CN101772208B

CN101772208B - 一种无线局域网卡SoC芯片

Info

Publication number: CN101772208B
Application number: CN 200810241096
Authority: CN
Inventors: 刘鹏
Original assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Current assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-12-30
Also published as: CN101772208A

Abstract

本发明提供一种高性能低成本无线局域网卡SoC芯片设计方法和结构。本发明根据无线局域网卡芯片的工作特点，发明了一种以8051处理器为核心的高性能，低成本无线局域网卡SoC芯片结构。通过采用该本SoC芯片结构，达到保证无线局域网卡芯片性能，降低无线局域网卡芯片面积，减少芯片成本的目的。

Description

一种无线局域网卡SoC芯片

技术领域

本发明涉及无线局域网领域无线局域网卡SoC芯片结构，尤其是无线局域网卡SoC芯片结构的高性能、低成本设计方法。

背景技术

在无线局域网中，无线局域网卡SoC芯片的通信性能与芯片成本是一个非常重要的问题。IEEE802.11规范要求了无线局域网卡54Mbps通信速率。作为无线局域网卡的核心处理芯片性能显得尤为重要。随着无线局域网卡设备的迅速普及，降低无线局域网卡芯片成本已经成为各个无线局域网卡芯片设计厂家面临的共同课题。

目前大部分无线局域网卡芯片性能、成本差异很大。这种高成本、低性能的现状使得无限局域网设备的广泛应用受到了限制，即无线局域网卡芯片在无法保证其性能的同时，售价却比较昂贵。因此设计一种高性能低成本无线局域网卡SoC芯片结构是非常必要的。

发明内容

本发明提供了一种高性能低成本无线局域网卡SoC芯片结构，以期实现无线网卡芯片在保证高性能的同时降低芯片成本。

本发明的具体方案分为两个部分：一个为无线局域网卡芯片的高性能实现方案，另一个为无线局域网卡芯片的低成本实现方案。

无线局域网卡芯片的高性能实现方案的特征是，由本芯片结构中USB设备控制器、加解密模块、媒体接入控制器、基带、模拟前端和共享总线共同完成，其要求是上述除共享总线以外的各个模块都能够提供至少54Mbps的数据处理能力，而共享总线则提供USB设备控制器、媒体接入控制器和加解密模块同时进行数据处理时，对片上存储器模块分别进行54Mbps数据访问的能力，其中USB设备控制器、加解密模块、媒体接入控制器、基带和模拟前端模块采用流水线式工作方式，使得在上述每个模块达到54Mbps数据处理能力时，整个无线局域网卡芯片的性能表现为54Mbps，达到IEEE802.11规范要求。

无线局域网卡芯片的低成本实现方案的特征是，无线局域网卡SoC芯片工作要求的发送数据缓存、接收数据缓存、加密/解密密钥缓存、USB设备控制器上行端点数据缓存、USB设备控制器下行端点数据缓存和USB设备控制器控制端点数据缓存共6块逻辑缓存采用同一块物理缓存实现。

为了实现无线局域网卡芯片的低成本SoC芯片结构，即发送数据缓存、接收数据缓存、加密/解密密钥缓存、USB设备控制器上行端点数据缓存、USB设备控制器下行端点数据缓存和USB设备控制器控制端点数据缓存共6块逻辑缓存采用同一块物理缓存实现，USB设备控制器没有供该模块专用的上行、下行和控制端点数据缓存，媒体接入控制器没有供该模块专用的发送数据缓存、接收数据缓存，加密解密模块没有该模块专用的无加密/解密密钥缓存。

本发明可以使无线局域网卡芯片高性能与低成本相结合，有利于实现高性能、低成本的无线局域网设备，提高无限局域网设备的普及应用。

附图说明

图1是高性能低成本无线局域网卡SoC芯片结构框图。

图2是片上存储器逻辑缓存划分说明图。其中片上存储器由一块物理内存构成，该物理内存分为发送数据缓存、接收数据缓存、加密解密密钥缓存、USB设备控制器上行端点数据缓存、USB设备控制器下行端点数据缓存和USB设备控制器控制端点数据缓存共6块逻辑缓存使用。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。

本发明提供一种高性能低成本无线局域网卡SoC芯片结构，通过采用该SoC芯片结构，达到保证无线局域网卡芯片性能，降低无线局域网卡芯片面积，以期待实现高性能、低成本的无线局域网设备，提高无限局域网设备的普及应用。

高性能低成本无线局域网卡SoC芯片如图1所示。该无线局域网卡SoC芯片结构由8051处理器、指令存储器、数据存储器、SFR总线封装模块、USB物理层、USB设备控制器、媒体接入控制器、基带、模拟前端、SPI控制器、I²C控制器、系统控制器、片上存储器和加密解密模块构成，USB物理层和USB设备控制器采用点对点连接关系，USB设备控制器通过USB物理层实现无线局域网卡芯片与主机端的控制与通信数据交互，媒体接入控制器、基带、模拟前端采用数据流连接方式，最终由模拟前端完成无线局域网卡芯片与射频芯片的通信数据交互，指令存储器与8051处理器之间通过指令总线连接，数据存储器与8051处理器之间通过数据总线连接，SFR总线封装模块与8051处理器之间通过SFR总线连接，SFR总线封装模块、USB设备控制器、媒体接入控制器、基带、SPI控制器、I²C控制器、系统控制器、片上存储器和加密解密模块通过共享总线连接，8051处理器通过SFR总线封装模块的桥接作用通过共享总线可以访问各个具有从设备功能的模块，USB设备控制器、加解密模块和媒体接入控制器以主设备方式访问片上存储器。

无线局域网卡芯片的高性能要求是最终性能要满足IEEE802.11规范要求的54Mbps通信速率，其实现方案是：由无线局域网卡SoC芯片结构中USB设备控制器、加解密模块、媒体接入控制器、基带、模拟前端和共享总线共同完成，其中USB设备控制器、加解密模块、媒体接入控制器、基带和模拟前端模块采用流水线式工作方式，在USB设备控制器进行通信数据处理的同时，加解密模块、媒体接入控制器、基带和模拟前端模块也在进行数据通信数据。从而使得在上述每个模块数据处理能力满足802.11协议规定最大54Mbps速率时，整个无线局域网卡芯片的性能表现为54Mbps。而共享总线需要提供USB设备控制器、媒体接入控制器和加解密模块同时进行满足802.11协议规定最大量数据处理时，对片上存储器模块分别进行数据访问的能力。

无线局域网卡SoC芯片低成本要求是尽量降低芯片裸片面积，为了满足无线网卡芯片通信要求，在无线网卡芯片设计过程中通常使用集成在芯片上的SRAM做为存储芯片工作必要数据的缓存。SRAM的物理版图实现具有一个特性就是一块容量为A字节的SRAM物理版图面积会小于两块或两块以上容量总和为A字节的SRAM物理版图面积总和。所以，尽量减小无线网卡芯片各个功能模块自己独享的物理缓存，而将各个功能模块所需缓存在容量不变的前提下采用同一块物理缓存实现一定会减小SRAM的面积，进一步表现为减小芯片最终面积，从而降低芯片成本。其实现方案是：同时将多个逻辑缓存合并为同一个物理缓存，各个逻辑缓存容量满足对应功能模块的需要，而不同模块通过共享总线访问各自对应的同一块物理缓存的不同存储区。本无线局域网卡SoC芯片结构工作要求具有发送数据缓存和接收数据缓存供媒体接入控制器使用，具有加密/解密密钥缓存供加解密模块使用，具有USB设备控制器上行端点数据缓存、USB设备控制器下行端点数据缓存和USB设备控制器控制端点数据缓存供USB设备控制器使用。本无线网卡芯片SoC结构将以上所需的6块逻辑缓存合并为一块物理缓存实现，媒体接入控制器、加解密模块和USB设备控制器通过共享总线对这块物理缓存中各自的存储区进行访问。由于共享总线特性决定不能支持两个或两个以上模块同时通过共享总线访问同一块物理缓存。其中，共享总线使用最恶劣的情况是USB设备控制器、媒体接入控制器和加解密模块同时申请共享总线的使用，所以共享总线需要提供的有效带宽必须满足上述三个功能模块所需工作带宽的总和。为了满足无线网卡芯片54Mbps性能要求，需要对共享总线可以提供的有效带宽进行评估。当共享总线可以提供的有效带宽满足无线网卡芯片工作要求时，6块逻辑缓存可以合并为一块物理缓存实现。共享总线带宽计算公式如公式(1)所示，R_BUS为共享总线可以提供的总线带宽，CLK_BUS为共享总线的工作时钟频率，W_BUS为共享总线的位宽，

R_BUS＝CLK_BUS×W_BUS (1)

按照USB协议要求，USB设备控制器最大工作负荷时，需要占用总线带宽是480Mbps。对于发送数据而言加解密模块将需要加密的数据明文先从发送数据缓存中读出，经过加密后再将加密的密文写回发送数据缓存，加解密模块对接收数据的处理过程与处理发送数据过程相反，加解密模块将需要解密的数据密文先从接收数据缓存中读出，经过解密后再将经过解密的明文写回接收数据缓存，802.11协议规定的最大数据速率为54Mbps，因此加解密模块最大工作负荷时，加密或解密工作需要占用总线带宽是108Mbps。另外，加解密模块从加密/解密密钥存储区读取加密解密密钥也需要占用一定的总线带宽，其满负荷带宽要求小于54Mbps。所以加密解密模块总共的共享总线带宽需求小于162Mbps。对于发送数据而言，媒体接入控制器需要将经过加密解密模块处理的发送数据密文从发送数据缓存读出并交付给基带进行数据调制。对于接收数据而言，媒体接入控制器需要将经过基带解调处理的接收到的数据密文写入接收数据缓存供加解密模块使用。按照802.11协议规定的54Mbps最大数据速率要求，无论是数据发送过程还是数据接收过程，媒体接入控制器最大工作负荷时需要占用总线带宽是54Mbps。其中如图1所示，媒体接入控制器与基带之间的数据通路是点对点方式建立的，因此媒体接入控制器与基带之间的数据交互过程不占用总线带宽。通过上述分析可以计算出R_BUS数值。当共享总线可以提供的总线带宽R_BUS大于696Mbps时，即使USB设备控制器、媒体接入控制器和加解密模块以最大工作负荷同时申请使用共享总线，共享总线也可以提供所需要的总线带宽。共享总线采用的总线位宽W_BUS为32比特，根据公式(1)可以计算得到共享总线的工作时钟频率CLK_BUS大于21.75MHz时，共享总线满足无线网卡芯片工作要求，可以将6块逻辑缓存合并为同一块物理缓存实现。

满足该无线网卡SoC芯片结构实现方案要求USB设备控制器没有供该模块专用的上行、下行和控制端点数据物理缓存，共享总线对USB设备控制器操作响应时间小于USB设备控制器处理USB物理层数据时间，并且USB设备控制器通过共享总线访问片上存储器时间间隔小于USB设备控制器处理USB物理层数据时间。媒体接入控制器没有供该模块专用的发送数据物理缓存、接收数据物理缓存，媒体接入控制器通过共享总线访问片上存储器时，无条件避让USB设备控制器对片上存储器的访问操作，同时媒体接入控制器自带一定数量的寄存器暂存与基带交互的数据。加解密模块没有该模块专用的加密/解密密钥物理缓存，加解密模块通过共享总线访问片上存储器时，要无条件避让USB设备控制器和媒体接入控制器对片上存储器的访问操作，并且利用USB设备控制器或媒体接入控制器对片上存储器的访问操作的时间，在加密解密模块内部进行加密解密运算，从而将加密解密模块占用共享总线时间隐藏于加密解密模块内部，不暴露于共享总线操作时间。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种无线局域网卡SoC芯片，其特征在于，无线局域网卡芯片由8051处理器、指令存储器、数据存储器、SFR总线封装模块、USB物理层、USB设备控制器、媒体接入控制器、基带、模拟前端、SPI控制器、I²C控制器、系统控制器、片上存储器和加密解密模块功能模块构成，USB物理层和USB设备控制器采用点对点连接关系，USB设备控制器通过USB物理层实现无线局域网卡芯片与主机端的控制与通信数据交互，USB设备控制器、媒体接入控制器、基带、模拟前端采用流水线式工作方式，在USB设备控制器进行通信数据处理的同时，加解密模块、媒体接入控制器、基带和模拟前端也在进行数据通信数据，最终由模拟前端完成无线局域网卡芯片与射频芯片的通信数据交互，指令存储器与8051处理器之间通过指令总线连接，数据存储器与8051处理器之间通过数据总线连接，SFR总线封装模块与8051处理器之间通过SFR总线连接，SFR总线封装模块、USB设备控制器、媒体接入控制器、基带、SPI控制器、I²C控制器、系统控制器、片上存储器和加密解密模块通过共享总线连接，8051处理器通过SFR总线封装模块的桥接作用通过共享总线访问USB设备控制器、媒体接入控制器、基带、SPI控制器、I²C控制器、系统控制器、片上存储器，USB设备控制器、加解密模块和媒体接入控制器以主设备方式访问片上存储器。

2.如权利要求1所述的一种无线局域网卡SoC芯片，其特征在于IEEE802.11规范要求的54Mbps通信速率是由本芯片结构中USB设备控制器、加解密模块、媒体接入控制器、基带、模拟前端和共享总线共同完成，共享总线提供不少于696Mbps总线带宽。

3.如权利要求1所述的一种无线局域网卡SoC芯片，其特征在于，其中USB设备控制器、加解密模块、媒体接入控制器、基带和模拟前端模块采用流水线式工作方式，使得USB设备控制器、加解密模块、媒体接入控制器、基带和模拟前端模块有效数据处理能力达到54Mbps时，整个无线局域网卡芯片的性能表现为54Mbps。

4.如权利要求3所述的一种无线局域网卡SoC芯片，其特征在于，USB设备控制器没有供该模块专用的上行、下行和控制端点数据缓存，共享总线对USB设备控制器操作响应时间小于USB设备控制器处理USB物理层数据时间，并且USB设备控制器通过共享总线访问片上存储器时间间隔小于USB设备控制器处理USB物理层数据时间。

5.如权利要求3所述的一种无线局域网卡SoC芯片，其特征在于，媒体接入控制器没有供该模块专用的发送数据缓存、接收数据缓存，媒体接入控制器通过共享总线访问片上存储器时，要无条件避让USB设备控制器对片上存储器的访问操作，媒体接入控制器自带寄存器暂存与基带交互的数据。

6.如权利要求3所述的一种无线局域网卡SoC芯片，其特征在于，加密解密模块没有该模块专用的加密/解密密钥缓存，加密解密模块通过共享总线访问片上存储器时，要无条件避让USB设备控制器和媒体接入控制器对片上存储器的访问操作，利用USB设备控制器或媒体接入控制器对片上存储器的访问操作的时间，在加密解密模块内部进行加密解密运算，从而将加密解密模块占用共享总线时间隐藏于加密解密模块内部，不暴露于共享总线操作时间。