（计算机系统结构专业论文）cdma基站系统中网络接口模块的研究.pdf

西北工业大学硕士论文 摘要 本课题来源于深圳市中兴通讯股份有限公司，课题内容是c d m a 通信系 统中基站控制器( b s c ) 的网络接口模块的研究与实现。论文对作者在网络接 口模块设计开发组一年多工作进行了总结和提炼。 网络接口模块是基站控制器中的一个重要组成部分，包括了单片机系统、 收发双总线方向与串行接1 3 方向数据传输转换逻辑模块、串行数据接收发送模 块、收发双总线并行数据接收发送模块、系统复位模块、电源模块六大子模块。 作者参与了整个系统的设计与验证，重点负责逻辑部分设计和调试。论文 首先从系统设计思想出发，对网络接口模块的总体设计实现进行了研究，接着 对作者主要研究的软硬件分i 协同设计中的软件完善部分，逻辑设计部分，以 及最后的逻辑测试、系统测试进行了重点论述。 在系统研究开发过程中，作者依据软硬件协同设计思想，采用了整体需求 分析、子模块划分、子模块实现与调试、联合调试的设计流程。对于逻辑模块， 则采用f p g a 设计中流行的t o p - - d o w n 高层次设计方法，使用硬件描述语言 v h d l 进行描述，采用m e n t o r 公司的m o d e l s i m 进行仿真，s y n o p s y s 公司的 s y n p l i f y 进行综合，x i l i n x 公司的i s e 进行f p g a 布线下载等。到本论文完稿 之期，开发实现的产品已经通过了规定的所有测试。 本论文的研究工作重点包括： 根据网络接口模块的应用环境，进行系统需求分析，确定所需实现功能，而 后进行系统子模块的划分，明确各个子模块功能、实现方法及其之间的接口。 - 明确单片机软件和逻辑硬件功能的划分与合作，配合单片机软件的设计，重 点完成可编程器件的逻辑实现，包括主控逻辑和数据传输转换逻辑。作者依 据总体功能需求，研究实现了逻辑子模块功能划分与定义、子模块接口定义， v h d l 语言代码编写，逻辑功能仿真，实现以及调试。与硬件功能相配合的 软件功能完善采用c 5 1 语言。软硬件的划分与合作提高了设计效率。 系统调试。这里重点描述耗时最长，难度最大的逻辑模块的功能调试、完备 性调试与可靠性调试。 本论文的成功研究与实现推动了我国c d m a 通信技术的发展，为设计具有 自己民族知识产权的基站产品积累了经验，也将给r 丌发公司带来经济利益。同 时该系统中很多典型模块的开发与验证对于以后相关产品的丌发也具有极大的 借鉴意义。 关键词：网络接口模块，现场可编程门阵列，软硬件协同设计，仿真，单片机 西北工业大学硕士论文 a b s t r a c t i h ew o r ki nt h i st h e s i si sr e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fn e ti n t e r f a c em o d u l e n e ti n t e r f a c em o d u l ei sav e r yi m p o r t a n tp a r ti nb a s es t a t i o nc o n t r o l l e ro f c d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e r ea r es i xs u b m o d u l e si n i t ：s i n g l e c h i pu n i t ， d a t at r a n s f e ru n i t ，p a r a l l e ld a t at r a n s f e r r e c e i v eu n i t ，s e r i a ld a t at r a n s f e r r e c e i v eu n i t ， s y s t e mr e s e tm a n a g e m e n ta n ds y s t e mp o w e r u n i t t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no fn e ti n t e r f a c em o d u l e ，m a i n l yd i s c u s s e sd e s i g no fd a t at r a n s f e ru n i t s l o g i ca n dt h ei m p r o v e m e n t o f s i n g l e c h i pu n i t ss o f t w a r e t e s t i n ga n dd e b u g g i n go f l o g i cd e s i g ni sa l s of o c u s e d t h er e s e a r c hw o r ko f t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e s ： a s c e r t a i nn e e d e df u n c t i o no fn e ti n t e r f a c em o d u l ea c c o r d i n gt ot h eu s i n g e n v i r o n m e n t ，p a r t i t i o n s u b m o d u l e so ft h e s y s t e m d e f i n e f u n c t i o no f s u b m o d u l e sa n di n t e r f a c eb e t w e e nt h e mi nd e t a i l ， c o n s u m m a t e s i n g l e c h i p s s o f t w a r e a c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o nd e f i n i t i o n b r o u g h tb ys o f t w a r e h a r d w a r ec o d e s i g n l o g i cd e s i g na n d r e a l i z a t i o ni nf p g a l o g i ct e s t i n ga n dd e b u g g i n g n e ti n t e r f a c em o d u l ei sac o m p l e xd a t at r a n s f e r s y s t e m t h e a u t h o rh a d a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g na n dv e r i f i c a t i o no fi t t h i st h e s i sc o n t r i b u t e sal o tt ot h e d e v e l o p m e n to fq u rc o u n t l 了sc d m a c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a l s oa c c u m u l a t e s r i c h e x p e r i e n c e t or e s e a r c ho f a l i k ep r o d u c t s ， k e yw o r d s ：n e ti n t e r f a c em o d u l e ，f p g a ，h w s wc od e s i g n ，s i m u l a t i o n ，s i n g l e c h i p 西北工业大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及来源 移动通信技术是当今通信业中最活跃、发展最迅速的领域之一，也是在2 0 世纪术和2 l 世纪初对人类生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一，它 的发展历史不长，但是在短短的几十年内却取得了巨大的进展i i 】。 c d m a 技术是近年移动通信领域中的技术热点之一，它与g s m 是并列的 目前应用最广泛的移动通信技术，该技术的出现源自于人类对更高质量无线通 信的需求。1 9 9 5 年，第一个c d m a 商用系统运行之后，c d m a 技术理论上的 诸多优势在实践中得到了检验，从而在北荚、南美和亚洲等地得到了迅速推广 和应用。目前，在韩国、r 本、美国、澳大利亚等发达国家，c d m a 已经成为 主要移动通信技术。在我国，c d m a 手机也正得到不断的普及。 c d m a 是码分多址的英文缩写( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ，它是在数 字技术的分支一扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。 c d m a 技术的原理基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数 掘，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带 宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接 收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以 实现信息通信。c d m a 具有系统容量大、系统容量配置灵活、通话质量佳、频 率规划简单、能延长手机电池寿命、建网成本低等许多独特的优点。 c d m a 技术的标准化经过了多年的丌发修订，以i s 9 5 为代表的窄带c d m a 系列标准已经基本完善。作为第三代移动通信标准之的i s 2 0 0 0 及i s 2 0 0 0 a 完 全兼容i s 9 5 标准，也就是说现有的i s 9 5 系统可以平滑过渡到第三代移动通信。 目前国内，随着移动通信技术和市场的迅速发展，联通新时空的i s 9 5 a 增强型 c d m a 蜂窝移动通信网络系统已成功升级为c d m a 2 0 0 0 1 x 网络， c d m a 2 0 0 0 一l x 移动通信系统已开始步入大规模商用化阶段。同时， c d m a 2 0 0 0 1 x 系统中的各种增强型技术己呈现替代c d m a 2 0 0 0 3 x 技术的趋 势，而成为未来c d m a 演进体系下的3 g 技术标准忙j 。本文f 是借鉴原i s 9 5 产品开发经验，完成了新代具有很大应用市场的通信产品的改进与丌发。 我国目前采用的c d m a 标准主要是向美国标准靠拢，同时结合我国的实际 情况。我国在1 9 9 9 年4 月成立了中国无线通信标准研究组c w t s ，其标准制 订工作中电包括制订适合我国具体情况的c d m a 标准。我国c d m a 标准的制 订主要分为三个阶段：第一阶段主要是建立起我国标准体系的基本框架：第二 西j l q - 业大学硕士论文第一章绪论 阶段的主要任务是在第一阶段工作成果的基础上，充分发挥已建立的基本框架 功能，提供更多的功能和业务；第三阶段是面向第三伐移动通信 3 1 。 在吸收和引进国外各项标准的同时，我国也正在积极_ 丌发满足我国电信网 络的c d m a 标准，并且已经向国际电信联盟递交了第三代移动通信技术规范 t d c d m a 标准，该标准在有关世界第三代移动通信标准制订会上被最终确定 为第三代移动通信技术规范的系列标准之一，这是中国提出的电信技术标准第 一次被国际电信联盟所采用，同时也证明了我国的通信技术水平已逐渐与世界 同步，我们的民族产业也日益引起世界的瞩目i ”。2 0 0 0 年5 月，大唐集团代表 中国政府提交的t d s c d m a 技术，被国际电联批准为第三代移动通信国际标 准，这是百年来中国电信发展史上的重大突破 4 1 。 一个c d m a 系统是由移动终端、基站收发信机( b t s ) 、基站控制器( b s c ) 、 移动交换机( m s c ) 、分组控制功能及分组数据服务节点等部分组成，其中， b t s 和b s c 合称基站子系统( b s s ) 。基站控制器b s c 是c d m a 通信系统中 一个很重要的组成部分，它负责完成无线网络的管理、无线资源的管理及无线 基站的监视管理，控制移动台和基站发送接收器无线连接的建立、接续、拆除 等管理，控制完成移动台的接入、寻呼和切换，提供语音编码、码型变换和速 率适配功能，提供g p r s 业务的相互适配和互连功能，并完成对基站子系统的 操作维护功能。简单讲b s c 就是一台具有强大计算能力的交换机，它应当能够 集中体现出高超的交换技术与蜂窝技术，必须具备集成度高，功耗低等特点。 在c d m a 规范中，基站控制器b s c 和基站b t s 之间的a b i s 接口是不开 放的扣j ，必须采用同一厂家的设备。园此国际国内各大电信厂商为了能够在通 信市场中占据一定的份额，都相继开发出了自己独立的产品。 国内研究丌发移动通信设备的时问毕竟不长，经验不足，对移动通信技术 掌握的深度和广度还不够口“。我们必须证视现实，加大完善具有独立自主知识 产权的高性能基站控制器b s c 和基站b t s 的丌发。而且，从下一代电信网的 结构考虑，通往3 g 的四种模式：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a ， l a s c d m a 中基站控制器子系统也是必要的组成完善部分 3 5 1 ，因此，对它的 开发研究不仅是我国民族通信产业振兴的需要，对于向新一代电信网的过渡也 是有重要意义的。 本论文丌发的产品就是依附于这样一个迫切的应用背景，作者研究实现的 部分是c d m a 系统基站控制器b s c 中的重要交换模块网络接口模块，产 品的开发充分吸收了国外现有c d m a 系统的优点，以高性能、自主知识产权为 目标，而且充分考虑了产品更新升级的需求，开发中有很多技术亮点，具有可 持续性强、生命周期长的特点。 本论文属于工程应用性研究开发。 西北工业大学硕士论文第一章绪论 1 2 论文研究的内容及意义 本论文所研究开发的网络接口模块在整个b s c 系统中担任着重要的数据 通信和交换作用，应用满负荷时，每个b s c 系统的高速路由子系统中有m 块 网络接口模块。每块网络接口模块可以同时与n 块别的设备通信，为了保证整 个系统的性能，我们在整体设计前进行了完备的需求分析、系统划分，这是系 统设计中一个很重要的环节。整个系统设计包括很多内容，作者主要负责主控 逻辑、功能逻辑的设计与实现：软件功能的完善，以及系统的功能调试、可测 试性调试、异常工作环境实验等。另外作者还参与了系统原理图修改和p c b 布 线配合工作。下面是对所做工作的总结： 1 系统分析与总体设计：根据系统应用环境，确定所需的基本功能保证 系统稳定正常工作的完备性功能，便于测试、故障定位的测试功能。依据需求， 确定系统子模块划分：完成系统原理图的修改，明确各子模块的初步设计及之 间的接口关系； 2 逻辑设计：主控逻辑，功能逻辑的设计。包括逻辑子模块的划分、子模 块功能定义、子模块间接口定义，v h d l 语言代码编写，逻辑功能仿真，实现 以及调试。 3 单片机软件完善：配合逻辑功能的设计，采用c 5 1 语言对单片机软件 进行完善，实现预定功能； 4 系统调试：完成各个子模块到系统的功能测试、完备性铡试、可靠性试 验等。 经过整个网络接口模块开发小组的共同努力，在一年多的时间里，完成了 从最初的需求分析、模块划分、器件选型到原理图绘制、p c b 设计、软硬件模 块功能实现、系统测试验证等一系列工作。到作者截稿之期，新开发的三块单 板已经全面通过了各种测试，能够稳定的完成预计功能。 网络接口模块在c d m a 系统基站控制子系统中担任着重要的交换任务。各 个呼叫处理模块( c p m ) 、信道数据服务单元( c d s u ) 、选择器声码器子系统 ( s v b s ) 等之问的通信，以及这些模块与基站控制器以外系统的数据交换都要 通过网络接口模块完成转发，因而对它的开发势在必行。同样，由于网络接口 模块实现的功能具有典型的数据交换特性，因而它的成功研究为类似产品的开 发积累了丰富的经验，将对它的研究开发作为研究课题具有相当的代表性。此 外，网络接口模块开发中的很多子模块的功能也具有典型性，可以单独研究并 作为标准化模块直接调用，因此本课题的研究与实现不仅是知识与经验的积累， 也为以后的开发研制提供了广泛的借鉴资源。网络接口模块的成功研究、升级、 实现推动了我国c d m a 通信技术的发展，具有自己的民族知识产权，也将为通 西北工业大学硕士论文第一章绪论 信厂商赢得更大的商机。 1 3 设计思路及实现手段 c d m a 系统在国外已经有很广泛的商业应用，在整个系统设计、功能划分 时，我们依据成熟的理论知识、借鉴国外成功经验、采用结构自主设计的设计 方法。 系统开发的第一步就是系统分析，在这一阶段，丌发小组需要分析系统需 求，探讨可能的系统结构，并最终确定软硬件的功能划分。系统结构方面的考 虑主要包括：确定系统内部的组成、实现方法，同时也要考虑到测试与调试结 构等等。除此以外，器件的选择也是在系统设计阶段完成。 我们通过对系统功能、可靠性、可测试性等的仔细分析和研究，从功能、 性能、兼容性等多方面综合考虑，确定实现系统所需功能的子模块划分，采用 软硬件协同设计的先进设计方法进行系统软硬件划分确定软件的实现功能及 手段，确定硬件功能的实现方法、结构划分、面积性能优化的实现手段。 系统的原理图设计是整个系统功能实现的一个很重要部分，它体现了系统 设计的总体结构划分。c a d e n c e 强大的原理图设计软件c a d e n c ep s d 使得 人力资源得到了很大的节约，借用这个工具我们完成了原理图的绘制。系统中 的m c u 采用p h i l i p s 的p 8 9 c 6 6 0 单片机，软件采用5 l 单片机系列的c 5 l 编程 语言实现，该语言在c 语言的基础上提供了对单片机内部寄存器的更强大支持， 使得设计更方便简化。系统中主控逻辑、功能逻辑的实现分别采用目前应用很 热门的复杂编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程门阵列器件( f p g a ) 实现， 这些器件的应用使逻辑设计得到了很大的简化，经过前期对逻辑实现所需遵守 协议和所采用算法等的研究提取，体系结构的精心划分，各个子模块功能及实 现方法的确定后，整个逻辑部分采用全厩向的t o p d o w n ( 自顶向下) 设计 方法，在l a t t i c e 的i s p m a t c h 系列器件和x i l i n x 公司的s p a r t a n2 e 器件上实现、 验证。设计运用v h d l 语言描述，采用x i l i n x 公司的i s e 5 1 软件、m e n t o r 公 司的m o d e l s i m 工具、s y n o p s y s 公司的s y n p l i f y 工具完成设计的输入、仿真、 综合、卸局布线、下载文件生成以及最后的下载等。利用已有的系统测试环境 进行调试时，重点难点集中在了逻辑设计的功能调试、完备性调试、可靠性调 试上。 1 4 结构安排 本论文依据作者在网络接口模块的研究开发过程中所承担的主要工作而 西北工业大学硕士论文第一章绪论 定，下面对论文中各章节内容进行简要描述： 第二章描述网络接口模块的应用环境，分析网络接口模块所需实现的功能 需求。从网络接口模块的整体设计开始，介绍了系统子模块的划分，简单子模 块的实现方法，重点描述了软硬件设计划分后的软件实现，讲述单片机软件在 模块工作中的主要功能，流程以及所采用的实现方法，其中部分功能与逻辑设 计相呼应。 第三章讲述可编程逻辑设计部分。这一章主要描述两片用f p g a 实现的发 送和接收逻辑，一片用e p l d 实现的主控逻辑，在模块中实现的功能以及实现 方法。详细介绍发送和接收逻辑的模块划分、结构组成与实现。结合第二章中 的软硬件协同设计以及软硬件系统划分，这一章中部分逻辑功能的实现与第二 章中的软件功能相呼应。 第四章详细描述调试过程中遇到的典型问题，重点是逻辑部分的功能调试、 完备性测试以及异常工作环境测试( 低温测试) 中问题的发现、分析及解决方 法。 第五章是结束语。 西北工业大学硕士论文第二章网络接口模块系统分析与实现 第二章网络接口模块系统分析与实现 2 1 网络接口模块应用环境 网络接口模块的应用环境如图2 1 ，图中给出了b s c 与b t s ( b a s e t r a n s c e i v e rs t a t i o n ) 、m s c ( 1 v l o b i - l e 丽矗磊i 面琶品t ； ) 之间的连接关系，虚线框内 部分代表b s c ( 没有给出b s c 完整的组成图，只是较详细得给出了其中与网 络接口模块应用环境相关部分的连接图) 。 图2 1 网络接口模块应用环境结构图 图2 1 中的g p s t m ( g p st i m i n gm o d u l e ) ，负责向网络接口模块发送通信 系统的重要时钟。 由图2 - 1 可以看出，虚线框内系统的系统架构采用基于共享总线型的快速 分组交换网络，由两条单向总线一发送和接收总线，构成系统数据交换平台的 骨架。每块网络接口模块通过1 2 c 总线和控制模块进行双向通信，满负荷情况 下每块网络接口模块通过n 条双向串i ：1 线和n 1 块别的设备通信。 接收总线，在控制模块的仲裁和控制下，分时传送各网络接口模块从串行 具体参数见公。义献一参考文献 4 1 1 雌 ! 呈一口一 声 西北工业大学硕士论文第二章网络接口模块系统分析与实现 端口接收到的数据帧。控制模块从接收总线接收到数据帧后，依据数据帧的目 的地址，将数据进行分发：送出图2 1 中虚线框内所示系统或到系统内的发送 总线。发送总线是广播类型分发总线。从图2 一l 中虚线框中所示系统外或者接 收总线两个方向来的数据帧在控制模块的控制下以广播分发的方式送到发送总 线，挂在发送总线上的各个网络接口模块同时响应发送总线上的数据帧，判断 数据帧中目的地址的节点号，决定是否接收该数据帧。对于要接收的数据帧， 网络接口模块处理后，会进一步依数据帧目的地址的端口号将数据帧送到相应 的串行端口上，传给下挂设备，从而完成数据交换。 2 2 网络接口模块的备份机制及需求分析 由图2 - 1 ，有多个网络接口模块应用在虚线框内所示系统中，满配置情况 下系统中的控制模块两边各有m 2 2 + i 块网络接口模块，m 2 块正常工作，一 块用于备份。具体安排如图2 2 所示： 嘲络接口模块各 用 板 + k 制 模 块一 各刚络接口模块 用 板 图2 2 网络接口模块配置图 如图2 2 所示，当控制模块检测到有工作异常的网络接口模块时，就会发 起和控制网络接口模块的备份倒换机制。由于控制模块上没有路由表因此备份 切换不可能通过修改路由表的映射关系来实现，只能通过修改网络接口模块上 的逻辑地址实现。网络接口模块的逻辑地址是用来判断、接收数据的地址，也 就是说当数据帧中的地址标识位和某块网络接口模块的逻辑地址匹配时，网络 接口模块接收该数据帧。 网络接口模块需求分析 1 ) 通过串行口完成和下挂设备问的串行数据发送、接收功能，串行数据 2 具体参数见公r d 文献一参考文献【4 l 】规定 玉 ! il 一 西北工业大学硕士论文第二章网络接口模块系统分析与实现 速率a 3 2 m b p s ，n 路全双工通道。串行数据通信的时钟由网络接口模 块提供，数据接收方向进行c r c 校验，丢弃错误数据帧，屏蔽非指定 端口的广播类型数据帧，分发特殊时钟信号到各个下挂设备。 2 ) 完成与发送接收总线间的数据发送接收功能，数据宽度l 4 ( l = 1 6 ) 位， 时钟频率am b p s ，两条单向数据总线。 3 ) 串行端口物理链路上的帧接收发送状念等的指示功能，以便外部相关 控制器进行各种异常处理。 4 ) 帮助定位系统故障、查询系统工作状态而实现的统计功能：统计两片 f p g a 外带数据存储单元s s r a m 的使用情况，统计系统接收到的c r c 校验错误帧数，统计数据传输过程中各个存储转换部件的进出帧数。查 询系统中存储器件，可编程逻辑器件，重要时钟等是否工作f 常。 5 ) 配合完成控制模块的下发命令：通过1 2 c 接口，接收控制模块发出的 命令，并完成相应响应。 网络接口模块外部接口 网络接口模块的外部接口主要包括双向串行端口、与发送接收总线相连的 并行接口、与控制模块通信的1 2 c 接口、与p c 机相连的串行通信端口： 串行端口：每块网络接口模块有n 个串行端口，每个串行端口都是用 于连接下挂设备进行数据通信的端口，同时也是向各个下挂设备传送偶 秒和c h i p 时钟信号的端口。 与发送接收双总线的接1 2 1 ：每块网络接口模块通过两条l ( l = 1 6 ) 位的 数据线下挂在发送，接收双总线上，通过接收总线上传从串行端口接收 到的数据：通过发送总线接收将要下传到对应串行端口的数据。 1 2 c 接口：1 2 c 接口是网络接口模块用来接收并响应控制模块命令的接 口。 串行通信接口：连接网络接口模块上的串行端口和p c 机的串行通信端 口，通过p c 机的超级终端，借助人机接口，可以实现模块运行状态的 监测。 2 3 网络接口模块系统划分 网络接口模块实现两个方向的数据交换：一，从串行数据接收发送模块收 到的数据经过数据传送转换模块进行转换后，依据控制模块的仲裁结果，在获 得接收总线使用权时分时以l ( l = 1 6 ) 位宽度将数据送上接收总线：二，从发送 3 具体参数见公吲文献一参考文献 4 1 l 规定 4 具体参数见甜d 史献一参考文献【4 1 1 捌定 琶北工业大学硕士论文 第二章网络接口模块系统分析与实现 总线上接收传给本模块的并行数据，进行数据转换后，由串行数据接收发送模 块将数据以串行方式从对应的串行端口发出。网络接口模块系统共划分为六大 模块：单片机系统、发送接收双总线方向与串行方向数据传输转换模块、串行 数据接收发送模块、发送接收双总线方向并行数据发送接收模块、系统复位 模块、电源模块。 网络接口模块系统中各个子模块的互连关系如图2 3 所示： 接收 发送 图2 - 3 网络接1 ：3 模块中系统子模块关系圈 2 3 1 系统分析思想 系统开发的第一步就是系统分析，在这一阶段，丌发小组首先分析确定系 统需求，然后以实现系统功能为基础，兼顾测试与调试的方便性，探讨可能的 系统结构，确定软硬件的功能划分。系统结构方面的考虑主要包括：确定系统 内部组成、模块划分等等。除此以外，器件的选择也是在系统设计阶段完成的。 在系统设计中，从整个系统的功能和性能出发，用软硬结合的设计和验证 方法，实现所需要的功能。该阶段的工作由软件和硬件设计人员共同完成，基 9 西北工业大学硕士论文第二章网络接口模块系统分析与实现 本上是靠工程师自由发挥，主要是由经验、直觉和以往的考虑因素决定的，它 的结果就是形成一组设计规格。规格的一部分成为软件开发的指导文档，另一 部分定义了硬件需要实现的功能。这样设计出的一个软硬件集成的结构，满足 一系列结构限制条件，使软硬件模块可以被重用。具体来说，系统就是软、硬 模块及之涮通信结构的结合体，此系统可以用于某一特定领域。 在当前的设计环境中，许多的系统构件都是由已有开发模块组成，要么是 它们的衍生而来，这也要在系统设计阶段充分考虑。针对特定的系统设计环境 与设计目标，系统设计工程师在划分系统模块，选用已有模块时，必须全面考 虑它们的各种优缺点。已有模块的特性必须预先规划到一定的程度，并能以规 范的方式提供出来，这样，系统设计工程师才能针对性能、规模、成本等不同 方面的系统设计目标来进行评估。除此以外，在系统设计阶段还必须评估已有 模块的品质、调用的方便程度和可重用性等。 选择已有模块时的另一个重要考虑因素是它与目标系统的配合程度。一般 说来，在进行集成之前，最好选择那些无需修改或只需做少量修改的已有模块。 但是如今的大多数情况是：设计人员在调用已有模块后必须进行修改。这种修 改会耗费大量的时间和资源，不仅会耽误产品的研发进度，还会给整个设计流 程引入风险。虽然某种程度的修改是不可避免的，但是如果设计人员能够牺牲 一点性能或功能或者将预期的功能换种实现方式( 例如硬件功能与软件功能实 现手段的切换) 来换取尽可能少地修改已有模块，那么情况就会有所改善。即 使某些模块的功能可能超过了系统的需求，但是为了尽量少地进行模块修改， 我们也应该在某些不太重要的功能上做出妥协，以便直接使用一些我们需要的 功能模块。 如果目标系统中含有可以编程的模块，如单片机、d s p 等，那么系统设计 阶段就还有一项重要工作，即：软件系统的开发计划。我们的系统开发过程中， 就调用和修改了一些已有的功能相近的软件模块与硬件模块1 3 ”。 在进行系统设计开发的过程中，应该将设计建立在较高的要求之上，设计 的重心应该转向系统的设计、软硬件结合的设计。而且考虑到通用模块的复用 问题，新的硬件模块、软件模块也要尽量设计成为可重用的模块( 这也是为缩 短新产品丌发周期所期待的目标) 。运作良好的设计方法学是要将设计模块的行 为，与和总线或周围模块( s u r r o u n d i n gb l o c k s ) 的通讯两者清楚分开。模块的 设计要求很明显，就是使其可以更容易地被应用到新设计中，又或者，采用另 一种说法，其功能性( 行为) 可以更容易地抽取出来并加以重用。这样设计出 的通过验证的模块( 包括软件模块和硬件模块) 在以后类似系统的开发中，就 可以复用。从而也使设计者更专心于整个系统的设计，而无需具体考虑单个模 块。 在系统设计中，软件开发必须与硬件丌发同步进行。软件与硬件的设计可 西北工业大学硕士论文第二章网络接口模块系统分析与实现 以借助各自的开发工具，在设计阶段分别进行开发与验证，完成后在统一的环 境下调测。 总的来说，系统设计人员想要快速的设计性能好的系统必须把注意的焦点 转向前期设计阶段，并时刻留心丌发工具和已有模块的快速发展。已有模块的 可重用性，可以让开发人员在更小的风险下，通过更简单的方式，转移到以功 能组装为基础的全新的设计方法。 2 3 2 软硬件协同设计方法 软硬件协同设计能以很高的水平来指导系统设计，将那个系统划分为硬件 和软件，并分析主要的设计决策，以确保它们对系统具有所希望的影响。协同 设计( c od e s i g n ) 是一种变动方法学，会影响设计师( a r c h i t e c t ) 及硬件和软 件这两支设计队伍。设计工具要采用标准语言，c 语言自面世以来很快就成为 系统级设计方面约定俗成的标准。软件工程师早已认识它，而大部份硬件工程 师也认识它。如果他们咀前未认识c 语言，让硬件工程师去学习，也不会太困 难。采用h d l 语言来设计系统规格则要花很长时间，需要大量的电脑运算时 间，去模拟运行在系统上仅仅几秒钟的软件，而且，这对于软件设计队伍来说， 是完全陌生的。毕竟，h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 指的是硬件描述 语占。 系统软硬件设计流程包括：对系统设计方案可行性分析与验证；划分软硬 件实现功能，并对各自设计的可行性进行分析确认；进行软件和硬件的详细设 计；最后进行系统测试。 图2 - 4 系统软硬件协同设计流程1 4 0 西北工业大学硕士论文第二章网络接口模块系统分析与实现 在系统设计中，对软硬件的划分要从系统的角度，将软硬件完成的功能作 均衡，以想要达到的目标为设计标准，在系统的复杂度一定时，使软硬件结合 达到更高的性能。 硬件设计和软件设计各有利弊，采用硬件设计方法实现数据传输是很好的 办法，但是硬件费用非常大，开发周期长，当设计完成后，发现错误进行更改， 也要花费大量的费用和时间；而软件具有费用低，容易升级改进等优点，因此 在系统设计中，使用软件与硬件协同设计的方法。软硬件协同设计方法合理划 分软件与硬件的功能，可以使软件设计者与硬件设计者发挥各自的特长，合作 实现功能，从而使系统更好的完成预定的功能，减少各自设计中的盲目性。具 体划分时，可以将时序要求严格的部分用硬件实现，而采用软件设计来降低系 统总体成本。软硬件协同设计涉及到多种折衷取舍，在不同的体系结构或软硬 件分离( p a r t i t i o n s ) 之间进行取舍，系统性能就会发生变动。 良好的协同设计源于软硬件队伍之间的沟通，它使设汁流程更容易，软硬 件划分好以后，软件和硬件的设计一直是保持并行的，在设计过程中两者交织 在一起互相支持，互相提供开发平台，这对产品及时推出市场具有深远的影 啪f 。 2 3 3 网络接口模块系统设计思想 在系统设计中，我们依据系统设计与软硬件协同设计理论，进行了合理的 模块划分、软硬件划分。其中发送接收双总线方向并行数据发送接收模块、串 行数据接收发送模块主要是完成电平转换和数据传输模式转换，由于可以在市 场上找到符合条件的器件设备来完成这样的转换，因此对他们的设计就相对简 单，只需对应器件手册设置完成相应功能即可。电源转换模块和复位模块，通 过调用已经通过验证的模块来实现。网络接口模块所需主要完成的数据传输功 能对于时序要求很高，由于没有合适的数据转换功能器件供使用，因此我们采 用便于协议实现、时序设计、可以由设计者自行编程实现功能的可编程器件来 实现。可编程器件对于数据转换功能的实现很有利，但是我们的系统还必须具 有系统启动检测，启动过程报告，系统工作状念上报等功能，这些功能对于时 序没有严格的要求，又没有现成的相应器件。如果仍采用可编程器件来实现， 不但会使设计复杂，降低系统数据传输性能，而且会增大系统成本( 采用大容 量f p g a 器件成本会明显增加) ，因此我们的系统中采用单片杌作为系统的 m c u ，通过单片机软件编程实现对系统的检测、状态上报等功能。这种对单片 机和f p g a 分别进行软硬件开发，配合完成系统功能的设计是很常用的。 在确定了软件和硬件功能的实现手段后，我们还需进一步具体划分软件和 西北工业大学硕士论文第二章网络接口模块系统分析与实现 硬件的分工与合作。详细举例说明：对系统中f p g a 外挂s s r a m 进行自检的 功能采用单片机软件或者f p g a 逻辑设计都可以实现，由于s s r a m 仅与f p g a 有唯一的数据接口，直观想法应当是采用逻辑设计实现检测。但是在我们的系 统中这样做，会使逻辑正常的数据传输性能受到影响，使逻辑设计的控制更加 复杂，耗费资源，且检测方法不灵活，也不利于故障的定位。结合系统中的单 片机软件，由于我们的f g p a 设计中必须设计有与单片机软件的通信接口，因 此利用软件设计实现该功能，不仅使得检测方法灵活，便于故障定位，而且整 个系统性能也远远优于硬件方案。 在系统测试中，由于网络接口模块的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内 部进行，而对于f p g a 器件功能的调试往往是硬件设计中很费时费力的一个部 分，设计的稍微改动会引起整个设计的重新综合、布局布线、下载，因此在系 统设计时，必须尽量提高故障定位的准确性。传统的测试设备，如：逻辑分析 仪和数字示波器，不仅操作复杂，观测不方便，而且已很难对b g a 封装的器 件进行直接测试分析，因此，在对时间和费用要求苛刻的今天，单纯的只考虑 硬件测试方案是不合理的。我们在设计中，就是通过在硬件设计中增添相应的 测试功能，同时配合完善了的软件设计中已有的人机接口功能，来帮助f p g a 的故障定位、调试测试等。这将具体的体现在完备性测试部分。 2 4 网络接口模块中部分子模块设计 发送接收双总线方向并行数据发送，接收模块 由于网络接1 2 1 模块在发送接收双总线上的数据都是通过体效应收发器逻辑 p l u s 电平( 该电平可以加速数据流量) 来传送的，因此该模块主要完成体效应 收发器逻辑p l u s 电平与本模块中的晶体管晶体管级电平问的转换。采用现成的 体效应收发器逻辑p l u s 电平驱动器器件实现。 串行数据接收，发送模块 差分信号具有抗干扰性好的特点，系统设计中采用差分信号向网络接口模 块的下挂设备发送数据和时钟。串行数据接收发送模块主要由差分信号驱动器 组成，完成差分信号与普通信号的转换。 电源模块 网络接口模块中共需3 种电源，部分器件工作的3 3 v 和5 v 以及s p a r t a n 2 ef p g a 的核电压1 8 v 。网络接口模块从系统外得到5 v 电源，因此设计需要 两个l d o ( 电压转换器) 完成5 v 到3 3 v 和5 v 到1 8 v 的电压转换。由于x i l l n x 公司的s p a r t a n 2 e 系列的f p g a 器件对上电顺序有要求核电压必须在i o 端口电压之前到达，因而我们设计中通过计算来选取适当的电阻电容值控制 西北工业大学硕士论文第二章网络接口模块系统分析与实现 l d o 的使能端，使得3 3 v 电压转换较1 8 v 滞后，确保f p g a 正常工作。 复位模块 系统设计中的复位功能要求很高的可靠性，不仅要有手动复位功能最好 具备对系统的监控复位功能，最常用的就是软件看门狗复位功能。系统设计中 选用具备看门狗功能的m a x 7 0 6 实现复位模块。 本复位模块是5 v q - 作电源和低电平有效复位电路模块，具有以下复位功能： 上电复位输出 掉电复位输出 降压复位输出 手动复位 看门狗复位 监控器件的r e s e t 复位信号不可避免的会有毛刺，为了避免毛刺对系统的影 响，将复位输出接到系统中的主控逻辑可编程器件内，在逻辑设计中检测输入 端的电平，进行毛刺滤除只有输入端的复位电平达到足够长的时间，才输 出有效复位信号。 2 5 单片机系统及单片机软件 在系统设计划分时，我们已经各自定义了软硬件系统的功毹单片机软件 负责整个网络接口模块的启动控制、状态检测、状态上报、测试配合等作用。 单片机软件的完善不仅对系统正常工作很重要，对于系统的调试以及错误定位、 测试都起者很好的辅助作用。下面就这一部分做以介绍，以单片杌软件的功能 与实现为主。 2 5 1 单片机子系统 网络接口模块上的m c u 采用p h i l i p s 公司的5 l 系列8 位单片机8 9 c 6 6 0 实现。该器件与m c s 5 l 系列单片机完全兼容仅多一个1 2 c 总线接口在我 们的系统中被用于完成和控制模块的命令传输。 网络接口模块中的单片机系统完全依据单片机最小系统需求搭建：包括片 外程序存储器、片外数据存储器。外加片外程序存储器和数据存储器是因为片 内程序存储器的容量无法满足单片机软件的空间需求片内数据存储空自j 也无 法满足包括人机接口等数据交换功能所需的容量，而且这样的设计也为将束进 一步完善扩展软件功能预留了空问。单片机软件统一采用c 5 1 语言实现，c 5 1 语言是c 语言的一种扩展，兼具c 语言的优良特点，同时又比c 语言更多的支 西北工业大学硕士论文第二章网络接口模块系统分析与实现 持对单片机中特殊功能寄存器的访问，便于单片机软件的编写。 2 5 2 单片机软件综述 网络接口模块中的单片机软件主要完成系统启动、系统状态设置、独立存 储单元检测、f p g a 下载检测、控制模块1 2 c 命令响应、系统状念上报、人机 接口等功能，同时在系统运行过程中对系统工作状态进行监控、给出异常告警， 参与配合n + i 主备倒换时系统工作状态的切换。配合逻辑测试等等。 开始 设黼1 2 c 超时，系统 状态检测时间等参 数，点亮面板指示灯 判断足奔为热起i 动，引始化人机接f u ，打印相关信息i y e s n o y e s in o 检测从外部得到 的系统i 作时钟 是否存在 e s 部分工作寄存 器的初始化 判断f p g a 逻辑 r 载是否成功 热起次数加1 通过相心指 不灯显示， 给出告警 y e s y e s f p g a 外带 s s r a m 自检 是甭通过 y e s o 则循环检测 重试f 载in o 成功行? 广 n o 依据读到的椅位 号，计算逻辑i d 平1 2 c 地址向控制 模块发送地址请求得 到应答后完成配置 进入正 i ：作状 向心1 2 c 命令，人# 接u 命令，定时检 蠢系统【作状态 监视1 2 c 超时 错误 处理 r 鞋 序 图2 5 单片机软件主要工作流程图 西北工业大学硕士论文第二章网络接口模块系统分析与实现 单片机软件的主要组成包括奇存器的初始化，单片机片外数据存储器 s r a m 、f p g a 外挂数据存储器s s r a m 的自检，系统中f p g a 逻辑下载状态 检测，系统工作时钟检测( 配合逻辑检测进行结果上报) 。而后，向控制模块发 送地址请求消息，待控制模块应答并且自身配置完成后，再向控制模块发送上 电消息，表示网络接口模块上电配置完成，进入j 下常工作状态。 币常工作时，网络接口模块响应人机接口命令，做出相应处理。 正常工作时，网络接口模块每隔一定时间检查一次系统工作状态，发现异 常则给出告警或者做出相应处理。 正常工作时，网络接口模块响应控制模块下发的1 2 c 命令。 2 5 3 单片机软件主要子模块设计 存储单元的检测思想 网络接口模块上有三片存储单元单片机片外数据存储单元s r a m 、两 片f p g a 片外数据存储单元s s r a m 。我们在系统设计中对它们进行比较完善 的检测，便于系统工作异常时候的故障定位。由于这三片存储单元的存储空间 较大( s s r a m 是5 1 2 k * 1 8 ，s r a m 是3 2 k 8 ) ，如果对每个存储单元都检测， 则所需的时间太长，因而在我们的系统设计中只对地址和数据线进行检测，如 果检测通过，则认为存储区完好，可以正常工作。具体检测原则如下： 对数据线的测试 由单片机软件控制向存储单元某个地址空间( 如地址0 ) 写入数据 b l l 1 1 0 ，再从地址0 读回数据，判断是否为0 b