基于Zynq-7000平臺的寬帶衛(wèi)星終端設(shè)計(jì)

蔣振東，陳崇森，賀翔

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州 510663）

介紹基于XILINX Zynq-7000 平臺的高速衛(wèi)星終端的硬件設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)終端的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，結(jié)合Zynq-7000 平臺SoC 的特性，設(shè)計(jì)終端整體軟件架構(gòu)。高速寬帶衛(wèi)星終端的低功耗及小型化設(shè)計(jì)需求，對硬件平臺的選型及設(shè)計(jì)提出更高的要求。合理的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)寬帶衛(wèi)星終端的功能及性能指標(biāo)，向客戶提供使用方便、穩(wěn)定可靠的高性能終端至關(guān)重要。該技術(shù)方案已應(yīng)用到某衛(wèi)星終端研制，滿足終端的低功耗及小型化設(shè)計(jì)需求，實(shí)際測試能夠?qū)崿F(xiàn)組網(wǎng)高速通信，對同類型的衛(wèi)星終端設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

Zynq-7000；SoC；衛(wèi)星終端；小型化

0 引言

Zynq-7000 是XILINX 公司推出的全可編程SoC片上系統(tǒng)平臺，廣泛應(yīng)用到航空航天、汽車、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療、通信等產(chǎn)品領(lǐng)域。Zynq-7000 系列芯片內(nèi)含雙核ARM Cotex-A9 硬核以及不同容量的FPGA 資源，外設(shè)接口豐富，實(shí)現(xiàn)的功耗及性能等級遠(yuǎn)超分立搭建的CPU+FPGA 平臺，Zynq-7000 內(nèi)部雙核ARM 采用AXI 總線與FPGA 部分連接，可實(shí)現(xiàn)Gbit 級別以上的高速通信，為寬帶衛(wèi)星終端的研制提供了完美的解決方案。通過移植Linux 操作系統(tǒng)到Zynq-7000 平臺，完成基于純IP 設(shè)計(jì)思路的衛(wèi)星終端軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)。基于Zynq-7000 平臺的硬件方案及軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)成為高性能衛(wèi)星終端研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 Zynq-7000的特性及芯片選型

Zynq-7000 的特點(diǎn)[1]如下：

（1）處理系統(tǒng)（PS）采用ARM Cortex-A9 雙核處理器，實(shí)現(xiàn)更佳性能功耗比，支持單精度和雙精度浮點(diǎn)，運(yùn)行速率高達(dá)1GHz。

（2）含有512KB L2 高速緩存，256KB 片上存儲RAM，內(nèi)存接口支持DDR3、DDR3L、DDR2、LPDDR-2。

（3）含有XILINX 7 系列28nm 可編程邏輯資源（PL），提供Artix-7 及Kintex-7 FPGA 兩種架構(gòu)系列可編程邏輯資源選擇。

（4）外設(shè)接口豐富，包括2x USB 2.0(OTG)、2x Trimode 千兆以太網(wǎng)口、2x SD/SDIO、2x UART、2x CAN 2.0B、2x I2C、2x SPI、32bit GPIO。

（5）全可編程電源管理，具備處理系統(tǒng)（PS）和可編程邏輯（PL）中的多種電源優(yōu)化技術(shù)，對應(yīng)可調(diào)節(jié)的處理器、互連和存儲器速度功率范圍靈活可調(diào)。具備ARM 低功耗模式，部分重配置可降低可編程邏輯要求。

（6）PS 與PL 之間的高速互連，64 位AXI ACP 端口為附加的軟處理器實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的硬件加速性能和緩存一致性，帶寬高達(dá)100Gb/s。

（7）大量并行信號處理實(shí)現(xiàn)硬件加速，包含專用的完全定制的低功耗DSP Slice，DSP 模塊多達(dá)2020 個(gè)，可提供超過2662 GMAC 的性能。

（8）高保密性、安全性和可靠性，處理器的優(yōu)先引導(dǎo)采用帶有安全ROM 碼的片上存儲器實(shí)現(xiàn)，防篡改技術(shù)在檢測到篡改活動(dòng)時(shí)將器件“歸零”，采用基于RSA認(rèn)證、SHA-256 數(shù)據(jù)認(rèn)證和AES-256 解密實(shí)現(xiàn)安全系統(tǒng)引導(dǎo)，全方位支持ARM TrustZone。

根據(jù)衛(wèi)星終端物理層數(shù)據(jù)處理吞吐量需求，結(jié)合與射頻芯片的接口連接以及終端對用戶的通信接口設(shè)計(jì)，采用XC7Z030 芯片作為SoC 芯片。XC7Z030 的PL 側(cè)資源[2]如表1 所示。

表1 XC7Z030 芯片的PL 資源列表

2 衛(wèi)星通信終端的平臺硬件設(shè)計(jì)

XC7Z030 主要分為處理系統(tǒng)（PS）及可編程邏輯資源（PL）兩大分系統(tǒng)。PS 側(cè)的雙核ARM 與千兆以太網(wǎng)口、QSPI FLASH、I2C、EMMC、串口等常用外設(shè)接口相連，PS 側(cè)主要完成通信協(xié)議棧處理、IP 路由、應(yīng)用QoS等功能；PL 側(cè)與射頻收發(fā)芯片相連，主要完成通信調(diào)制解調(diào)等功能，硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星終端平臺硬件設(shè)計(jì)框圖

平臺硬件采用了XC7Z030+收發(fā)射頻一體芯片為核心的設(shè)計(jì)方案，比傳統(tǒng)的分立器件設(shè)計(jì)方案，無論在電路板面積還是整板功耗上都具備很大優(yōu)勢，為終端的低功耗小型化設(shè)計(jì)奠定了平臺基礎(chǔ)。

XC7Z030 通過DDR 接口外接1GB DDR3 內(nèi)存芯片，雙核ARM 及PL 都可共享此內(nèi)存；通過RGMII 接口外接88E1512 千兆以太網(wǎng)物理層芯片，實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)通信功能。通過SD/SDIO 接口連接大容量EMMC存儲芯片，可實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)存儲功能。USB接口可實(shí)現(xiàn)外接存儲設(shè)備、設(shè)備升級等功能?？刂瓶谥饕獮榇?，用于調(diào)試及終端參數(shù)設(shè)置等。

整體硬件采用一體化設(shè)計(jì)的理念，整板包含了高速數(shù)字電路及射頻模擬電路，在電路板的PCB 設(shè)計(jì)時(shí)采用分區(qū)布局、加屏蔽罩等方式進(jìn)行有效隔離，對關(guān)鍵時(shí)鐘信號進(jìn)行包地處理，DDR3 芯片嚴(yán)格按照DDR3 布線規(guī)范進(jìn)行布線，從而保證了此類復(fù)雜模數(shù)混合電路設(shè)計(jì)的可靠性。

3 衛(wèi)星通信終端的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

移植Linux 4.2.0 嵌入式操作系統(tǒng)到XC7Z030，并開發(fā)PL 與PS 高速通信、雙核通信、PL 動(dòng)態(tài)加載、I/O控制等關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)程序，用戶通過網(wǎng)口即可實(shí)現(xiàn)IP 業(yè)務(wù)傳輸，包括網(wǎng)絡(luò)電話、數(shù)據(jù)通信等。

一條通信路徑由信源、信宿、一個(gè)通道和一些限制條件（如服務(wù)質(zhì)量等）組成[3]。衛(wèi)星通信終端的軟件開發(fā)主要集中在，基于Linux 4.2.0 嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)協(xié)議棧處理、IP 路由、應(yīng)用QoS、系統(tǒng)控制等軟件功能。其中協(xié)議棧的分層設(shè)計(jì)及路由算法的實(shí)現(xiàn)為關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)控制軟件負(fù)責(zé)處理所有通信協(xié)議、業(yè)務(wù)流程及狀態(tài)控制，包括入/退網(wǎng)流程、業(yè)務(wù)傳輸流程、資源調(diào)度算法、系統(tǒng)控制信令等。

通過移植輕量化的Web Server，開發(fā)終端人機(jī)交互頁面，用戶可以通過網(wǎng)頁形式快捷查看衛(wèi)星終端的運(yùn)行狀態(tài)及進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

對PS 的雙核ARM 運(yùn)行任務(wù)進(jìn)行分工，一個(gè)核心用于運(yùn)行Linux 4.2.0 操作系統(tǒng)，另一個(gè)核心用于運(yùn)行實(shí)時(shí)性要求較高的協(xié)議處理。雙核之間通過共享內(nèi)存的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

PL 側(cè)用于終端的物理層實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制解調(diào)、編解碼等功能及對射頻芯片的控制。物理層軟件主要?jiǎng)澐譃榍跋蜴溌?、返向鏈路兩大模塊，并與中心站的返向鏈路、前向鏈路軟件設(shè)計(jì)相對應(yīng)。

衛(wèi)星終端的整體軟件架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星終端的整體軟件架構(gòu)圖

為了便于與地面網(wǎng)的IP 數(shù)據(jù)通信兼容，其中協(xié)議棧軟件設(shè)計(jì)分為衛(wèi)星通信相關(guān)與無關(guān)兩部分。通過開發(fā)遠(yuǎn)程升級及本地升級軟件模塊，可實(shí)現(xiàn)中心站對終端的軟件遠(yuǎn)程升級以及本地USB 存儲器升級。

由于衛(wèi)星通信終端基于純IP 設(shè)計(jì)，用戶可通過以太網(wǎng)口方便地連接路由器、IP 電話機(jī)、PC 電腦等各種形式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)通信，而不用進(jìn)行繁瑣的網(wǎng)絡(luò)配置，能夠很好地提升用戶使用體驗(yàn)。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了低功耗、小型化的衛(wèi)星寬帶通信終端的平臺硬件設(shè)計(jì)及軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案已應(yīng)用到設(shè)備的具體研制，實(shí)現(xiàn)效果良好，工作可靠穩(wěn)定。對于同類型的衛(wèi)星通信終端設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值。