HDLC的DSP與FPGA實現

摘要：HDLC(高級數據鏈路控制)采用軟件編程與FPGA共同實現的方法具有靈活，速度快，特別適合于DSP+FPGA的數字硬件平臺的接口設計。

主題詞：HDLC；FPGA；DSP硬件設計

引言

HDLC(高級數據鏈路控制)廣泛應用于數據通信領域，是確保數據信息可靠互通的重要技術。實施HDLC的一般方法通常是采用ASIC器件或軟件編程等。

HDLC的ASIC芯片使用簡易，功能針對性強，性能可靠，適合應用于特定用途的大批量產品中。但由于HDLC標準的文本較多，ASIC芯片出于專用性的目的難以通用于不同版本，缺乏應用靈活性。有的芯片公司還有自己的標準，對HDLC的CRC(循環冗余碼校驗)序列生成多項式等有不同的規定。專用于HDLC的ASIC芯片其片內數據存儲器容量有限，通常只有不多字節的FIPO(先進先出存儲器)可用。對于某些應用來說，當需要擴大數據緩存的容量時，只能對ASIC再外接存儲器或其他電路，ASIC的簡單易用性就被抵銷掉了。HDLC的軟件編程方法功能靈活，通過修改程序就可以適用于不同的HDLC應用。但程序運行占用處理器資源多，執行速度慢，對信號的時延和同步性不易預測。純軟件HDLC一般只能用于個別路數的低速信號處理。

FPGA采用硬件技術處理信號，又可以通過軟件反復編程使用，能夠兼顧速度和靈活性，并能并行處理多路信號，實時性能能夠預測和仿真。

DSP采用軟件技術處理信號，也可以反復編程使用。DSP、FPGA芯片雖成本略微高于ASIC芯片，但具有貨源暢通、可多次編程使用等優點。在中小批量通信產品的設計生產中，用FPGA和DSP實現HDLC功能是一種值得采用的方法。

HDLC的幀結構和CRC校驗

為了使FPGA的設計能夠實現HDLC的基本功能并能按照各項標準的規定靈活采用不同的cKC校驗算法，首先看一下HDLC基本的幀結構形式。

HDLC是面向比特的鏈路控制規程，其鏈路監控功能通過一定的比特組合所表示的命令和響應來實現，這些監控比特和信息比特一起以幀的形式傳送。以下是ISO/IEC 3309標準規定的HDLC的基本幀結構。

其他的HDLc標準也有類似的幀結構。每幀的起始和結束以“7E”(0111110)做標志，兩個“7E”之間為數據段(含地址數據、控制數據、信息數據)和幀校驗序列。幀校驗采用CKC算法，對除了插入的“零”以外的所有數據進行校驗。為了避免將數據中的“7E”誤為標志，在發送端和接收端要相應地對數據流和幀校驗序列進行“插零”及“刪零”操作。

用FPGA+DSP實現HDLC功能

對FPGA器件進行功能設計一股采用的是“Top to Down”(“從頂到底”)的方法，亦即根據要求的功能先設計出頂層的原理框圖，該圖通常由若干個功能模塊組成。再把各個模塊細化為子模塊，對較復雜的設計還可把各子模塊分成一層層的下級子模塊，各層的功能可以用硬件描述語言或電路圖來實現。

DSP的設計則是按軟件順序執行的方法，主函數調用子函數，還可以把子函數分成下級子函數，目前的DSP設計軟件主要是用c語言來完成。

HDLC協議操作由FPGA、DSP共同完成：HDLC接收端：首先由FPGA來收數據，之后判斷幀頭“7E”及本機地址，如果是發給本機的數據，則對后續數據進行判斷，如果有5個連“1”且后一位數據為“0”則將其后的一個“0”刪除，刪零后將數據存入FIFO中，收到幀尾“7E”時給出收結束標志；然后由DsP讀收結束標志，如果標志為“1”讀空FIFO，清標志位，將數據內容進行CRC校驗。

HDLC發送端：首先由DSP將數據寫入FPGA的FIFO之后，DSP給出標志：FPGA收到標志后、先發送幀頭“7E”，然后發送數據，如果數據中有5個連“1”則在其后插入1個“0”，數據發送結束后發送幀尾“7E”。

FPGA設計

FPGA中實現的主要是鏈路層協議完成HDLC數據接口的收發，并完成與DSP的數據交互，該電路由接口模塊interface、HDLC數據發送模塊transmitter和HDLC數據接收模塊receiver三部分組成。

FPGA接口模塊interface

interface模塊的主要功能是：DSP通過數據、地址總線和讀寫信號向FPGA讀寫并行數據。

在本例中數據總線的寬度取決于所使用的DSP的數據位。由于目前DsP處理器的多為64位或32位，而完成數據交互使用8位就夠了，因此這里采用8位的數據總線cpudata[7_0]。地址總線包括譯碼選通發送FIFO和接收FIFO的寄存器地址，命令寄存器和狀態寄存器。

對于DSP來說，FPGA可以看成是一個普通芯片，通過片選CS/、讀寫信號RD/和WR/，就可以選中FPGA并對其進行讀寫操作。

當FPGA需要向DSP傳遞信息時，中斷信號輸出端mterrupt/變為低電平，DSP響應后可到FPGA中的狀態寄存器去讀取詳細的中斷信息并做出相應的處理。

FPGA數據發送模塊HDLCSend

HDLC Send模塊的主要功能是：對HDLC產生內部數據發送時鐘txclk；鎖存DSP寫入FIFO的發送數據并按指定時序啟動發送：在發送數據段前加上“7E”起始標志：對發送的數據及CRC計算結果進行“插零”操作并附上“7E”結束標志把結果輸出(見圖1)。

txhdlc模塊由發送數據子模塊、標志數據插零子模塊及“7E”發送等模塊組成。

HDLC的數據發送時鐘tx clk由外部輸入時鐘分頻得到，能以高于比特發送的速度執行對內部操作。

待發送數據是由外DSP通過interface模塊寫入指定地址的緩沖存儲器的。在HDLC中，可以選用的緩沖存儲器類型有FIFO存儲器、DPRAM存儲器、移位寄存器等。在本設計中，發送數據的存儲使用的FIFO存儲器。使用這種寄存器的優點是：只對一個FIFO入口地址進行操作，簡化FPGA設計。DSP向FPGA寫完數據后，向狀態寄存器寫標志，表示數據發完可以發送。

發送的數據CRC的計算結果附在數據后麗，再經“插零”后附上“7E”標志就可輸出。發送數據子模塊監視著每一個串行移出的數據，當發現數據流中出現5個連“1”時，就輸出控制信號If detect/暫停數據移位，此時子模塊zero insert向數據流插入一個“0”比特。數據發送完畢后，“7E”發送子模塊發出“7E”作為結束標志，同時清除標志位。

FGPA數據接收模塊HDLC_Receiver

HDLC Receiver模塊的主要功能是：接收HDLC數據和時鐘，并用時鐘采樣數據：在接收的數據流中檢測有無“7E”及本機地址標志，如果有則接收數據，當檢測到數據流中有“1F”信號，并后一個數據是“0”時，對數據進行“刪零”操作；對經“刪零”后的數據寫入收FIFO：收到尾“7E”后，置收標志位，向interface模塊發出rx data ready信號，當DSP通過中斷接收到結束標志后，讀入數據，清標志位，檢查CRC校驗值是否正確。

rxhdlc模塊由接收數據子模塊rx data、標志檢測子模塊7e detector、數據刪零子模塊zero delete等組成。對比HDLC receive模塊和HDLC Send模塊，雖然兩者一些子模塊的功能是相逆的，但原理類似，不再重復說明。在HDLC Receiver模塊中采用了FIFO來作為HDLC接收數據緩存器，因此FPGA內部收數據和DSP讀數據通過各自的讀寫口進行。

FPGA中的接收超時判斷功能

當由于意外情況在總線上出現不完整數據時，需對接收數據進行超時判斷，已防止在收到幀頭“7E”后長時間未收到后續數據或尾“7E”時，死等數據，導致錯判，使用的策略是：當收到“7E”及本機地址后，啟動計數器，計數時間長于最長幀一倍左右，如果從計時開始到計時結束未收到“7E”則判超時，重新接收數據：而如果在計時時間內收到“7E”則清零計數器，將數據存入收FIFO。

DSP軟件的內容主要包括send模塊和receive模塊和CRC校驗模塊。

DSP功能

DSP中的功能主要分為HDLC接收，HDLC發送。

DSP中的HDLC接收

Dsp從FPGA接收到完成收標志后，接收數據，然后清FPGA標志位，將接收到的數據進行CRC校驗后解幀，根據數據幀內容完成相關操作。

DSP中的HDLC發送

DSP將數據發送給FPGA，發送結束后，置FPGA發送完成標志位。DSP完成收數后還要進行CRC校驗及解幀等操作，這就要根據具體的協議進行。

具體實現

根據上述設計方法，已成功地實現了HDLC電路的設計。設計輸入在Altera公司的Quartus 8.0版本及CCS 3.0的軟件平臺上進行。首先考慮擬設計的電路需要多少內部存儲器、工作速率多少、對外部處理器的接口有何要求等。根據這些考慮，以電路圖及DSP C語言結合的方法進行設計輸入。對于時序電路，主要采用電路圖輸入的方法。

FPGA芯片選用的是Altera公司的ACEX 1K系列。該系列是Altera公司面向通信和消費類數字產品推出的低功耗、高密度的高性能FpGA集成電路，具有可與ASIC相比擬的價位。DSP使用TI公司TMS320CS416，該芯片集成度高，結構簡單，體積小可靠性高，價格低，可以裝入各種儀器儀表及控制裝置中，易于產品化。設計出的具有HDLC功能的FPGA芯片已應用于導航設備樣機的有線通訊鏈路中。成功實現了雙向數據通信。

結語

基于軟件編程與FPGA來共同實現HDLC協議，方法靈活、速度快。適合于DSP+FPGA的數字硬件平臺的接口設計，實現后可靠有效。