專利名稱：一種無線局域網(wǎng)卡SoC芯片的設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線局域網(wǎng)領(lǐng)域無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)，尤其是無線局域網(wǎng)卡 SoC芯片結(jié)構(gòu)的高性能、低成本設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在無線局域網(wǎng)中，無線局域網(wǎng)卡SoC芯片的通信性能與芯片成本是一個(gè)非常重要 的問題。IEEE802. 11規(guī)范要求了無線局域網(wǎng)卡54Mbps通信速率。作為無線局域網(wǎng)卡的核 心處理芯片性能顯得尤為重要。隨著無線局域網(wǎng)卡設(shè)備的迅速普及，降低無線局域網(wǎng)卡芯 片成本已經(jīng)成為各個(gè)無線局域網(wǎng)卡芯片設(shè)計(jì)廠家面臨的共同課題。 目前大部分無線局域網(wǎng)卡芯片性能、成本差異很大。這種高成本、低性能的現(xiàn)狀 使得無限局域網(wǎng)設(shè)備的廣泛應(yīng)用受到了限制，即無線局域網(wǎng)卡芯片在無法保證其性能的同 時(shí)，售價(jià)卻比較昂貴。因此設(shè)計(jì)一種高性能低成本無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)是非常必要 的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種高性能低成本無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)，以期實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)卡 芯片在保證高性能的同時(shí)降低芯片成本。 本發(fā)明的具體方案分為兩個(gè)部分一個(gè)為無線局域網(wǎng)卡芯片的高性能實(shí)現(xiàn)方案， 另一個(gè)為無線局域網(wǎng)卡芯片的低成本實(shí)現(xiàn)方案。 無線局域網(wǎng)卡芯片的高性能實(shí)現(xiàn)方案的特征是，由本芯片結(jié)構(gòu)中USB設(shè)備控制
器、加解密模塊、媒體接入控制器、基帶、模擬前端和共享總線共同完成，其要求是上述除共
享總線以外的各個(gè)模塊都能夠提供至少54Mbps的數(shù)據(jù)處理能力，而共享總線則提供USB設(shè)
備控制器、媒體接入控制器和加解密模塊同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，對片上存儲器模塊分別進(jìn)
行54Mbps數(shù)據(jù)訪問的能力，其中USB設(shè)備控制器、加解密模塊、媒體接入控制器、基帶和模
擬前端模塊采用流水線式工作方式，使得在上述每個(gè)模塊達(dá)到54Mbps數(shù)據(jù)處理能力時(shí)，整
個(gè)無線局域網(wǎng)卡芯片的性能表現(xiàn)為54Mbps，達(dá)到IEEE802. 11規(guī)范要求。 無線局域網(wǎng)卡芯片的低成本實(shí)現(xiàn)方案的特征是，無線局域網(wǎng)卡SoC芯片工作要求
的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存、接收數(shù)據(jù)緩存、加密/解密密鑰緩存、USB設(shè)備控制器上行端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存、
USB設(shè)備控制器下行端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存和USB設(shè)備控制器控制端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存共6塊邏輯緩存采
用同一塊物理緩存實(shí)現(xiàn)。 為了實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)卡芯片的低成本SoC芯片結(jié)構(gòu)，即發(fā)送數(shù)據(jù)緩存、接收數(shù)據(jù) 緩存、加密/解密密鑰緩存、USB設(shè)備控制器上行端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存、USB設(shè)備控制器下行端點(diǎn) 數(shù)據(jù)緩存和USB設(shè)備控制器控制端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存共6塊邏輯緩存采用同一塊物理緩存實(shí)現(xiàn)， USB設(shè)備控制器沒有供該模塊專用的上行、下行和控制端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存，媒體接入控制器沒 有供該模塊專用的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存、接收數(shù)據(jù)緩存，加密解密模塊沒有該模塊專用的無加密/ 解密密鑰緩存。
3
本發(fā)明可以使無線局域網(wǎng)卡芯片高性能與低成本相結(jié)合，有利于實(shí)現(xiàn)高性能、低 成本的無線局域網(wǎng)設(shè)備，提高無限局域網(wǎng)設(shè)備的普及應(yīng)用。


圖1是高性能低成本無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)框圖。 圖2是片上存儲器邏輯緩存劃分說明圖。其中片上存儲器由一塊物理內(nèi)存構(gòu)成， 該物理內(nèi)存分為發(fā)送數(shù)據(jù)緩存、接收數(shù)據(jù)緩存、加密解密密鑰緩存、USB設(shè)備控制器上行端 點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存、USB設(shè)備控制器下行端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存和USB設(shè)備控制器控制端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存共6塊 邏輯緩存使用。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明。 本發(fā)明提供一種高性能低成本無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)，通過采用該SoC芯片 結(jié)構(gòu)，達(dá)到保證無線局域網(wǎng)卡芯片性能，降低無線局域網(wǎng)卡芯片面積，以期待實(shí)現(xiàn)高性能、 低成本的無線局域網(wǎng)設(shè)備，提高無限局域網(wǎng)設(shè)備的普及應(yīng)用。 高性能低成本無線局域網(wǎng)卡SoC芯片如圖1所示。該無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu) 由8051處理器、指令存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、SFR總線封裝模塊、USB物理層、USB設(shè)備控制器、 媒體接入控制器、基帶、模擬前端、SPI控制器、fc控制器、系統(tǒng)控制器、片上存儲器和加密 解密模塊構(gòu)成，USB物理層和USB設(shè)備控制器采用點(diǎn)對點(diǎn)連接關(guān)系，USB設(shè)備控制器通過USB 物理層實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)卡芯片與主機(jī)端的控制與通信數(shù)據(jù)交互，媒體接入控制器、基帶、模 擬前端采用數(shù)據(jù)流連接方式，最終由模擬前端完成無線局域網(wǎng)卡芯片與射頻芯片的通信數(shù) 據(jù)交互，指令存儲器與8051處理器之間通過指令總線連接，數(shù)據(jù)存儲器與8051處理器之間 通過數(shù)據(jù)總線連接，SFR總線封裝模塊與8051處理器之間通過SFR總線連接，SFR總線封裝 模塊、USB設(shè)備控制器、媒體接入控制器、基帶、SPI控制器、fC控制器、系統(tǒng)控制器、片上存 儲器和加密解密模塊通過共享總線連接，8051處理器通過SFR總線封裝模塊的橋接作用通 過共享總線可以訪問各個(gè)具有從設(shè)備功能的模塊，USB設(shè)備控制器、加解密模塊和媒體接入 控制器以主設(shè)備方式訪問片上存儲器。 無線局域網(wǎng)卡芯片的高性能要求是最終性能要滿足IEEE802. 11規(guī)范要求的 54Mbps通信速率，其實(shí)現(xiàn)方案是由無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)中USB設(shè)備控制器、加解密 模塊、媒體接入控制器、基帶、模擬前端和共享總線共同完成，其中USB設(shè)備控制器、加解密 模塊、媒體接入控制器、基帶和模擬前端模塊采用流水線式工作方式，在USB設(shè)備控制器進(jìn) 行通信數(shù)據(jù)處理的同時(shí)，加解密模塊、媒體接入控制器、基帶和模擬前端模塊也在進(jìn)行數(shù)據(jù) 通信數(shù)據(jù)。從而使得在上述每個(gè)模塊數(shù)據(jù)處理能力滿足802. 11協(xié)議規(guī)定最大54Mbps速率 時(shí)，整個(gè)無線局域網(wǎng)卡芯片的性能表現(xiàn)為54Mbps。而共享總線需要提供USB設(shè)備控制器、媒 體接入控制器和加解密模塊同時(shí)進(jìn)行滿足802. 11協(xié)議規(guī)定最大量數(shù)據(jù)處理時(shí)，對片上存 儲器模塊分別進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問的能力。 無線局域網(wǎng)卡SoC芯片低成本要求是盡量降低芯片裸片面積，為了滿足無線網(wǎng)卡 芯片通信要求，在無線網(wǎng)卡芯片設(shè)計(jì)過程中通常使用集成在芯片上的SRAM做為存儲芯片 工作必要數(shù)據(jù)的緩存。SRAM的物理版圖實(shí)現(xiàn)具有一個(gè)特性就是一塊容量為A字節(jié)的SRAM物理版圖面積會(huì)小于兩塊或兩塊以上容量總和為A字節(jié)的SRAM物理版圖面積總和。所以， 盡量減小無線網(wǎng)卡芯片各個(gè)功能模塊自己獨(dú)享的物理緩存，而將各個(gè)功能模塊所需緩存在 容量不變的前提下采用同一塊物理緩存實(shí)現(xiàn)一定會(huì)減小SRAM的面積，進(jìn)一步表現(xiàn)為減小 芯片最終面積，從而降低芯片成本。其實(shí)現(xiàn)方案是同時(shí)將多個(gè)邏輯緩存合并為同一個(gè)物 理緩存，各個(gè)邏輯緩存容量滿足對應(yīng)功能模塊的需要，而不同模塊通過共享總線訪問各自 對應(yīng)的同一塊物理緩存的不同存儲區(qū)。本無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)工作要求具有發(fā)送數(shù) 據(jù)緩存和接收數(shù)據(jù)緩存供媒體接入控制器使用，具有加密/解密密鑰緩存供加解密模塊使 用，具有USB設(shè)備控制器上行端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存、USB設(shè)備控制器下行端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存和USB設(shè)備 控制器控制端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存供USB設(shè)備控制器使用。本無線網(wǎng)卡芯片SoC結(jié)構(gòu)將以上所需的 6塊邏輯緩存合并為一塊物理緩存實(shí)現(xiàn)，媒體接入控制器、加解密模塊和USB設(shè)備控制器通 過共享總線對這塊物理緩存中各自的存儲區(qū)進(jìn)行訪問。由于共享總線特性決定不能支持兩 個(gè)或兩個(gè)以上模塊同時(shí)通過共享總線訪問同一塊物理緩存。其中，共享總線使用最惡劣的 情況是USB設(shè)備控制器、媒體接入控制器和加解密模塊同時(shí)申請共享總線的使用，所以共 享總線需要提供的有效帶寬必須滿足上述三個(gè)功能模塊所需工作帶寬的總和。為了滿足無 線網(wǎng)卡芯片54Mbps性能要求，需要對共享總線可以提供的有效帶寬進(jìn)行評估。當(dāng)共享總線 可以提供的有效帶寬滿足無線網(wǎng)卡芯片工作要求時(shí)，6塊邏輯緩存可以合并為一塊物理緩 存實(shí)現(xiàn)。共享總線帶寬計(jì)算公式如公式(1)所示，RBUS為共享總線可以提供的總線帶寬， CLKBUS為共享總線的工作時(shí)鐘頻率，WBUS為共享總線的位寬，
RBUS = CLKBUSXWBUS (1) 按照USB協(xié)議要求，USB設(shè)備控制器最大工作負(fù)荷時(shí)，需要占用總線帶寬是 480Mbps。對于發(fā)送數(shù)據(jù)而言加解密模塊將需要加密的數(shù)據(jù)明文先從發(fā)送數(shù)據(jù)緩存中讀出， 經(jīng)過加密后再將加密的密文寫回發(fā)送數(shù)據(jù)緩存，加解密模塊對接收數(shù)據(jù)的處理過程與處理 發(fā)送數(shù)據(jù)過程相反，加解密模塊將需要解密的數(shù)據(jù)密文先從接收數(shù)據(jù)緩存中讀出，經(jīng)過解 密后再將經(jīng)過解密的明文寫回接收數(shù)據(jù)緩存，802. 11協(xié)議規(guī)定的最大數(shù)據(jù)速率為54Mbps， 因此加解密模塊最大工作負(fù)荷時(shí)，加密或解密工作需要占用總線帶寬是108Mbps。另外，加 解密模塊從加密/解密密鑰存儲區(qū)讀取加密解密密鑰也需要占用一定的總線帶寬，其滿負(fù) 荷帶寬要求小于54Mbps。所以加密解密模塊總共的共享總線帶寬需求小于162Mbps。對于 發(fā)送數(shù)據(jù)而言，媒體接入控制器需要將經(jīng)過加密解密模塊處理的發(fā)送數(shù)據(jù)密文從發(fā)送數(shù)據(jù) 緩存讀出并交付給基帶進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。對于接收數(shù)據(jù)而言，媒體接入控制器需要將經(jīng)過基 帶解調(diào)處理的接收到的數(shù)據(jù)密文寫入接收數(shù)據(jù)緩存供加解密模塊使用。按照802. 11協(xié)議 規(guī)定的54Mbps最大數(shù)據(jù)速率要求，無論是數(shù)據(jù)發(fā)送過程還是數(shù)據(jù)接收過程，媒體接入控制 器最大工作負(fù)荷時(shí)需要占用總線帶寬是54Mbps。其中如圖l所示，媒體接入控制器與基帶 之間的數(shù)據(jù)通路是點(diǎn)對點(diǎn)方式建立的，因此媒體接入控制器與基帶之間的數(shù)據(jù)交互過程不 占用總線帶寬。通過上述分析可以計(jì)算出RBUS數(shù)值。當(dāng)共享總線可以提供的總線帶寬R, 大于696Mbps時(shí)，即使USB設(shè)備控制器、媒體接入控制器和加解密模塊以最大工作負(fù)荷同時(shí) 申請使用共享總線，共享總線也可以提供所需要的總線帶寬。共享總線采用的總線位寬W, 為32比特，根據(jù)公式(1)可以計(jì)算得到共享總線的工作時(shí)鐘頻率CLK,大于21.75MHz時(shí)， 共享總線滿足無線網(wǎng)卡芯片工作要求，可以將6塊邏輯緩存合并為同一塊物理緩存實(shí)現(xiàn)。
滿足該無線網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案要求USB設(shè)備控制器沒有供該模塊專用的
5上行、下行和控制端點(diǎn)數(shù)據(jù)物理緩存，共享總線對USB設(shè)備控制器操作響應(yīng)時(shí)間小于USB設(shè)
備控制器處理USB物理層數(shù)據(jù)時(shí)間，并且USB設(shè)備控制器通過共享總線訪問片上存儲器時(shí)
間間隔小于USB設(shè)備控制器處理USB物理層數(shù)據(jù)時(shí)間。媒體接入控制器沒有供該模塊專用
的發(fā)送數(shù)據(jù)物理緩存、接收數(shù)據(jù)物理緩存，媒體接入控制器通過共享總線訪問片上存儲器
時(shí)，無條件避讓USB設(shè)備控制器對片上存儲器的訪問操作，同時(shí)媒體接入控制器自帶一定
數(shù)量的寄存器暫存與基帶交互的數(shù)據(jù)。加解密模塊沒有該模塊專用的加密/解密密鑰物理
緩存，加解密模塊通過共享總線訪問片上存儲器時(shí)，要無條件避讓USB設(shè)備控制器和媒體
接入控制器對片上存儲器的訪問操作，并且利用USB設(shè)備控制器或媒體接入控制器對片上
存儲器的訪問操作的時(shí)間，在加密解密模塊內(nèi)部進(jìn)行加密解密運(yùn)算，從而將加密解密模塊
占用共享總線時(shí)間隱藏于加密解密模塊內(nèi)部，不暴露于共享總線操作時(shí)間。 以上公開的僅為本發(fā)明的幾個(gè)具體實(shí)施例，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，
任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，無線局域網(wǎng)卡芯片由8051處理器、指令存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、SFR總線封裝模塊、USB物理層、USB設(shè)備控制器、媒體接入控制器、基帶、模擬前端、片上存儲器和加密解密模塊等功能模塊構(gòu)成，USB物理層和USB設(shè)備控制器采用點(diǎn)對點(diǎn)連接關(guān)系，USB設(shè)備控制器通過USB物理層實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)卡芯片與主機(jī)端的控制與通信數(shù)據(jù)交互，媒體接入控制器、基帶、模擬前端采用數(shù)據(jù)流連接方式，最終由模擬前端完成無線局域網(wǎng)卡芯片與射頻芯片的通信數(shù)據(jù)交互，指令存儲器與8051處理器之間通過指令總線連接，數(shù)據(jù)存儲器與8051處理器之間通過數(shù)據(jù)總線連接，SFR總線封裝模塊與8051處理器之間通過SFR總線連接，SFR總線封裝模塊、USB設(shè)備控制器、媒體接入控制器、基帶、片上存儲器和加密解密模塊通過共享總線連接，8051處理器通過SFR總線封裝模塊的橋接作用通過共享總線訪問各個(gè)具有從設(shè)備功能的模塊，USB設(shè)備控制器、加解密模塊和媒體接入控制器以主設(shè)備方式訪問片上存儲器。
2. 如權(quán)利要求l所述的一種無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于IEEE802. ll規(guī)范 要求的54Mbps通信速率是由本芯片結(jié)構(gòu)中USB設(shè)備控制器、加解密模塊、媒體接入控制器、 基帶、模擬前端和共享總線共同完成，共享總線提供至少696Mbps總線帶寬。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中USB設(shè)備 控制器、加解密模塊、媒體接入控制器、基帶和模擬前端模塊采用流水線式工作方式，使得 在上述每個(gè)模塊有效數(shù)據(jù)處理能力達(dá)到54Mbps時(shí)，整個(gè)無線局域網(wǎng)卡芯片的性能表現(xiàn)為 54Mbps。
4. 一種無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于將無線局域網(wǎng)卡SoC芯片 上多個(gè)邏輯緩存合并為同一個(gè)物理緩存，各個(gè)邏輯緩存容量滿足對應(yīng)功能模塊的需要，而 不同模塊通過共享總線訪問各自對應(yīng)的同一塊物理緩存的不同存儲區(qū)，將多個(gè)邏輯緩存合 并為一塊物理緩存實(shí)現(xiàn)，媒體接入控制器、加解密模塊和USB設(shè)備控制器通過共享總線對 這塊物理緩存中各自的存儲區(qū)進(jìn)行訪問。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，USB 設(shè)備控制器沒有供該模塊專用的上行、下行和控制端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存，共享總線對USB設(shè)備控 制器操作響應(yīng)時(shí)間小于USB設(shè)備控制器處理USB物理層數(shù)據(jù)時(shí)間，并且USB設(shè)備控制器通 過共享總線訪問片上存儲器時(shí)間間隔小于USB設(shè)備控制器處理USB物理層數(shù)據(jù)時(shí)間。
6. 如權(quán)利要求3所述的一種無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，媒體 接入控制器沒有供該模塊專用的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存、接收數(shù)據(jù)緩存，媒體接入控制器通過共享 總線訪問片上存儲器時(shí)，要無條件避讓USB設(shè)備控制器對片上存儲器的訪問操作，媒體接 入控制器自帶一定數(shù)量的寄存器暫存與基帶交互的數(shù)據(jù)。
7. 如權(quán)利要求3所述的一種無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，加密 解密模塊沒有該模塊專用的無加密/解密密鑰緩存，加密解密模塊通過共享總線訪問片上 存儲器時(shí)，要無條件避讓USB設(shè)備控制器和媒體接入控制器對片上存儲器的訪問操作，利 用USB設(shè)備控制器或媒體接入控制器對片上存儲器的訪問操作的時(shí)間，在加密解密模塊內(nèi) 部進(jìn)行加密解密運(yùn)算，從而將加密解密模塊占用共享總線時(shí)間隱藏于加密解密模塊內(nèi)部， 不暴露于共享總線操作時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高性能低成本無線局域網(wǎng)卡SoC芯片設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)。本發(fā)明根據(jù)無線局域網(wǎng)卡芯片的工作特點(diǎn)，發(fā)明了一種以8051處理器為核心的高性能，低成本無線局域網(wǎng)卡SoC芯片結(jié)構(gòu)。通過采用該本SoC芯片結(jié)構(gòu)，達(dá)到保證無線局域網(wǎng)卡芯片性能，降低無線局域網(wǎng)卡芯片面積，減少芯片成本的目的。
文檔編號H04W88/02GK101772208SQ20081024109
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者劉鵬 申請人:北京中電華大電子設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司