[发明专利]基于FPGA的流水线型多用户数据流接收装置及方法

摘要

本发明提供了一种基于FPGA的流水线型多用户数据流接收装置及其使用方法，本发明主要涉及通信技术领域，尤其是无线局域网环境下多用户数据流的接收处理方案，本发明采用了一种基于FPGA的流水线型多用户数据流接收机装置，并给出采用流水线方式解决一套接收机处理多用户数据的方法，同时通过预约方式解决了一套接收机同时接收处理不同类型的802.11MAC帧，实现了利用一套接收机来接收和处理多个用户的MAC帧，解决了下一代无线局域网协议中同时接收和处理多用户数据流的问题，从而提升系统的用户容量和数据吞吐率。

主权项

1.一种基于FPGA的流水线型多用户数据流接收装置，包括调度模块(1)和帧处理模块(2)，其特征在于：所述的调度模块(1)包括用户帧处理状态机模块(1.1)、帧处理使能控制模块(1.2)和预约表模块(1.3)；其中，用户帧处理状态机模块(1.1)表示在某一时刻用户正在哪个功能块处理数据；帧处理使能控制模块(1.2)输出各个用户对每个功能块的使能信号，当某一个流水功能块使能控制模块同时接收到了多个用户处理请求，帧处理使能控制模块(1.2)下的状态机就会根据用户ID按照从小到大的顺序轮询处理，依次输出帧处理使能控制模块(1.2)下控制下流水功能块的用户使能信号；预约表模块(1.3)用于控制帧处理状态机的跳转顺序；所述的帧处理模块(2)包括流水线处理模块(2.1)和并行处理模块(2.2)；其中，流水线处理模块(2.1)用于帧预处理和帧头、帧尾的处理，共包含7级流水处理功能块(2.1.1)～(2.1.7)，流水处理功能块(2.1.1)～(2.1.7)的处理时间相等，均为两个时钟周期，流水处理功能块(2.1.1)、(2.1.2)、(2.1.4)、(2.1.5)处理两个周期的数据，流水处理功能块(2.1.6)、(2.1.7)处理一个周期的数据，流水处理功能块(2.1.3)根据具体的帧类型决定处理一个周期还是两个周期的数据；并行处理模块(2.2)包括数据帧帧体处理模块(2.2.1)、管理帧帧体处理模块(2.2.2)、控制帧帧体处理模块(2.2.3)和循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)处理模块(2.2.4)，每个并行处理功能块处理的时钟周期根据帧长确定；所述基于FPGA的流水线型多用户数据流接收装置的使用方法，包括下述步骤：步骤1：调度模块(1)检测各个用户的缓存中是否有数据，如果多个用户有数据，那么每个用户的帧处理状态机跳转至流水处理功能块(2.1.1)处理状态，此时，每个用户的帧处理状态机同时向帧处理使能控制模块(1.2)发出请求信号，当帧处理使能控制模块(1.2)同时接收到多个用户请求时，会根据用户ID按照从小到大的顺序依次对流水处理功能块(2.1.1)发出各用户的数据接收和处理使能；如果只有一个用户有数据，则帧处理使能控制模块(1.2)对流水处理功能块(2.1.1)只发出该唯一用户数据接收和处理使能，各用户数据进入流水处理功能块(2.1.1)后进行帧的预处理，即解析帧间隔符Delimiter，如果解析到Delimiter是正确的，即Delimiter前16bit数据的CRC8校验结果与Delimiter中CRC字段中的数据相等且接收到的特征签名字段正确，则从Delimiter字段中提取表征需要接收和处理的802.11帧的帧长Length信息，设置预约表标识为有效，并跳转到步骤2，否则继续步骤1的操作；步骤2：各用户进入等待完整的一帧到来状态，并根据步骤1中得到的帧长信息，检测各自缓存的数据是否到达一帧的长度，如果缓存区已经存够一帧则跳转到步骤3，否则继续进行步骤2的操作；步骤3：如果多个用户同时缓存够完整的一帧数据，各用户的帧处理状态机跳转至流水处理功能块(2.1.2)处理状态，每个用户的帧处理状态机向帧处理使能控制模块(1.2)发出请求信号，帧处理使能控制模块(1.2)按照“用户先到先处理，同时到达则按照ID从小到大顺序处理”的原则对流水处理功能块(2.1.2)发出数据接收和处理使能，帧处理使能控制模块(1.2)接收第1个周期的数据后进行帧类型字段和网络配置矢量NAV(Network Allocation Vector)值的提取，并将第2个周期接收到的数据与接收端中本地地址寄存器的前32bit数据相比较，如果接收数据与本地地址前32bit不匹配，设置预约表标识为无效，处理完成后跳转到步骤4；步骤4：各用户的帧处理状态机跳转至预约表模块(1.3)处理状态，每个用户的帧处理状态机向帧处理使能控制模块(1.2)发出请求信号，帧处理使能控制模块将按照“用户先到先处理，同时到达则按照ID从小到大顺序处理”的原则对预约表模块(1.3)发出数据接收和处理使能，各用户依次进入预约表模块(1.3)，预约表模块(1.3)中包含对应于每个用户的预约表，该表中记录着每种802.11帧要进入哪些处理功能块接收处理数据以及在这些功能块中接收和处理数据的时间，各用户根据步骤1解析出的帧长度和步骤3解析出的帧类型信息，以查找表的方式对每个用户的模块处理状态寄存器S1以及接收处理时间寄存器S2进行配置，其中，模块处理状态寄存器S1共8位，每一位分别对应流水处理功能块(2.1.3)～(2.1.7)和数据帧帧体处理模块(2.2.1)、管理帧帧体处理模块(2.2.2)、控制帧帧体处理模块(2.2.3)，当S1某一位为1时表示需要进入该位对应的功能块处理数据，为0时表示跳过该位对应的功能块，接收处理时间寄存器S2保存着流水处理功能块(2.1.3)、数据帧帧体处理模块(2.2.1)、管理帧帧体处理模块(2.2.2)和控制帧帧体处理模块(2.2.3)中接收数据的时钟周期和处理数据的时钟周期信息；步骤5：各用户的帧处理状态机根据寄存器S1的值跳转至流水处理功能块(2.1.3)处理状态，每个用户的帧处理状态机向帧处理使能控制模块(1.2)发出请求信号，帧处理使能控制模块将按照“用户先到先处理，同时到达则按照ID从小到大顺序处理”的原则依次处理各个用户的数据，由于流水处理功能块(2.1.3)的接收数据使能周期数不确定，各用户需要根据各自对应预约表中接收处理时间寄存器S2中的信息，依次输出流水处理功能块(2.1.3)的接收数据使能和处理数据使能信号，流水处理功能块(2.1.3)在接收到第1个周期的数据后，对接收的前16bit与接收端中本地地址寄存器的后16bit数据进行比较，如果两者不相等则设置预约表模块(1.3)标识为无效，如果接收数据使能信号维持2个周期数，那么缓存接收的后48bit数据，并在数据之前加入8bit用户ID信息，否则不缓存流水处理功能块(2.1.3)处理的后续数据，完成后跳转到步骤6；步骤6：各用户的帧处理状态机根据寄存器S1的信息进入各自对应的下一个处理帧的状态，每个用户的帧处理状态机向帧处理使能控制模块(1.2)发出请求信号，如果当前处理状态属于流水线处理模块(2.1)，帧处理使能控制模块(1.2)根据“用户先到先处理，同时到达则按照ID从小到大顺序处理”的原则输出对应的功能块的接收数据使能和处理数据使能信号，并在得到的数据之前加上8bit用户ID信息，若当前处理状态属于并行处理模块(2.2)，帧处理使能控制模块(1.2)将根据寄存器S2中的信息，并行输出对应功能块的接收数据使能和处理数据使能信号，各用户将同时处理各自的数据，在各用户控制处理模块使能时，首先查看预约表标识，如果有效，那么同时输出FIFO(First Input First Output)读使能和模块处理使能，如果无效，那么只输出FIFO读使能，循环本步骤直到需要流水处理功能块(2.1.7)时，跳转到步骤7；步骤7：各用户的帧处理状态机跳转至流水处理功能块(2.1.7)时，每个用户的帧处理状态机向帧处理使能控制模块(1.2)发出请求信号，帧处理使能控制模块(1.2)按照“用户先到先处理，同时到达则按照ID从小到大顺序处理”的原则输出流水处理功能块(2.1.7)的接收数据使能和处理数据使能信号，各用户依次在流水处理功能块(2.1.7)处理数据时，比较帧检验序列FCS(frame check sequence)域值和各用户的循环冗余校验CRC处理模块(2.2.4)输出的结果，若不相等则反馈上层帧错误信号，处理完毕流水处理功能块(2.1.7)的用户继续返回执行步骤1操作。