ATCA平臺中FPGA組件化開發環境研究

董勝 岳春生 劉擁軍

摘 要： 基于軟件通信體系架構無法實現對FPGA等專用處理器的兼容，依據CP289協議的容器和組件模型思想以及MHAL接口規范，針對高速率、多接口、較大規模的ATCA硬件平臺和高速、實時信號處理的需求，通過分層抽象的方法，設計一個標準化的FPGA組件開發環境。并設計FFT組件驗證該開發環境的可行性和合理性，實現了在ATCA平臺上FPGA專用處理器與SCA體系架構的融合以及波形組件的可移植。

關鍵詞： 軟件通信體系架構； 軟件無線電； FPGA組件； CP289協議； MHAL接口規范； ATCA平臺

中圖分類號： TN911.2?34； TN014 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）08?0030?04

Abstract： Software communication architecture （SCA） cannot realize compatibility with special processors like FPGA. According to the container and component model of CP289 protocol and MHAL interface specification， and in allusion to the high speed， multi?interface and relatively large scale ATCA hardware platform and the requirement of real?time signal processing， a standard FPGA component development environment is designed by using the hierarchical abstraction method. The FFT component is designed to verify the feasibility and rationality of the development environment. The integration of special FPGA processor with SCA and portability of waveform component are realized on the ATCA platform.

Keywords： SCA； SDR； FPGA component； CP289 protocol； MHAL interface specification； ATCA platform

0 引 言

軟件通信體系架構（Software Communication Architecture，SCA）為軟件無線電（Software Defined Radio，SDR）定義了最基本要求的實現框架，構建了一個開放式、標準化和通用性強的軟件體系架構[1]。目前基于SCA的SDR系統獲得通用處理器（General Purpose Processor，GPP）的良好支持。針對在FPGA處理器上難以集成SCA架構的問題，2004年SCA3.0提出硬件抽象層互聯（HAL?C）的概念[2]。硬件抽象層通過對具體硬件的抽象，實現了在軟件無線電設備開發過程中軟件的設計和通用硬件平臺相分離。為了更好地實現專用硬件組件的復用和移植，在隨后的SCA3.1中提出了組件可移植規范（CPS），并在此基礎上經過廣泛的討論和征求意見，形成了專用處理器組件可移植補充建議（SHP），即CP289[3]。文獻[4]提出MHAL接口標準，通過在核心框架與FPGA之間加入代理，明確規范了代理與FPGA之間的數據格式來實現FPGA在SCA中的應用。與此同時，國內外的一些研究團隊提出基于FPGA設計ORB引擎的方法，通過實現CORBA報文的解析和封裝，使FPGA直接支持CORBA通信從而實現與SCA架構的融合[5?8]。

基于HAL?C和MHAL接口標準，實現了波形外部接口的抽象，減小了硬件平臺結構對軟件設計的影響，但所提供的接口較少、功能有限，且很多技術細節不對外開放。CP289中提出標準化波形組件的運行環境，保證了波形的可移植，然而怎樣設計容器架構并提供一個標準的實時的運行環境仍然是一個問題，CP289中也未做出解答?；贔PGA設計ORB引擎能夠實現FPGA無縫地融入到SCA系統中，但ORB引擎設計比較復雜，在運行過程中會有大量的計算資源和存儲資源被占用，造成資源的浪費。本文針對ATCA平臺板卡多處理器及高速背板交換技術的特點，采用基于CP289協議的容器和組件模型思想以及MHAL接口規范，利用分層抽象的方法構建一個標準化的FPGA組件運行環境，實現FPGA專用處理器與SCA體系架構的融合以及波形組件的可移植。

1 容 器

在CP289協議中，容器為FPGA波形組件提供了標準化的運行環境，使得波形組件與運行的環境相分離，并為SCA核心框架提供對組件的管理、控制和配置等操作。本設計中的容器主要結構如圖1所示。針對ATCA平臺高速背板傳輸接口（如Rapid I/O，XAUI，PCIE等）和ATCA平臺多層管理的特點，設計了可移植、可裁剪的基于FIFO的數據傳輸層，而板卡上多處理器間的傳輸通過透傳模塊實現。

1.1 復位管理器和時鐘管理器

復位管理器主要是對整個計算單元和各個組件的復位進行控制。每個組件都有一個復位信號，都連接于容器。容器給出的復位信號主要是全局復位信號，主要受控于外部硬件復位信號和控制命令發出的全局復位命令。時鐘管理器主要是根據外部時鐘源和內部組件的需要產生多個時鐘信號，容器一般只使用一個鎖相環產生一組時鐘，組件開發者可以根據需要使用FPGA的其他鎖相環。

1.2 數據傳輸層

數據傳輸層以數據包為基本數據單元進行傳輸和路由分發，對板卡進行加載、配置、控制、狀態獲取等操作，如圖2所示。數據傳輸層是為具體板卡所定制的，與板卡的結構和技術特點緊密相關。傳輸層提供通信接口的驅動支持，根據平臺的類型，主要包括通信接口、PCI接口、PCIE接口、10/100/1 000M網口、萬兆網接口等，和外圍存儲接口，如DDR?RAM接口、SRAM接口、FLASH接口等。為了將這些接口的驅動本地化，在接收端和發送端分別設計了一個基于FIFO的緩沖池，并對FIFO的狀態進行檢測，以保證傳輸的可靠性。

對于數據傳輸層而言最大的任務是在下行數據輸入時按照數據傳輸協議進行解析和判斷，判斷是否是本板卡的數據包，如果不是本板卡的數據包，則丟棄；如果是本板卡的數據包，則進一步解析后發送到硬件抽象層。而上行數據在經過傳輸層輸出時同樣需按照數據傳輸協議進行封裝打包，若在輸出過程中存在多個通道同時傳輸，則需要依據各通道的優先級進行傳輸申請，實現數據的有序傳輸。

1.3 硬件抽象層MHAL

MHAL是一個底層的通信模型，它為SCA系統中不同處理單元（CE）上的波形組件和硬件之間的通信提供標準的協議和接口，從而顯著提高波形應用的可移植性。由于MHAL建立了DSP，FPGA與GPP之間的標準通信方式，因此它實現了SCA各處理平臺之間的互聯互通，使得DSP，FPGA波形可以很好地集成到SCA系統中。

下行數據經過“MHAL幀解析”后分為控制接口數據和通信接口數據，控制接口數據能夠實現對應用組件的控制和組件參數配置，通信接口數據為應用組件傳輸待處理的數據。

組件處理完數據后經過互聯層向傳輸層進行傳輸申請，若申請反饋同意傳輸，則需要將OCP接口轉換為MHAL幀格式從而實現上層數據在傳輸層的傳輸，若申請反饋不同意傳輸，則繼續向傳輸層申請傳輸，如圖3所示。

1.4 互聯層

互聯層負責本處理器內部組件間的通信互聯，因為組件都采用的是標準OCP接口，故對于FPGA內的組件互聯不需要進行數據格式的轉換，直接進行管腳映射的方式就能實現。

2 組件接口

CP289協議中提出了使用開放核協議（OCP）來設計和實現FPGA上的組件接口。OCP協議[9]全面考慮了各種組件應用，提供了豐富的組件接口信號，可以實現基本傳輸、突發傳輸、亂序傳輸等多種傳輸方式。但提供的接口過于繁雜，難以直接使用。CP289根據組件的功能需要，綜合考慮性能以及可重用性等方面的因素，規定了組件的三種接口[10]，如圖4所示。

1） 控制接口 （WCI）?？刂平涌跒槿萜魈峁┝丝刂坪凸芾斫M件的通道和方法，實現對組件的初始化、運行、停止、釋放、測試、配置參數寄存器等功能。該接口的定義和實現對于任何組件來說都是一樣的，波形組件開發者只需要實現該接口，而不必考慮與SCA核心框架之間的交互，這方面的工作都由容器負責完成。

2） 通信接口 （WDI）。通信接口可分為“發送端”和“接收端”，分別用于數據的發送和接收，通信接口負責與容器以及容器之中其他組件之間的數據通信。

3） 本地服務接口。本地服務接口為組件功能實現提供資源服務的接口，主要包括時鐘、復位以及存儲器訪問等標準的本地服務，以及實現波形組件的各種功能。

此外，CP289還對各種組件接口的實現細節以及時鐘提供方式、存儲器訪問方式等做了進一步的約束，圖5所示為組件在程序中的接口定義。

3 工作流程及實例

圖6所示為組件在容器環境中的工作流程，用戶通過平臺控制軟件的核心框架將程序下載到FPGA芯片中，加載完畢后首先初始化應用組件，通過控制端口給組件發送初始化命令，接著發送連接器初始化命令，初始化階段組件和連接器默認為接收狀態。配置連接器參數可以明確組件的端口發送的源地址、目的地址、數據位寬等關鍵參數。組件參數根據用戶應用需求也是通過控制端口進行配置，例如A/D組件的采樣頻率。打開連接器后，組件就可以進行數據的接收和發送，保證了整個數據通道的暢通。組件開始工作后，就會根據應用需求進行相應的數據處理。數據處理結束后關閉組件，待數據通過連接器發送完畢后關閉連接器，然后釋放組件，使組件處于脫離狀態，以減小運行功耗。

為了測試組件化開發環境的可行性和合理性，設計了FFT組件。FFT組件同樣需要采用標準的OCP接口，控制接口是組件作為Slave端的OCP接口，為實時操作，不支持回讀，不支持接收響應，每個組件只有一個控制接口。通信端口組件既可以作為Slave端又可以作為Master端，當組件接收容器傳來的數據時，組件作為接收方，容器作為發送方，當組件處理完數據后，則容器作為接收方，組件作為發送方。由圖7可觀察到，FFT組件OCP端口各信號輸出正常，說明容器結構設計的可行性和合理性。

4 結 論

本文基于FPGA等專用處理器難以與SCA系統融合的現狀，針對硬件結構較為復雜的ATCA平臺，設計了一個標準化的FPGA組件開發環境，同時設計了FFT組件驗證該開發環境的可行性和合理性，實現了在ATCA平臺上FPGA專用處理器與SCA體系架構的融合以及波形組件的可移植。

參考文獻

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