《電子技術應用》
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基于ZedBoard的SCA架構的設計與實現(xiàn)
2015年電子技術應用第11期
袁 揚1,譚月輝1,孫慧賢1,沈若曦2,周 晗3
1.軍械工程學院 信息工程系,河北 石家莊0500002.總裝備部重慶軍代局駐昆明地區(qū)軍代室,云南 昆明650000;3.總裝備部駐789廠軍代室,重慶400060
摘要: ZedBoard是Xilinx公司首款融合了ARM Cortex A9雙核和7系列FPGA的全可編程片上系統(tǒng),兼具ARM和FPGA兩者的優(yōu)勢,是小型化SCA實現(xiàn)的最佳嵌入式平臺之一。本文介紹了ZedBoard平臺的硬件結構,并針對SCA架構在專用硬件平臺上無法實現(xiàn)的問題,通過分析研究MHAL硬件抽象層技術和OCP接口規(guī)范,設計了符合ZedBoard平臺硬件環(huán)境的MHAL硬件抽象接口和FPGA波形組件容器,有效地解決了SCA架構在ZedBoard平臺上的實現(xiàn)問題,為在ZedBoard上實現(xiàn)以SCA架構為核心的系統(tǒng)開發(fā)打下了基礎。
中圖分類號: TP311.52
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.008

中文引用格式: 袁揚,譚月輝,孫慧賢,等. 基于ZedBoard的SCA架構的設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用,2015,41(11):31-33,37.
英文引用格式: Yuan Yang,Tan Yuehui,Sun Huixian,et al. Design and implementation of SCA based on ZedBoard[J].Application of Electronic Technique,2015,41(11):31-33,37.
Design and implementation of SCA based on ZedBoard
Yuan Yang1,Tan Yuehui1,Sun Huixian1,Shen Ruoxi2,Zhou Han3
1.Department of Information Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050000,China; 2.General Equipment Department of Chongqing army of Kunming area,Kunming 650000,China; 3.Chongqing Military Deputy Bureau of General Armament Department,Chongqi 400060,China
Abstract: ZedBoard is the first All Programmable System on Chip(SOC) integrating with the ARM Cortex A9 and 7 Series FPGA developed by Xilinx, which is one of the best embedded platforms of the implementation of the miniaturized Software Communications Architecure(SCA). The hardware structure of ZedBoard platform is introduced in this paper, and aiming at the problem that SCA could not achieve on the special hardware platform, the Modem Hardware Abstration Layer(MHAL) hardware abstraction interface and FPGA waveform component container are designed with the research of the MHAL and the technology, which effectively solves the implementation issues of the SCA architecture on ZedBoard, and plays the foundation for the system development with the core of SCA on ZedBoard.
Key words : SCA;ZedBoard;MHAL;OCP

  
0 引言
  軟件通信體系架構(Software Communications Architecure,SCA)是美軍在聯(lián)合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng)(Joint Tatical Radio System,JTRS)中針對GPP環(huán)境提出的軟件無線電實現(xiàn)框架,結合JTRS后續(xù)推出SCA補充標準對SCA架構進行裁剪,可在硬件資源有限的嵌入式硬件平臺上搭建小型化SCA架構,增強系統(tǒng)軟件的可重用性和可移植性,是實現(xiàn)嵌入式可重構系統(tǒng)的主要架構之一。ZedBoard是Xilinx公司推出的首款融合了GPP和FPGA的嵌入式開發(fā)環(huán)境,可滿足大部分嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的需求,是嵌入式開發(fā)環(huán)境的必然發(fā)展趨勢,但是由于FPGA中的應用組件都由具體的邏輯電路實現(xiàn),完全不同于GPP上的程序調用執(zhí)行,所以SCA架構在ZedBoard平臺上會有諸多實現(xiàn)問題[1]。
  本文首先介紹了ZedBoard平臺硬件結構,提出了基于ZedBoard的SCA架構的總體設計,并重點針對SCA架構在ZedBoard平臺上難以實現(xiàn)的問題,通過深入分析研究Modem硬件抽象層(Modem Hardware Abstration Layer,MHAL)標準和Open Core Protocol(OCP) 接口協(xié)議,結合ZedBoard硬件結構設計了MHAL硬件平臺外部抽象接口和SCA波形組件容器,有效地解決了SCA架構在ZedBoard上的實現(xiàn)問題,為在ZedBoard上實現(xiàn)以SCA架構為核心的系統(tǒng)開發(fā)打下了基礎。
1 基于ZedBoard的SCA架構總體設計
  ZedBoard平臺是Xilinx公司最新推出的首款融合了ARM Cortex A9雙核和FPGA的全可編程片上系統(tǒng),兼?zhèn)銰PP和FPGA的特點和優(yōu)勢。ZedBoard平臺的核心是Xilinx的Zynq-7020芯片,主要包括processing system(PS)和programmable logic(PL)兩部分。其中PS部分包含雙核的ARM Cortex A9處理器,不僅負責整個ZedBoard開發(fā)板的管理和配置,也可作為獨立的芯片單獨使用,是ZedBoard平臺的系統(tǒng)控制核心,同時還集成了SIMD多媒體處理引擎(NEON)、內存管理器(MMU)等功能模塊和多種對外擴展接口,具有很強的功能擴展能力。PL部分主要包括Xilinx的高性能7系列FPGA,作為PS部分的補充提供了豐富的IO資源和高速數(shù)字處理能力[2-3]。

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  基于ZedBoard的SCA架構總體設計如圖1所示,為充分發(fā)揮ZedBoard平臺PS部分的高性能系統(tǒng)控制能力,設計將SCA架構的核心框架、中間件和操作系統(tǒng)在PS部分的ARM上實現(xiàn);而PL部分的高速數(shù)字處理能力和可重配置特點非常適合SCA應用層波形組件的實現(xiàn)。本文通過自行設計的MHAL硬件抽象接口和OCP波形組件容器來解決SCA架構在FPGA上的實現(xiàn)問題,并利用ZedBoard平臺的APC接口和IO總線實現(xiàn)PS部分的核心框架和FPGA波形組件間的消息傳輸,下面對MHAL硬件抽象接口和FPGA波形組件容器進行重點講述。
2 MHAL硬件抽象接口設計
  Modem硬件抽象層MHAL是JTRS辦公室在2007年頒布的接口標準,其初衷是為SCA系統(tǒng)中不同處理單元的通信提供標準的協(xié)議和接口,同時也涉及了硬件平臺外部接口的抽象,為實現(xiàn)SCA消息在ZedBoard上的標準傳輸提供了方法[4-5]。本文深入分析研究了MHAL標準,并結合ZedBoard開發(fā)環(huán)境,對MHAL消息結構進行了修改,重新定義了MHAL硬件抽象接口的功能結構和接口函數(shù),分別設計了ARM和FPGA的MHAL消息發(fā)送和接收結構,完成了MHAL硬件抽象接口的設計。
  2.1 MHAL消息結構設計
  MHAL消息從最低有效位到最高有效位以地址遞增的方式進行排列,本文對MHAL標準中的消息結構進行了修改和擴充,添加了消息起始符和消息類型字段,使其能更好地滿足SCA架構在ZedBoard上的實現(xiàn)需求,其消息結構如圖2所示,其他字段與MHAL標準中的消息結構一樣,在此不做贅述。

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  (1)消息起始符:本文設置了專門的16 bits消息起始符用來界定消息的起始,以13位巴克碼為基礎取值為“1111100110101000”,大大提高了MHAL消息接收和解幀的準確性。
  (2)消息類型:獨立的16 bits消息類型字段用來指示MHAL消息的類型和附屬信息,可以提高MHAL消息解析效率,使FPGA波形組件容器準確地將消息發(fā)送到相應的功能模塊。前3 bits指示MHAL消息類型,其對應關系如表1所示;后續(xù)比特分為三部分,分別指示MHAL消息源的處理編號、組件編號和端口編號。

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  2.2 MHAL硬件抽象接口結構設計


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  結合MHAL標準和ZedBoard平臺特點,本文設計的MHAL硬件抽象接口功能結構如圖3所示,主要包括通用代理、MHAL消息接收結構和MHAL消息發(fā)送結構,結合上文規(guī)范的MHAL消息結構屏蔽了ARM和FPGA硬件平臺的外部接口,實現(xiàn)了SCA消息在ZedBoard的ARM和FPGA之間的標準傳輸。
  2.2.1 通用代理設計
  通用代理由SCA核心框架的ExecutableDevice接口通過execute()函數(shù)創(chuàng)建,是運行在ARM上的一個SCA中間件對象,具有核心框架規(guī)定的CF::Resource、CF::PortSupplier和CF::Port等組件接口,根據(jù)目標邏輯地址實現(xiàn)與對應FPGA組件的通信。
  通用代理作為FPGA波形組件在ARM上的代理接受核心框架的調用和管理,并將SCA消息轉換為MHAL報文,添加目標邏輯地址字段后發(fā)送到ARM MHAL發(fā)送結構,是實現(xiàn)FPGA波形組件和ARM核心框架橋接的適配器。
  2.2.2 ARM MHAL發(fā)送和接收結構設計
  ARM MHAL發(fā)送和接收結構由MHAL設備組件實現(xiàn),提供信源函數(shù)和信宿函數(shù)服務,實現(xiàn)對MHAL消息的封裝和發(fā)送、接收和解封裝。結合ZedBoard平臺ARM+FPGA的硬件結構特點,本文對MHAL標準中的GPP API結構進行了擴充和修改,使其更好地與ZedBoard開發(fā)環(huán)境相契合,下面以ARM發(fā)送結構為例進行講述,其UML圖如圖4所示。

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  MHAL發(fā)送結構收到由通用代理發(fā)送來的MHAL報文后,通過builsMhalMsg()等函數(shù)將其封裝為完整的MHAL消息并存儲在MHALMsg[MAX_MHAL]中,end-
  BuildMhalMsg()函數(shù)結束MHAL消息封裝流程,再由 pushPacket()函數(shù)通過外部傳輸鏈路將MHAL消息發(fā)送到對端的MHAL接收結構。
  2.2.3 FPGA MHAL發(fā)送和接收組件設計
  FPGA MHAL發(fā)送和接收組件由一系列接收和發(fā)送MHAL消息的實體構成,與ARM MHAL發(fā)送和接收結構功能基本一致。本文以Multi-Depth FIFO節(jié)點為基礎設計了FPGA MHAL發(fā)送和接收組件,其具有允許多條消息隊列等待接收,支持按字節(jié)處理消息的優(yōu)點,增強了FPGA對MHAL消息的處理能力,很好地滿足了FPGA上MHAL消息發(fā)送和接收的需求。下面以FPGA MHAL接收組件為例,本文采用Verilog硬件編程語言封裝了其外部接口,其外部端口和功能如表2所示。

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3 FPGA波形組件容器設計
  容器是FPGA波形組件的直接運行環(huán)境,為實現(xiàn)SCA對FPGA波形組件的調用和控制提供本地服務和API[1],使得FPGA上的波形組件能像GPP組件一樣被核心框架管理,是在ZedBoard上實現(xiàn)SCA架構的重要組成部分。
  開放核協(xié)議OCP片上子系統(tǒng)通信定義了一個高效的、和總線相對獨立的、可配置的、可升級的接口,并可通過Verilog、VHDL等硬件編程語言實現(xiàn),非常適合FPGA開發(fā)環(huán)境[6-7]。本文基于OCP接口設計了FPGA波形組件容器,規(guī)范了容器提供的服務和波形組件接口,實現(xiàn)了SCA核心框架對FPGA組件的管理以及異構組件間互通,大大提高了FPGA波形組件的可移植性和可重用性,其結構如圖5所示。

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  3.1 OCP互連模塊設計
  OCP互聯(lián)模塊作為FPGA波形組件容器的核心,是實現(xiàn)容器對組件控制和管理功能的主要承擔者,主要由控制模塊、通信模塊、本地服務模塊和相應的OCP接口組成。其中控制模塊是OCP互聯(lián)模塊的樞紐,為FPGA波形組件提供了與SCA波形組件接口相對應的initialize()、start()和stop()等操作,便于核心框架對FPGA波形組件控制命令的執(zhí)行。
  OCP互聯(lián)模塊的工作流程為:控制模塊進一步解析FPGA MHAL接收組件接收到的MHAL消息,并判斷出此消息的類型。如果是控制消息、連接消息或者斷開連接消息,則根據(jù)MHAL消息中的目標邏輯地址找到目標組件并完成相應控制操作;如果是數(shù)據(jù)消息,則交由通信模塊處理。通信模塊根據(jù)MHAL消息中的目標邏輯地址將數(shù)據(jù)消息發(fā)送到目標組件,并將接收到的組件返回數(shù)據(jù)消息交由控制模塊進行封裝等處理。本地服務模塊為容器中的組件提供時鐘信號和復位信號。
  3.2 組件OCP接口設計
  為了使FPGA波形組件與容器的OCP互連模塊無縫連接,本文以OCP接口為基礎設計了FPGA組件的封裝接口。組件OCP接口與OCP互聯(lián)模塊的功能模塊相對應,包括組件控制接口、組件通信接口和本地服務接口。
  組件控制接口采用以容器為Master,組件為Slave的模式,采用RTL編程語言實現(xiàn)了initialize()、run()和release()操作,與組件SCD文檔中組件IDL端口定義保持一致,很好地滿足了核心框架對FPGA組件的控制操作需求。
  組件通信接口根據(jù)組件與容器具體的通信情況分為組件Master只寫、組件Master只讀和組件Slave只寫三種模式,并定義了不同模式下所需的端口,可滿足組件通信的各種需求。
  本地服務接口與本地服務模塊相對應,用來接收OCP互聯(lián)模塊提供的時鐘信號和復位信號。
4 結論
  本文緊跟當前系統(tǒng)開發(fā)硬件平臺的趨勢,以Xilinx最新推出的ZedBoard平臺為背景,針對SCA架構在專用硬件平臺上實現(xiàn)的諸多問題,通過深入分析研究MHAL標準和OCP協(xié)議,對MHAL消息結構進行了修改和擴充,結合ZedBoard開發(fā)環(huán)境設計了ARM和FPGA上的MHAL消息發(fā)送和接收結構,并根據(jù)SCA核心框架對組件的管理需求設計了容器功能模塊和FPGA組件接口,最終完成了MHAL硬件抽象接口和FPGA波形組件容器設計,有效地解決了SCA架構在ZedBoard上的實現(xiàn)問題,為在ZedBoard上實現(xiàn)以SCA架構為核心的系統(tǒng)開發(fā)打下了基礎。
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