WLAN SoC芯片BX501的FPGA验证平台设计与实现

摘要:系统芯片(SOC)设计是以模块复用和软硬件协同设计为基础,基于FPGA的验证平台是一种有效的验证途径。文章讨论了WLAN SOC芯片BX501的验证平台的两种实现方案,介绍了采用Xilinx Virtex-II系列FPGA的设计实现;同时对SOC设计的FPGA验证问题进行了分析和探讨。

关键词:无线局域网,现场可编程逻辑门阵列,系统芯片,验证平台

1引言

802.11g标准的实现可以简单的划分为MAC和PHY两部分。MAC(Medium Access Control)即媒体访问控制,主要负责将数据组成帧格式和对用户如何接入到共享的无线介质中进行控制。MAC层的中心议题是相互竞争的用户之间如何分配信道资源、共享无线通道;PHY即物理层,其任务是定义与实现建立、维持和拆除物理连接信道所必须的机械、电气及功能的特性与规格,保证可靠的按比特为单位的同步与传输。例如,物理媒体的类型及规格、连接接头规格的定义与实现,比特信号的交换及传输方式的定义与实现。WLAN采用的物理层技术包括窄带射频、红外、OFDM和扩展频谱技术(跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS))。

SOC芯片BX501的设计可以分为二个阶段,第一个阶段是核心技术和关键部件的设计,在这个阶段里不涉及微处理器核。这个阶段的原理框图如图1所示。设计采用了以主机软件控制整个系统的实现方案,主机与芯片之间采用了PCI接口。这一阶段对应的FPGA的验证平台为不含微处理器(CPU和/或DSP)的FPGA验证平台。

第二阶段是整个SOC芯片设计,这个阶段包含一个BC320C 32位CPU(基本兼容MIPS4kc)的核和2个LSI Logic的ZSP400核,以及专用的运算单元和用户逻辑。其系统原理框图如图2所示。这个阶段对应的FPGA的验证平台为含微处理器(CPU和/或DSP)的FPGA验证平台。

本文主要介绍和讨论不含微处理器(CPU和/或DSP)的FPGA验证平台的设计与实现。

2 BX501芯片的FPGA验证平台的设计与实现

不含微处理器的FPGA的验证平台,主要是验证BX501芯片第一阶段的关键部件,验证运算部件与存储等的逻辑互连关系,同时验证MAC与PHY的整体工作过程。

2.1 Virtex-II系列FPGA性能简介

Xilinx公司推出的Virtex-II解决方案为两个技术挑战性非常强的数字系统提供了很好的支持:数据通信和数字信号处理(DSP)系统。高逻辑集成度、宽总线上的快速复杂的布线、大面积的pipeline和FIFO存储需求共同组成了系统的特点。在前几代FPGA开发的基础上,Virtex-II的结构是经过高密度和高性能逻辑设计优化的。它由输入/输出模块(IOBs)和内部可配置模块(CLBs)组成。

它采用8层金属的0.15um工艺的CMOS技术,1.5V核心电源电压,专用的3.3V辅助和I/O电源电压,其系统门数从40K到8M,内部时钟速率可达420MHz,可选择配置为多种接口标准,内部含有丰富的布线资源,其SelectRAMTM结构可灵活地配置为SRAM、DRAM、CAM等多种形式的存储单元。Virtex-II系列FPGA含有极其丰富的I/O资源,可编程I/O模块为管脚和内部可配置逻辑提供接口,它支持多数流行且先进的I/O标准,I/O速率可达840+Mb/s。

2.2 FPGA验证平台

FPGA验证平台采用PCI总线接口标准,符合PCI总线规范版本2.2对5V/32位扩展卡的机械尺寸的要求,PCI规范的电气功能由PCICore的IP核在FPGA内实现。FPGA还实现整个WLAN数据通信系统的MAC/基带处理核心算法的数字部分,模拟信号由可通双路模拟差分信号的D/A(A/D)经过数/模转换(发射通路)和模/数转换(接收通路)连接到RF(射频)模块去处理。单板的主要作用是提供一个外部环境,用来验证FPGA内部的芯片实现逻辑的功能和性能,如图3所示。

FPGA我们采用了Virtex-II系列XC2V3000_4FG676C,它的容量达300万门。ADC和DAC选用Maxim(美信)公司的MAX1197和MAX5853,它们都是双通道的差分转换芯片。WLAN RF射频模块选用RFMD公司的模块。

XC2V3000_4FG676C有464个I/O管脚,除去系统应具备的功能外,还增加了许多调试/测试用的电路与接口,方便测试。

（1）FPGA配置电路如图4所示。

FPGA是基于SRAM工作的可编程器件,其配置数据必须存储在外部的非易失存储器中,在上电时需要从该存储器中读取配置数据对自己进行配置(即编程)。单板使用Xilinx的PROMXC18V04器件存储配置数据。

与PROM相连的JTAG插座可以对PROM进行在线编程,与FPGA相连的JTAG插座和SlaveSerial插座可以对FPGA进行在线配置。PROM编程之后,FPGA上电时可以自动从PROM中读取数据完成配置。XC2V3000器件有9.6Mbit的配置数据,需要3个4Mbit位的XC18V04 PROM。这些PROM以Daisy chain方式相连。

(2)WLAN RF单元
采用的RF芯片提供19dBm的802.11b输出功率和15.0dBm的54Mbps OFDM信号输出功率。其天线具有多样性的特点,并有一个SMA连接装置以提供传导性测试接口,接口灵活。

(3)调试结果
经调试,设计能完成基本的WLAN数据信号的发送和接收,验证了可以通过FPGA实现IEEE802.11b/g协议的MAC/PHY处理的核心功能。

3 结束语

文章描述了用FPGA实现802.11gMAC/PHY处理功能的单板系统,数据通路运行正常,并可以对系统进行升级改进,以达到更严密的电气性能。文章还介绍了单片FPGA以及多片FPGA构成的两种验证平台的设计和实现,显示出FPGA验证平台以其设计灵活性及硬件高密度性在WLAN通信领域发挥愈来愈重要的作用。多片FPGA验证SOC芯片设计有很大的验证空间。