一種面向LTE基站的SOC平臺軟件解決方案

隨著(zhù)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，從最早的第一代模擬無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、第二代GSM通信網(wǎng)絡(luò )、第三代3G通信網(wǎng)絡(luò )、直到目前商用的4G LTE通信網(wǎng)絡(luò )，甚至正在研究階段的5G通信網(wǎng)絡(luò )，從GSM 的TCH9.6Kbps，到GPRS的171Kbps，再到WCDMA、TDSCDMA的384kbps，以及HSDPA的14.4Mbps，再到目前LTE的下行100Mbps，數據的傳輸速率越來(lái)越快。數據處理能力的增加對無(wú)線(xiàn)基站平臺提出了越來(lái)越高的要求，從而無(wú)線(xiàn)基站處理單板的設計也越來(lái)越復雜，逐步向多核多CPU、多核多DSP的方向演進(jìn)，隨著(zhù)芯片集成度越來(lái)越高，融合多CPU和多DSP核的單芯片SOC解決方案成為目前LTE基站設計的熱點(diǎn)。

在融合CPU和DSP的單芯片SOC中，一般包含多個(gè)CPU和DSP核，以及大量的片內外設，例如目前LTE基站的主流SOC芯片Freescale的B4860，片內包含4個(gè)PowerPC CPU核以及6個(gè)SC3900 DSP核，集成以太網(wǎng)、SRIO、MAPLE算法加速器等大量外設。隨著(zhù)芯片硬件的復雜度提高，對于如何管理如此復雜的系統，對基站平臺的軟件設計與規劃提出了更高的要求。

下文介紹一種面向基站平臺處理單板的基于融合SOC處理器的平臺軟件解決方案。

2.基站平臺軟件方案的特點(diǎn)：

2.1基站平臺軟件的定義

基站的功能由機架上的業(yè)務(wù)子板來(lái)實(shí)現。子板上的軟件一般分為驅動(dòng)層、操作系統層和應用層(協(xié)議層和運維部分)。一般把驅動(dòng)層和操作系統層統稱(chēng)為平臺軟件層。平臺軟件層負責管理硬件資源，為應用層提供服務(wù)包括資源分配、任務(wù)調度、冗錯處理、文件系統接口、IP協(xié)議棧、驅動(dòng)封裝等。

可以說(shuō)一切應用層的設計，都是基于平臺軟件層的架構來(lái)實(shí)現。一個(gè)優(yōu)秀的、功能豐富的平臺軟件層，可以使應用層的設計實(shí)現變得尤為簡(jiǎn)單，其高可靠性又可使整個(gè)系統變得更為強壯。因此選擇一個(gè)好的平臺軟件層，對整個(gè)基站性能至關(guān)重要。

2.2目前面臨的問(wèn)題

隨著(zhù)通信技術(shù)的演進(jìn)，對基站數據處理能力的要求也越來(lái)越高，單板之上的包含多核DSP和多核CPU的融合SOC芯片系統成為未來(lái)的發(fā)展趨勢。復雜的多核SOC系統，對平臺軟件功能提出了更高的要求。

對于一個(gè)多核CPU+DSP的SOC系統，如何管理多核CPU上的資源和任務(wù)調度，如何為多核DSP提供高效穩定的操作系統，如何管理如此龐大的DSP陣列，如何有效地進(jìn)行跨核乃至跨處理器間的通信，如何對這樣的多核CPU和DSP的復合系統進(jìn)行調試和日志追蹤? 這一切都對平臺軟件提出了新的挑戰。

面對這樣一個(gè)日益龐雜的系統，我們該如何應對?

下文重點(diǎn)介紹Enea面向SOC(CPU+DSP)基站設計的平臺軟件解決方案，相信能為未來(lái)基站軟件的設計提供幫助。

3.Enea面向基站的平臺軟件解決方案：

3.1 ENEA簡(jiǎn)介

Enea源自于1968年，于1989年在瑞典上市，是全球網(wǎng)絡(luò )和終端軟件供應商的領(lǐng)導者，專(zhuān)注于通訊領(lǐng)域實(shí)時(shí)操作系統和平臺軟件。作為一家走過(guò)半個(gè)世紀的，服務(wù)于全球主要的的網(wǎng)絡(luò )和終端軟件供應商，Enea以其先進(jìn)技術(shù)為通信領(lǐng)域的發(fā)展提供源源不絕的動(dòng)力。

3.2 ENEA SOC平臺軟件解決方案

Enea的平臺軟件解決方案由四大部分組成，包括面向多核CPU的Enea Linux操作系統、針對多核DSP的OSEck操作系統、SOC上的管理中間件和Enea系統級調試工具Optima。目標系統上的各個(gè)實(shí)體由Enea的分布式透明傳輸模塊LINX連接起來(lái)。整體系統框圖如下所示：

圖1 Enea平臺軟件方案框圖

Enea的平臺軟件解決方案為單板之上的包含多核DSP和多核CPU的融合SOC芯片提供了完整的軟件架構、豐富的調試監測功能以及簡(jiǎn)單實(shí)用的高可靠通信的IPC工具。

在SOC的DSP側，Enea的OSEck操作系統為DSP的軟件架構和編程提供了可靠的選擇。OSEck是Enea專(zhuān)門(mén)針對DSP進(jìn)行優(yōu)化的精簡(jiǎn)高效的實(shí)時(shí)操作系統，也是業(yè)內最優(yōu)秀商用的面向DSP的操作系統。OSEck支持Freescale、Ti、LSI、ADI、CEVA等幾乎所有的最新DSP處理器，與LINX模塊相同的應用層API接口，為每款DSP專(zhuān)門(mén)優(yōu)化的內核，小至10kB footprint，豐富的BSP及應用模塊例如Timeout server，另外DSP錯誤檢測、CoreDump模塊等為程序的設計以及系統的出錯追蹤提供了更多的可能。

在SOC的CPU側，提供基于Yocto開(kāi)發(fā)環(huán)境的Enea Linux操作系統或OSE硬實(shí)時(shí)操作系統。Yocto是一個(gè)圖形化的集成開(kāi)發(fā)調試環(huán)境，提供Linux的配置、組件的自動(dòng)下載、編譯、調試、性能監控等功能，受到各大主流芯片以及嵌入式軟件提供商的支持。Enea Linux基于Yocto的開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供針對于SOC做特別優(yōu)化的Linux版本，除此以外，針對基站開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)性要求，提供在Linux環(huán)境下的硬實(shí)時(shí)調度環(huán)(LWRT)。Enea LWRT是一種Linux用戶(hù)空間的多核執行環(huán)境，任務(wù)調度時(shí)間、中斷響應時(shí)間都是高性能、可確定性的，對滿(mǎn)足基站高層協(xié)議棧的性能要求尤為重要。

在CPU側也可使用OSE操作系統，這是Enea針對多核CPU作專(zhuān)門(mén)優(yōu)化的操作系統，支持幾乎所有類(lèi)型的CPU，廣泛地應用于各大通信廠(chǎng)商的移動(dòng)臺和局端通信設備之中。如下圖：

圖2 OSE 5.x系統框圖

OSE 5.x獨有的XMP模式即有SMP模式的簡(jiǎn)單易用性，又具有到AMP模式的性能，為平臺軟件CPU側的軟件架構設計提供了方便。OSE的直接消息傳遞機制和集中式錯誤處理大大簡(jiǎn)化了編程的工作，OSE豐富的模塊，文件系統、IP協(xié)議棧、動(dòng)態(tài)加載模塊、LINX工具、ramlog工具、Optima系統級調試工具，這一切功能都節約了開(kāi)發(fā)工作時(shí)間，加快了產(chǎn)品化速度。

對于基于SOC(CPU+DSP)的基站平臺來(lái)說(shuō)，DSP數量較多，并用于物理層協(xié)議棧、甚至MAC層的業(yè)務(wù)處理，并由SOC的CPU側來(lái)進(jìn)行管理。如何管理、監控和調試這樣一個(gè)數量龐大的DSP核陣列是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。Enea針對這一需求推出的DSP管理模塊從根本上解決了這一問(wèn)題。SOC之上的DSP管理模塊如下圖所示：

圖3 DSP管理功能框圖

DSP管理模塊主要實(shí)現下面五大功能：

(1)CPU側對DSP執行文件的加載啟動(dòng)和復位。

(2)CPU側對DSP應用(包括進(jìn)程和設備狀態(tài))的監控。

(3)CPU側對DSP coredump事后分析的管理(包括收集coredump，上傳服務(wù)器和在線(xiàn)分析)。

(4)為DSP提供Shell命令行的接入服務(wù)。

(5)Enea系統級調試工具Optima從CPU側通過(guò)LINX通路接入DSP，用于DSP上系統的實(shí)時(shí)監控。

這些功能專(zhuān)門(mén)針對SOC芯片中DSP核陣列的管理而設計，為基于SOC設計的基站等有CPU和大量DSP的復合系統的實(shí)現，提供可靠的解決方案。

Enea的分布式透明傳輸模塊LINX負責SOC中CPU與DSP、以及DSP與DSP節點(diǎn)間無(wú)縫通信，針對于單芯片內的方案基于共享內存池的通信方式，高效沒(méi)有數據拷貝。另外，LINX支持幾乎所有的物理通信介質(zhì)包括共享內存、以太網(wǎng)、sRIO、PCI等。統一了核間、同構/異構處理器間乃至板間的通信接口，并提供保證鏈路可靠性的機制，使分布式系統間的通信猶如在同一個(gè)核內通信那么簡(jiǎn)單。因此，LINX的出現大大簡(jiǎn)化了分布式系統的程序設計。

針對整個(gè)平臺軟件的調試，Enea的Optima系統級調試工具為系統的調試提供了方便。Optima調試工具可以以插件的形式整合到Freescale CodeWarrior或TI CCS環(huán)境中，與JTAG代碼級調試結合使用。Optima工具主要通過(guò)以太網(wǎng)與目標系統相連，只要目標系統中的實(shí)體有LINX鏈路，那么通過(guò)PC側的Optima工具就可以看到整個(gè)分布式系統的拓撲圖。Optima可以查看CPU或者DSP上操作系統的進(jìn)程狀態(tài)、內存和堆的詳細分配情況、CPU使用率、查看系統coredump、進(jìn)行基于GDB的在線(xiàn)調試、實(shí)時(shí)查看系統和用戶(hù)的日志等，為查看系統瓶頸、代碼優(yōu)化等提供方便。

圖4 系統級調試工具Optima圖示

綜上，Enea針對基站開(kāi)發(fā)的基于SOC的平臺軟件解決方案包括，面向CPU的Enea Linux操作系統和LWRT實(shí)時(shí)運行環(huán)境、針對DSP核的OSEck操作系統、SOC芯片中DSP核的管理模塊以及Enea系統級調試工具Optima。這些功能滿(mǎn)足了新一代基于SOC(CPU+DSP)的基站平臺軟件的需求，為基站的軟件架構設計提供了參考。下面介紹一個(gè)應用實(shí)例：

3.3 應用實(shí)例

Enea面向基站的平臺軟件方案廣泛地應用于愛(ài)立信、華為、諾西、阿朗、普天、大唐等大型通信設備公司的設備中，為世界通信設備的發(fā)展貢獻自己的智慧。

當今基站的發(fā)展日趨多樣性，除了常規的Marco型基站外，Pico或小型基站成為目前主流通信設備廠(chǎng)商3G、4G局端設備發(fā)展的新方向。下面簡(jiǎn)單介紹一個(gè)Enea的基站平臺解決方案在LTE Pico基站的應用實(shí)例。如下圖所示：

圖5 基站平臺解決方案應用實(shí)例

B4860是freescale針對LTE中型基站的包含PowerPC CPU核和SC3900 DSP核的SOC芯片，片內集成的MAPLE2 LTE物理層協(xié)處理器，可完整的自動(dòng)處理PDSCH和PUSCH信道流程，最多可支持三個(gè)20M的LTE小區。在Enea針對這個(gè)SOC芯片的平臺軟件方案中，CPU側運行Enea Linux、Enea LWRT環(huán)境以及DSP的管理模塊、DSP側運行OSEck硬實(shí)時(shí)操作系統，CPU和DSP之間使用Enea的LINX基于共享內存池的方式進(jìn)行通信。通過(guò)PC側的Optima工具進(jìn)行整個(gè)系統的監控與調試。

按照一般基站BBU的軟件設計，物理層協(xié)議棧運行于DSP上，MAC及以上協(xié)議棧運行于CPU之上，因此對于B4860這樣的芯片整體軟件架構如下圖所示。每?jì)蓚€(gè)DSP核為一組，負責一個(gè)小區，每個(gè)核分別處理上行和下行數據，共六個(gè)DSP核因此對應三個(gè)LTE小區，OSEck可提供實(shí)時(shí)的調度性能以滿(mǎn)足物理層對實(shí)時(shí)性的需要，同時(shí)基于共享內存池的LINX交互模塊提供DSP與DSP，CPU與DSP間的高效無(wú)縫通信。CPU核上的MAC層及高層協(xié)議棧中對性能敏感的部分，運行于Enea的LWRT實(shí)時(shí)環(huán)境之上，可對Linux之上的應用提供實(shí)時(shí)的性能的保證，使之符合LTE的1ms限制的調度要求。對于實(shí)時(shí)性要求不高的部分，可直接運行于Enea Linux之上，例如運維等部分。本套軟件方案已應用于此客戶(hù)的量產(chǎn)型基站產(chǎn)品中。

圖6 基站平臺解決方案應用實(shí)例任務(wù)劃分

4. 結論：

本文介紹了Enea面向SOC處理器基站的平臺軟件解決方案。詳細介紹了方案的組成，包括面向CPU核的Enea Linux操作系統和LWRT實(shí)時(shí)運行環(huán)境或OSE硬實(shí)時(shí)操作系統、針對DSP核的OSEck操作系統、DSP核的管理模塊、Enea系統級調試工具Optima以及Enea的分布式透明傳輸模塊LINX。文章突出了此方案的優(yōu)點(diǎn)以及應用的實(shí)例，為新一代基站的軟件架構設計提供了參考。