基于ZedBoard的SCA架構(gòu)的設計原理

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(jié)構(gòu)，并針對SCA架構(gòu)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(shù)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(gòu)在ZedBoard平臺上的實現(xiàn)問題，為在ZedBoard上實現(xiàn)以SCA架構(gòu)為核心的系統(tǒng)開發(fā)打下了基礎。

 

　　軟件通信體系架構(gòu)（Software CommunicaTIons Architecure，SCA）是美軍在聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)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(jié)合JTRS后續(xù)推出SCA補充標準對SCA架構(gòu)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(gòu)，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(gòu)系統(tǒng)的主要架構(gòu)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(diào)用執(zhí)行，所以SCA架構(gòu)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(jié)構(gòu)，提出了基于ZedBoard的SCA架構(gòu)的總體設計，并重點針對SCA架構(gòu)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(jié)合ZedBoard硬件結(jié)構(gòu)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(gòu)在ZedBoard上的實現(xiàn)問題，為在ZedBoard上實現(xiàn)以SCA架構(gòu)為核心的系統(tǒng)開發(fā)打下了基礎。

　　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(nèi)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]。

基于ZedBoard的SCA架構(gòu)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(gòu)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(gòu)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。

　　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(jié)合ZedBoard開發(fā)環(huán)境，對MHAL消息結(jié)構(gòu)進行了修改，重新定義了MHAL硬件抽象接口的功能結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，完成了MHAL硬件抽象接口的設計。

2.1 MHAL消息結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)在ZedBoard上的實現(xiàn)需求，其消息結(jié)構(gòu)如圖2所示，其他字段與MHAL標準中的消息結(jié)構(gòu)一樣，在此不做贅述。