近十年來，隨著無線局域網（WLAN）技術的飛速發展，出現了IEEE 802.11a/b/g/n/ac等系列通信協議，其中802.11b[1]速率最高為11 Mb/s，802.11a/g[2-3]速率最高為54 Mb/s，802.11n[4]速率最高為600 Mb/s，目前正在制定中的802.11ac[5]速率最高超過了1 Gb/s。不僅WLAN協議版本在不斷地更新或改進，而且不同應用場景也導致芯片的架構差別極大，這些都使得WLAN芯片的設計實現面臨著越來越嚴峻的挑戰。

    片上系統SoC（System-on-Chip）已成為當今數字集成電路設計的必然選擇，而SoC設計的關鍵問題之一就是采用片內總線。片內總線作為SoC集成系統的互連結構，可以將各個模塊互連起來，解決整個系統功能模塊間的相互通信問題[6]。如果針對特定協議、特定應用場景設計特定的總線架構，將使得無線SoC的設計、驗證工作量巨大，無法形成靈活、可重用的平臺化SoC解決方案，給SoC架構設計人員帶來極大的技術挑戰。基于以上考慮，本文提出了一種適用于系列無線局域網SoC、基于AHB總線的靈活可配置通用總線體系架構。
1 WLAN芯片的系統框架
    盡管WLAN協議有多種，但都屬于網絡通信的范疇，均是有一個固定的層次結構。為了實現不同設備之間的可靠通信，不同協議的標準都是按照開放系統互聯OSI（Open System Interconnect）參考模型去制定的。這個模型把網絡通信的工作分為7層，分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。網絡中各結點都有相同的層次，不同結點相同層次具有相同的功能，同一結點相鄰層間通過接口通信。層次化結構使得通信協議的實現可以實現模塊化，降低了設計的復雜度。
    根據OSI的參考模型，對于不同的網絡通信協議，IP層(網絡層)以上各層均可以實現標準化，關鍵的差別就集中在物理層(PHY)和媒體接入層(MAC，屬于數據鏈路層)。因此，WLAN協議規范就只定義了OSI模型最下面的兩層。只要是WLAN芯片，就必然會同時具備MAC和PHY兩種組件。MAC是一組用以決定如何訪問媒介與傳送數據的規則，至于傳送與接收的細節則交由PHY負責[7]。
    圖1所示為WLAN芯片工作的一般層次框架，其中物理層(PHY)功能和射頻（RF）模塊以純硬件的方式實現；MAC層則一分為二，將計算密集型或者時序約束性強的功能用硬件實現(Low MAC)，反之則用軟件實現(High MAC)；驅動相關或更上層的功能則全部用軟件實現，配置方便，靈活性高。

    隨著WLAN協議的不斷更新或改進，各個層次的功能都有較大程度的提升，相應的技術方案就必須做適當的調整。同時，軟硬件之間的接口交互方式也會隨著不同場合的應用需求而有所差別。這就要求WLAN芯片的設計必須具備良好的可擴展性和可重用性等特點，因此采用基于一種靈活可配置的總線架構將顯得至關重要。
2 基于AHB總線的芯片結構
2.1 AHB總線架構
    AHB(Advance High-performance
Bus)是AMBA總線協議中用于連接高性能系統模塊的高性能總線[8]。協議由ARM公司設計，目前已被工業界廣泛采用。其特點如下：
    (1)單時鐘沿操作；
    (2)非三態實現；
    (3)采用地址/數據分離的流水線操作；
    (4)支持固定長/不定長猝發(burst)傳輸；
    (5)分裂（split）事務傳輸；
    (6)單周期主模式切換；
    (7)數據寬度可自定義；
    (8)最多支持16個主設備和16個從設備。
    WLAN芯片的設計，不僅要保證功能的實現符合協議的要求，還要注重整個芯片的結構是否具有可擴展性和可重用性的特點。基于上述考慮，本文提出了一種基于AHB總線的WLAN 芯片結構，如圖2所示（虛線框內為WLAN芯片）。

    AHB總線的引入將芯片系統劃分成兩個相對獨立的單元，一邊是執行WLAN協議相關的功能單元，包括MAC、PHY以及AD/DA模塊；另一邊則是主機接口或者外部通用接口模塊。修改前者可以滿足不同協議版本的功能需求，而修改后者可以適用于不同場合、不同主機接口的應用需求。
2.2 AHB總線互聯結構設計
    AHB總線結構包括AHB主設備、AHB從設備、仲裁器、譯碼器、主到從選擇器、從到主選擇器、默認主設備和默認從設備。其中，仲裁器、譯碼器、主到從選擇器和從到主選擇器組成AHB總線的互聯結構，詳細設計如圖3所示。

2.2.1 仲裁器
    仲裁器（Arbiter）是AHB系統總線的主要管理結構，負責多個主設備的總線仲裁，保證在任何時候只有一個主設備獲得總線使用權。
　　AHB協議沒有規定具體的總線優先級算法，用戶可以根據實際的情況選擇適當的仲裁協議。通常有兩種算法：固定優先級算法和循環優先級算法。所謂固定優先級算法是指AHB總線中各主設備的優先級是事先確定好的，并保持固定不變；而循環優先級算法，在仲裁的過程中會根據一定的規律發生變化。本設計中，根據系統的需要，采用優先級固定算法。
    同時，本文設計的仲裁器對主設備支持lock傳輸，對從設備支持split傳輸，前者保證了突發傳輸的帶寬要求，后者則提高了整個系統的總線利用率。
2.2.2 譯碼器
    AHB系統總線采用集中式地址譯碼機制。為了實現快速譯碼，本文采用簡單的譯碼規則，只對地址的高端位信號進行譯碼，同時輸出從設備的選擇信號。
    在一個地址沒有被完全映射的設計中，當總線對不存在的地址空間進行訪問時，譯碼器應該選擇默認從設備，并由該設備提供傳輸響應。
3 系統分析及驗證
3.1 可擴展性、可重用性分析
3.1.1 不同應用接口分析
    采用基于AHB的總線架構，可以使得芯片的層次結構更加分明，同時，也可以很容易地進行修改使其適用于不同的應用場合。根據不同的速率、不同的外設接口需求，可以選擇如PCI-e、PCI、USB、SDIO、UART等不同的芯片接口方式。如圖4所示，只需要更換主機接口模塊(虛線框部分)，而其他模塊幾乎不用任何修改(如AHB互聯結構、MAC、PHY等部分)，就可實現功能模塊的可重用性。

    無論是不同的協議，還是同一種協議的不同版本，只需要將芯片結構中的MAC和PHY進行相應的替換，而不用對其他部分進行任何修改，這體現了基于AHB總線的WLAN芯片結構具備可移植性的特點。
3.1.2 片內有無CPU分析
    基于AHB總線的WLAN芯片結構還具備可擴展性的特點，主要表現在方便集成CPU，如圖5所示。

    (1)片內無CPU
    芯片上只實現硬件部分的功能，而將所有軟件部分的功能放在主機上實現，大大簡化了芯片的設計。通信過程中發送所需的數據以及接收所獲得的數據，均是通過外部接口與主機內存進行交互。但是，TCP/IP協議棧處理網絡數據傳輸中，要占用大量的主機CPU資源，主要體現在數據的復制、協議的處理以及中斷處理等方面。
    (2)片內有CPU
    為了減輕主機CPU的負擔，可以將TCP/IP協議棧轉移到芯片上實現，這就要求芯片上有集成CPU。如果WLAN芯片是基于AHB總線進行設計的，則可以在原來的基礎上進行擴展，只需將CPU掛接在AHB總線上，便可實現對芯片上各模塊的控制。
3.2 系統驗證
    依據本文提出的基于AHB的靈活可配置總線架構，應用于實際的WLAN芯片設計中。系統采用PCI外部接口，內部暫時未集成CPU，片內集成MAC和PHY。搭建的原型系統如圖6所示。

    實測分析表明，該系統可以工作在80 MHz的系統時鐘上。若AHB的總線寬度為32 bit，則總線內的數據交互最高可達2.56 Gb/s，足以支持PCI總線在33 MHz、32 bit下的數據傳輸，同時也滿足802.11ac對于高吞吐
率的要求。
    本文提出了一種適用于無線通信芯片的靈活可配置總線架構。首先介紹了WLAN芯片的系統框架，分析了芯片設計中對靈活可配置總線的需求；然后提出了基于AHB總線的芯片結構和設計思路，給出了AHB總線互聯結構設計；最后重點分析了該總線架構的可擴展性、可重用性等優點，并將其應用于基于PCI總線接口的無線通信芯片中，最終完成了系統級的驗證。
參考文獻
[1] IEEE Std.802.11b-1999.Wireless LAN medium access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) specifications：Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band.New York，NY，USA，Sep.1999.
[2] IEEE Std.802.11a-1999.Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) specifications：High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band.New York，NY，USA，Sep.1999.
[3] IEEE Std.802.11g-2003.Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) specifications：Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band. New York，NY，USA，Jun.2003.
[4] IEEE Std.802.11n-2009.Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) specifications：Enhancements for Higher Throughput.New York，NY，USA，Oct.2009.
[5] IEEE P802.11ac.Specification framework for TGac.IEEE 802.11-09/0992r21.January 2011.
[6] 汪健，劉小淮.嵌入式SoC片上總線技術的研究[J].集成電路通訊，2008，26(3)：6-13.
[7] GAST M S.802.11 wireless networks：the definitive guide.O’Reilly，Sebastopol CA，USA，April，2002.
[8] ARM,AMBA specification rev 2.0.ARM Limited,1999.