解具体的传输机制( 计算机总线、纵横交 叉、可配置片上网络) ，这一点很重要。否则的话，进行内核设计时设计者需要了 解传输知识，这不利于在使用不同的传输机制s o c 设计中进行内核重用。传输未 知( t r a n s p o r t u n a w a r e ) 方法，能保证设计的独立性，允许系统设计者根据系统需求 选择最优的互连方式。 以内核为中心的接口真正地使内核与s o c 互连机制隔离开，这允许独立的内 核设计，设计出不需考虑内核互连的即插即用的模块，因此可以极大地提高波形 组件的可移植性口副。由虚拟套接口联盟v i s a 提出的虚拟套接口( v c i ) 和o c p 接口即可以为波形组件提供以内核为中心的接口。 1 2 3 1v c i 接口 v c i 是v i s a 的片上总线开发工作组( o c bd w g ) 的工作成果嘲。v c i 接口 即是一种以内核为中心的接口，它关注于内核的通信需求，而与具体的总线结构 无关。v c i 的总体目标是提供一般的接口，这样任何以虚拟组件形( v c s ) 式提 供的i p ，都可以被任何集成者连接到s o c 上。 v c i 必须支持最大程度的v c 移植性瞳4 l ：首先，与v c i 兼容的v c 应该可以 与不同协议和性能水平的片上总线( o c s ) 进行互操作；其次，v c i 不应该规定集 成方法。这是因为，v c i 可以被用作一个不需要o c b 的点到点接口，而且可以用 自动方式或手动适配连接到不同的o c b 上。 v c i 是一个接口而不是一个总线，v c i 规定了： 1 ) 一种请求响应协议 2 ) 一种传输请求和响应的协议 3 1 请求和响应的内容和编码 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 作为一个接口，v c i 可以用作两个被称为发起端和目的端的两个单元之间的 点对点连接，其中发起端发送请求，目的端发送响应。v c i 也可以被用作适配器 的接口，连接到总线上去。基本的点对点的用法见图1 6 ： 图1 6v c l 用作点对点连接 v c i 也可以用作适配器的接口，连接到总线上去。这就是为什么v c i 允许v c 连接到任何总线上。发起端使用一个总线发起端适配器连接到总线上去，目的端 使用一个目的端适配器连接到总线上去。只要设计好总线的适配器，任何v c 可以 被连接到总线上，如图1 7 所示的那样。 i n i t i a t o rv c t a r g e tv c lv c ii n i t i a f o l lv c i l 缸g e tl ji v 疆 ji 1p 。瓣t 。p o i n t p 。i l l t t o p o i n t 1r l v ( r s e tl i n i t i a t o rw r a p p e r 。v c ii l f i t 舶rl i b u s m a s t e r i t a r g e tw r a p p e r b u s s l a v e i jlj 1r a n yb u s 1 图1 7 用来实现总线连接的两个v c i 连接 适配器和v c i 接口一起相当于传统的在发起端和目标端中的总线接口。整个 接口的功能作为一个点对点的连接。当然，v c i 的使用也不影响原有总线组件的 同时使用。事实上，当前v c i 的使用是对总线系统完全透明的。 虽然v s i a 也采用了以核为中心的概念，实现了波形组件实现与互连结构的分 离，提高了波形组件的可移植性，但是v c i 并没有涵盖所有核的信号瞳5 1 。例如它 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 只涵盖了数据流信号，而没有定义控制和测试信号，所以它还不是一个完整的接 口。而另种基于套接口的接口标准，不仅定义了一套包括数据流、控制、测试 的完整信号集，而且有丰富的支持环境、例如工具、协议检查、c a p i 等。这个接 口标准就是o c p 。 1 2 3 20 c p 接口 o c p 协议在2 0 0 1 年正式推出，并由开放式内核协议国际联盟( o c p i p ) 负责 支持、维护和发展。o c p 国际联盟是一家独立的、非盈利的半导体工业联盟，负 责o c p 的支持、提升和改进口钔。o c p 建立了第一个公开许可的、以核为中心的协 议，以应对与时俱进的系统级集成的挑战。o c p 为片上子系统通信定义了一个高 效的、和总线相对独立的、可配置的并且是可升级的界面。 i pc o r e o c p g t 黼i n t 擀e r f a 蹶c e 霉, 誓飘 匪琵基鑫，乏勰锄考薹，如；孟，磊鳐女 么。毛啦j 鑫点妊溯 t a r g e tb u sa o r 隧薹霹习 t a r g e tb u s j b 图1 80 c p 接口接驳到不同总线 图1 8 所示为o c p 接口与总线接驳示意图晗6 | 。因为o c p 是以核为中心的接口 规范，所以o c p 接口的开发只关注核的通信需求，而与任何具体的总线或互连结 构无关，用o c p 接口设计的i p 核也可以连接到任何的总线上啪1 。 o c p 虽然类似于v s i a 的v c i 接口，但是v c i 接口仅仅解决了和通信的数据 流部分，而o c p 是v c i 的一个超集昭引，它还支持可配置的边带控制信号和测试信 号等。o c p 是唯一的统一了所有核间通信协议的标准。由于它以内核为中心，极 大地促进了波形组件的移植和复用，又由于它具有的一系列优点，o c p 协议得到 第9 页 j l j j 国防科学技术大学研究生院工学硕十论文 了广泛的支持和应用。 1 3 论文的研究内容 论文通过对与f p g a 波形可移植有关的多个规范、协议进行了研究，提炼出 了其实现波形可移植的方法和途径，但是这些方法都仅侧重于波形可移植的部分 方面，需要对这些方法加以融合并系统化，才能更好地实现f p g a 波形的可移植： 1 ) h a l c 和m h a l 都侧重于处理单元外部接口的抽象，使波形开发与处理 单元对外通信方式相分离。而未考虑到波形结构的设计，没有将波形应用分离， 也没有实现波形组件运行环境的标准化。 2 ) c p 2 8 9 虽然提出了一套较为完整的标准化波形组件运行环境的规范，但其 主要标准化波形内部组件与容器的交互，而未提供整个波形对外的标准通信方式。 3 ) v c i 和o c p 接口所采用的以核为中心的思想虽然有助于波形组件与具体 波形实现独立，但是却未涉及到波形结构的设计，不能独立地实现波形运行环境 标准化。 我们通过对上述协议和规范的总结和提炼，将各种方法进行融合，提出了一 套波形结构，该结构融合了m h a l 与c p 2 8 9 中的思想，并采用o c p 作为波形组 件的接口。 f p g a。1 b 妇幽i 描“ r l】i ，惯5 i o m h a l 接口 | ， 尊：尊 尊；， o 消息扒 姒a l i o 接口l 埘a l 、i ) l h a l 消息 臻l l d k 韭l 斯 发送 节 珏c 忧 解析 1 封装吖 节点节点 结构结构 容器 本地服务模块 t 图1 9f p g a 可移植波形结构图 如图1 9 所示，这个结构既通过m h a l 为f p g a 设计了标准的外部通信接口， 实现了f p g a 波形在s c a 系统中的标准通信；又通过容器和组件的概念使波形应用 与其他部分相分离，并将波形应用粒度化为波形组件，为标准化波形组件的运行 第l o 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 环境打下了基础。最后又通过标准化的o c p 接口使得波形组件与系统具体实现分 离，实现了波形组件运行环境的标准化。通过这个架构，f p g a 波形很好地实现了 波形应用的分离和模块化，并真正实现了波形可移植。 整个波形可以划分为m h a l 、容器和波形组件等三个部分。m h a l 包括了 m h a l 接收节点、m h a l 发送节点、m h a l 消息解析结构、m h a l 消息封装结构。 波形组件的整体即是波形应用，是实现波形功能部分的。容器是波形组件之外的 部分，包括了控制模块、互连结构、本地服务等，容器为波形组件提供标准的运 行环境。论文的后续内容围绕此可移植f p g a 波形结构展开，对结构中的各个部 分进行详细的说明。最后通过波形实例实现，验证了论文所设计的f p g a 波形是 与s c a 兼容的。又通过对波形组件进行移植的试验，验证了所设计的波形结构和 组件接口为波形组件提供了很好的可移植性。 论文的主要研究内容如下t 1 ) m h a l 设计 论文首先对m h a l 规范做了介绍，其后论文结合c p 2 8 9 协议中的操作类型对 m h a l 原有消息格式做了重新设计，使其更好地满足f p g a 在s c a 系统中的通信 需求，其后论文设计并实现了f p g a 上的m h a l 消息解析结构、消息封装结构， 实现了对波形外部接口的抽象，提高了波形的可移植性。 2 ) 容器和组件设计 论文首先对c p