基于ARM平台的MAC协议IP核设计
基于ARM平台的MAC协议IP核设计 关键词：IEEE802.11 MAC协议 ARM平台 无线局域网 引言 无线局域网被认为是下一代IT产业发展的是大推动之一，被IT业赋予了极 大的希望。无线局域网802.11系列标准的MAC协议是一样的，只是在物理层上有 差异，因此对802.11MAC协议的开发，不论是在802.11b流行的今天，还是802.11g 可能会成为主流的将来，都是很有意义的。当然，ARM以其先进的体系结构已 经成为嵌入式市场的RISC标准，因此基于ARM的IEEE802.11MAC协议的开发是 很有现实意义的。我们的开发流程如图1所示。
PC软件开发是指脱离硬件的嵌入式软件开发阶段。此阶段可以在各种IDE 环境下进行开发，并进行软仿真来验证软件的逻辑正确性。然后将开发出来的PC 软件结合硬件所需要的硬件相关代码向硬件平台进行移值调试。前两个阶段完成 后就得到了开发的最终成品。
1 协议结构 IEEE802.11MAC协议的SDL描述可以分为以下几个功能模块，如图2所示。
*MAC数据服务模块：向LLC层提供MAC层的数据服务接口。
*MPDU生成模块：将MSDU（MMPDU）生成MPDU，并对MPDU分段、 加密以及进行排队管理。
*协议控制模块：完成DCF、PCF下的各种协议控制功能，包括RTS/CTS、 ACK、ATIM、CF-ACK等，并根据信道状态请求退避，在传送数据挫败后控制 重传等。该模块还负责对所有接收到的MAC帧进行分类，按不同的类型送到不 同的模块进行处理。
*发送模块：将MAC帧以字节流的形式发送到物理层，完成实际的发送过 程。这个模块中要完成对整个发送帧产生CRC校验，向发送的beacon帧中加入时 戳用来进行时间同步。这个模块还负责处理底层获得的当前信道的状态，完成协议要求的随机退避功能。
*接收模块：对从物理层接收到的帧进行CRC校验。如果正确接收的话， 则进行地址过滤，丢弃目的地址不是自己的帧。如果数据是经过分段的话，还有 进行数据分段的重装，然后将接收帧送往协议控制模块进行分类处理。同时，这 个模块还要提取接收帧中的信道保留信息，结合信道上有无载波的状况综合判断 信道的状态，并把信道的状态送往发送模块来协调退避功能的完成。
*MAC管理实体模块：是管理核心，完成所有的管理功能，包括扫描、入 网、认证、解认证、关联、解关联、重新关联、beacon帧的发送、站点状态管理 等功能。
*MAC管理服务模块：提供MAC管理接口，包括MIB库的管理，对MIB库 的访问，并将管理接口传来的管理服务请求送到MLME模块进行实际处理，将结 果返回给管理接口。
2 协议实现 IEEE802.11MAC协议的SDL流程中各模块之间的交互是通过信号的方式 来完成的，模块之间通过交互信息来协调工作，并且完成各种MAC帧的结构之 间的传递。我们将信号定义为Signal(PID,SID,Param)参数PID用来标准信号的目的 模块，SID用来标志信号在目的模块中由哪个函数来处理，参数Param是一个指 向存储区的指针，存储区里存放的是信号所要传递的信息。为了能使整个协议在 信号的驱动下运行，需要由一个功能实体来完成信号的处理过程。这里采用的是 一个循环队列来存放产生的信号，由主循环程序来不断检测队列中的信号，根据 信号的PID和SID调用相应模块里的信号处理函数进行处理。
协议中还涉及大量的比较判断和定时操作，当比较成立或定时到期后，进 入相应的处理程序。其实，我们可以认为当比较成立或时间到期产生相应的信号， 然后由信号处理机制来完成后续的工作。我们所要做的只是定义一个比较队列和 一个定时队列，比较操作加到比较队列中，定时操作加到定时队列中，由主循环 检测这两个队列。当某个比较判断成立时或某个定时期时从相应的队列中取出， 然后再以信号方式加入到信号队列中去。因此我们将比较操作和定时操作分别定 义为：
Compare(PID,SID,Param11,Param12,Param21,Param22,Param31,Param32);
Timer(PID,SID,Time);PID、SID标志比较成立或定时到期时产生的信号，Paramil、 Parami2(i=1,2,3)为比较操作中需要进行比较的几对数据。Time为定时操作中设定 的定时值。
上面介绍的机制建构了协议框架，然后在这个框架基础上按照SDL流程编 写相应的信号处理函数就要吧实现整个协议。
前期协议开发了验证逻辑上的正确性。我们在Microsoft Visual C++环境下 进行开发并进行了软仿真，结果表明所开发的设计在逻辑上是正确可行的。
3 协议向ARM平台的移植 我们所使用的ARM硬件平台ARM anywhere II采用的是三星公司的ARM 芯片S3C4510B。S3C4510B是采用ARM7TDMI核的高性价比RISC微控制器，特 别适用于网络应用系统。
我们开发了一个软件模块PHY来模拟物理层收敛过程子层（PLCP），对 于物理介质依赖子层（PMD）我们没有实现。这并不影响MAC协议的开发。LLC 层的数据通过PC串口发送到ARM平台来模拟，数据经过MAC处理后送到PLCP 子层，然后由PLCP子层直接发送。数据发送通过ARM的通用I/O来实现，发送速 率由S3C4510B的定时器来控制。
在将802.11MAC协议向ARM平台的移植方案中，有一部分代码的执行是 依赖于ARM平台的。这部分代码的移植工作需要特别注意，包括以下几个方面：
①定时器。协议中要求的随机退避过程需要底层周期性的送slot来进行， 这个周期性 slot需要用定时器来实现。协议中的网络分析矢量NAV需要用定时器 来实现，以判断NAV的状态。协议中定义的几种帧间隔IFS（SIFS、DIFS、PIFS、 EIFS）也需要利用定时器来实现。
②外部中断。802.11MAC协议中一个重要部分就是载波监听。当信道状态 变化时（由忙到闲，由闲到忙）都要给负责监听信道状态的模块一个指示（CCA）， 指示当前的信道状态。这个过程可以由S3C4510B ARM芯片的外部中断来很好地 实现。由于S3C4510B ARM芯片可以对中断检测方式进行配置，可以将中断检测 方式配置为上升沿和下降沿均触发中断，这些就能很好地模块协议的中物理载波 监听（CS）。③I/O。模拟PLCP子层的数据收发，一共用到8个I/O端口，一次发送8位。
在发送数据时，还使用了一个I/O端口作为发送指示。这个I/O端口通过信道模拟 器连接到其它节点的用来监听信道状态的外部中断引脚上。
④UART。我们用UART来实现PC和ARM的通信。一些管理命令，例如扫 描、入网、认证、关联、解认证、解关联，节点的配置信息例如MAC地址等都 可以从串口来发送给ARM。另外，所有发送的数据都会通过串口传送给ARM进 行发送，所有接收到的数据将通过串口回传给PC。
⑤以太网控制器。以太网控制器在AP中是比较有用的。由于AP之间是通 过有线的骨干网（backbone）来进行连接的，从而组成了分布式系统（DS），以 太网控制器已经集成了IEEE802.11接口，就为实现这个有线的backbone提供了便 利。
4 硬件仿真环境 图3中，IEEE802.11MAC协议和PLCP子层模拟模块都都在ARM平台上， 串口通信程序运行在PC上。它和ARM的UART进行通信用于模拟LLC层数据服务 和上层的管理服务，同时它还可以显示节点的运行状态和当前的网络状态。
下面介绍一下我们使用的简易信道模拟器的原理。信道模拟器对应每个节 点（ARM平台）有一套接口，其中有8个I/O用于数据传输。由于无线信道是开放 式的，一个节点发送时其它节点都能收到，因此在信道模拟器中每个节点的8个 I/O是两两相通的，这样就能保证一个节点发送时其它节点都能收到。另外，由 于要模拟信道上的载波监听过程，我们用到了ARM上的外部中断用做载波监听 位（CS），然后用一个I/O发送指示（TR）。这样，信道模拟器上要维持任何一 个节点的CS位，都与其它节点的TR有一定的逻辑关系，例如，当一个节点发送 时，将其TR置为0（0表示信道变忙，ARM引脚初始电平为高电平1），则这个0 应该立即能反映到其它节点的CS位上从而产生中断，其它节点都会知道信道变 忙而开始从信道接收数据。同时，当节点发送完毕后将TR置为1，其它节点就会 产生中断并且检测到CS位为1从而知道信道变闲，接收结束。
实际的信道模拟支持两个基本服务区（BSS）组成的分布式系统（DS）， 每个BBS内支持1个AP和2个普通节点。这内部的逻辑关系用可编程逻辑器件实 现。5 移植过程中的注意事项 PHY软件模块模拟PLCP子层，负责完成要求的载波监听和数据收发时的 定时控制。这些功能都是采用中断方式实现的，因此要求代码执行速率要快。这 里使用汇编语言开发来提供代码的执行效率。
为了获得较高的代码执行速率和快速的中断响应，要求所有协议代码和中 断服务程序都在SDRAM中执行。这就涉及到在设计ARM的初始化代码时要正确 配置相应的存储区控制寄存器，并且完成代码的搬移和地址的重映射。
图3 ARM的初始化代码包括：
*定义入口点（entry point）。
*定义异常向量表，用来处理各种CPU异常，其中包括中断。
*配置SDRAM和Flash的地址范围、时序等参数，以使这些存储器能正常 工作。
*代码搬移。程序代码一般应从Flash调入SDRAM中运行，以提高系统的 运行速度。同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。
*对SDRAM进行地址重映射，从初始时地址空间的高端搬移到0x0开始的 位置。
*初始化堆栈。
*初始化存储区。
*根据需要改变处理器工作模式。
*开中断。
*到C程序代码入口点开始执行。
另外，移植过程中还要考虑的一个问题是内存分配的问题。嵌入式系统中 对内存的分配，一般来说要求快速可靠并且有效，实际上就是在采用静态分配内存还是动态分配存的问题。如果系统要求对实时性要求高并且不能容忍分配失败， 这时就需要采用静态分配内存。采用静态分配一个不可避免的问题就是系统失去 了灵活性，必须在设计阶段就预先估计所需要的内存并对其作出分配，并且要考 虑到所有可能的情况。我们在移植过程中，考虑到实时生和可靠性是我们的主要 目标，并且我们的ARM平台具有较大的存储区，因而采用了静态分配的方式。
结语 目前，嵌入式协议开发已经非常普通，本文只是根据作者的实际经验，介 绍了嵌入式802.11MAC协议开发的基本过程。目前开发的协议已经在ARM平台 上成功运行，并且性能良好。现在所使用的ARM平台是没有操作系统支持的， 所移植的协议硬件依赖性太大，下一步我们将在有操作系统的ARM平台上进行 协议移植，通过全长操作系统提供的API接口来提供协议的可移植性。另外，继 续优化代码，提高代码效率，提高实时性与可靠性，以更适合于嵌入式应用环境 也将是我们下一步的目标。