HDLC的FPGA實(shí)現(xiàn)方法

　1 引言

　　HDLC（High-level Data Link Control Procedures, 高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程）廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，是確保數(shù)據(jù)信息可靠互通的重要技術(shù)。實(shí)施HDLC的一般方法通常是采用ASIC（Application Specific Integrated Circuit，特定用途集成電路） 器件和軟件編程等。

　　HDLC的ASIC芯片有Motorola公司的MC92460、ST公司的MK5025、Zarlink公司的MT8952B等。這些集成電路使用簡(jiǎn)易，功能針對(duì)性強(qiáng)，性能可靠，適合應(yīng)用于特定用途的大批量產(chǎn)品中。但由于HDLC標(biāo)準(zhǔn)的文本較多，ASIC芯片出于專(zhuān)用性的目的難以通用于不同版本，缺乏應(yīng)用靈活性。例如CCITT、ANSI、ISO/IEC等都有各種版本的HDLC標(biāo)準(zhǔn)，有的芯片公司還有自己的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)HDLC的CRC（Cyclical Redundancy Check，循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）序列生成多項(xiàng)式等有不同的規(guī)定。況且，專(zhuān)用于HDLC的ASIC芯片其片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量有限，通常只有不多字節(jié)的FIFO（先進(jìn)先出存儲(chǔ)器）可用。對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，當(dāng)需要擴(kuò)大數(shù)據(jù)緩存的容量時(shí)，只能對(duì)ASIC芯片再外接存儲(chǔ)器或其它電路，ASIC的簡(jiǎn)單易用性就被抵銷(xiāo)掉了。 HDLC的軟件編程方法功能靈活，通過(guò)修改程序就可以適用于不同的HDLC應(yīng)用。但程序運(yùn)行占用處理器資源多，執(zhí)行速度慢，對(duì)信號(hào)的時(shí)延和同步性不易預(yù)測(cè)。對(duì)于多路信號(hào)的HDLC應(yīng)用，處理器的資源占用率與處理路數(shù)成正比，所以軟件HDLC一般只能用于個(gè)別路數(shù)的低速信號(hào)處理。

　　FPGA（Field Programmable Gate Array, 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）采用硬件技術(shù)處理信號(hào)，又可以通過(guò)軟件反復(fù)編程使用，能夠兼顧速度和靈活性，并能并行處理多路信號(hào)，實(shí)時(shí)性能能夠預(yù)測(cè)和仿真。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(yōu)點(diǎn)。目前FPGA單片所含的邏輯門(mén)和片上存儲(chǔ)器的容量越做越大，百萬(wàn)門(mén)級(jí)的可編程邏輯芯片已成為尋常產(chǎn)品。在中小批量通信產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，用FPGA實(shí)現(xiàn)HDLC功能是一種值得采用的方法。正是有鑒于此，Innocor、Xilinx等公司推出了能在FPGA中實(shí)現(xiàn)HDLC功能的IP Core（Intellectual Property Core，知識(shí)產(chǎn)權(quán)核），但這些IP Core需要付費(fèi)購(gòu)買(mǎi)許可（License）才能使用，且在應(yīng)用中受到各種限制。
      從HDLC的基本定義出發(fā)，通過(guò)對(duì)FPGA設(shè)計(jì)輸入的模塊化描述，介紹一種能夠在可編程邏輯芯片中實(shí)現(xiàn)HDLC功能的方法。

　　2 HDLC的幀結(jié)構(gòu)和CRC校驗(yàn)

　　HDLC規(guī)程主要由幀結(jié)構(gòu)、規(guī)程要素、規(guī)程類(lèi)別三個(gè)部分組成[1]。為了使FPGA的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)HDLC的基本功能并能按照各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定靈活采用不同的CRC校驗(yàn)算法，首先回顧一下HDLC基本的幀結(jié)構(gòu)形式。

　　HDLC是面向比特的鏈路控制規(guī)程，其鏈路監(jiān)控功能通過(guò)一定的比特組合所表示的命令和響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些監(jiān)控比特和信息比特一起以幀的形式傳送。

　　以下是ISO/IEC 3309標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的HDLC的基本幀結(jié)構(gòu)。

　　其它的HDLC標(biāo)準(zhǔn)也有類(lèi)似的幀結(jié)構(gòu)。每幀的起始和結(jié)束以7E（01111110）做標(biāo)志，兩個(gè)7E之間為數(shù)據(jù)段（含地址數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)）和幀校驗(yàn)序列。幀校驗(yàn)采用CRC算法，對(duì)除了插入的零以外的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。為了避免將數(shù)據(jù)中的7E誤為標(biāo)志，在發(fā)送端和接收端要相應(yīng)地對(duì)數(shù)據(jù)流和幀校驗(yàn)序列進(jìn)行插零及刪零操作。

　　各種HDLC間的區(qū)別之一是幀校驗(yàn)序列的CRC算法不同，這種不同表現(xiàn)在幾個(gè)方面：

　　a. 幀校驗(yàn)序列的位數(shù)不同，如16位和32位等。

　　b. CRC生成多項(xiàng)式不同，如對(duì)于16位的CRC，CCITT V.41標(biāo)準(zhǔn)的多項(xiàng)式是x16 + x12 + x5 + 1，ANSI CRC-16標(biāo)準(zhǔn)的多項(xiàng)式是x16 + x15 + x2 + 1等。

　　c. CRC序列的初始化條件不同，如可以初始化為全0、全1等。

　　d. CRC計(jì)算結(jié)果的處理方式不同，如可以直接把CRC結(jié)果發(fā)送，或?qū)RC結(jié)果取反后再發(fā)送等。

　　e. 對(duì)接收到的數(shù)據(jù)做CRC校驗(yàn)時(shí)，合格判據(jù)不同。因?yàn)橛辛松鲜龅牟煌幚?，自然?huì)得到不同的結(jié)果，由此造成合格判據(jù)不同。例如有的標(biāo)準(zhǔn)以校驗(yàn)結(jié)果1D0F判為無(wú)錯(cuò)誤[2]。而有的ASIC芯片以校驗(yàn)結(jié)果F0B8判為無(wú)錯(cuò)誤[3]。

　　顯然，對(duì)于這些應(yīng)用，可編程邏輯芯片正可以發(fā)揮自己的特長(zhǎng)。

　　3 用FPGA實(shí)現(xiàn)HDLC功能的原理框圖

　　對(duì)FPGA器件進(jìn)行功能設(shè)計(jì)一般采用的是Top to Down（從頂?shù)降祝┑姆椒ǎ嗉锤鶕?jù)要求的功能先設(shè)計(jì)出頂層的原理框圖，該圖通常由若干個(gè)功能模塊組成。再把各個(gè)模塊細(xì)化為子模塊，對(duì)較復(fù)雜的設(shè)計(jì)還可把各子模塊分成一層層的下級(jí)子模塊，各層的功能可以用硬件描述語(yǔ)言或電路圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　圖2即為一個(gè)典型的單路雙向HDLC電路的頂層電原理圖設(shè)計(jì)實(shí)例。

　　從圖中可以看出，該電路由接口模塊interface、HDLC數(shù)據(jù)發(fā)送模塊transmitter和HDLC

　　數(shù)據(jù)接收模塊receiver三部分組成。當(dāng)需要多路HDLC收發(fā)器時(shí)，可將若干個(gè)transmitter模塊和receiver模塊組合使用。以下分別對(duì)這幾個(gè)模塊做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

　　圖2

　　3.1 接口模塊interface

　　interface模塊的主要功能是：向FPGA提供時(shí)鐘；通過(guò)數(shù)據(jù)、地址總線(xiàn)和讀寫(xiě)信號(hào)向FPGA讀寫(xiě)并行數(shù)據(jù)；產(chǎn)生和處理中斷信號(hào)。

　　在本例中，時(shí)鐘是24.576MHz。時(shí)鐘的頻率越高，就可以處理更高速的數(shù)據(jù)信號(hào)，但相應(yīng)的芯片功耗和價(jià)格要高一些。時(shí)鐘頻率還和HDLC的數(shù)據(jù)收發(fā)速率有關(guān)，一般選時(shí)鐘頻率正好是HDLC數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍，以便簡(jiǎn)化HDLC 收發(fā)器定時(shí)電路的設(shè)計(jì)。

　　數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度取決于所使用的外部CPU類(lèi)型。由于目前較多使用的是16位的單片處理器，因此這里采用16位的數(shù)據(jù)總線(xiàn)cpu_data[15..0]。當(dāng)然也可以根據(jù)需要采用8位或32位的數(shù)據(jù)總線(xiàn)。

　　地址總線(xiàn)的寬度主要取決于HDLC所需要的數(shù)據(jù)緩存區(qū)的大小。例如，設(shè)計(jì)16路雙向HDLC收發(fā)器，每個(gè)收發(fā)器要緩存256字節(jié)的數(shù)據(jù)，在使用16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)時(shí)可求得地址總線(xiàn)的寬度至少應(yīng)有12位。由于外部CPU要對(duì)FPGA實(shí)施一些控制功能，F(xiàn)PGA中還要考慮留出一定的地址來(lái)安排命令寄存器和狀態(tài)寄存器，所以實(shí)際所需的地址總線(xiàn)還要再寬一些。如果HDLC的路數(shù)很多，緩存器又定得很大，F(xiàn)PGA內(nèi)部的地址寬度會(huì)超過(guò)外部CPU可提供的地址寬度，這時(shí)可以向FPGA的特定寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)鎖存后作為內(nèi)部地址來(lái)擴(kuò)展地址總線(xiàn)。

　　對(duì)于外部CPU來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA可以看成是一個(gè)普通芯片，通過(guò)片選CS/、讀寫(xiě)信號(hào)RD/和WR/，就可以選中FPGA并對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　當(dāng)FPGA需要向CPU傳遞信息時(shí)，中斷信號(hào)輸出端interrupt/ 變?yōu)榈碗娖?，CPU響應(yīng)后可到FPGA中的狀態(tài)寄存器去讀取詳細(xì)的中斷信息并做出相應(yīng)的處理。

　　3.2 HDLC數(shù)據(jù)發(fā)送模塊transmitter

　　transmitter模塊的主要功能是：對(duì)本路HDLC數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘tx_clk整形后產(chǎn)生內(nèi)部發(fā)送時(shí)鐘inter_tx_clk, 產(chǎn)生鎖相于inter_tx_clk的FPGA工作時(shí)鐘tx_op_clk；鎖存外部CPU寫(xiě)入的發(fā)送數(shù)據(jù)并按指定時(shí)序啟動(dòng)發(fā)送；在發(fā)送數(shù)據(jù)段前加上7E起始標(biāo)志；對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)逐位做CRC計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果附在發(fā)送數(shù)據(jù)之后；對(duì)包括CRC計(jì)算值在內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行插零操作并附上7E結(jié)束標(biāo)志把結(jié)果輸出。

　　transmitter模塊由發(fā)送定時(shí)子模塊tx_timer、發(fā)送數(shù)據(jù)子模塊tx_data、標(biāo)志發(fā)生器子模塊7e_generator、發(fā)送CRC計(jì)算子模塊tx_crc、數(shù)據(jù)插零子模塊zero_insert等組成，見(jiàn)圖3。

　　HDLC的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘tx_clk由外部電路提供（在必要時(shí)也可把這些外部電路綜合進(jìn)同一片F(xiàn)PGA），工作時(shí)鐘op_clk的頻率比數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘高出幾倍并鎖相于數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘，能以高于比特發(fā)送的速度執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)的操作。

　　圖3

　　待發(fā)送數(shù)據(jù)是由外部CPU通過(guò)interface模塊寫(xiě)入指定地址的緩沖存儲(chǔ)器的。在HDLC中，可以選用的緩沖存儲(chǔ)器類(lèi)型有FIFO（先進(jìn)先出）存儲(chǔ)器、DPRAM（雙端口RAM）存儲(chǔ)器、移位寄存器等。在本設(shè)計(jì)中，發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)使用的是數(shù)據(jù)鎖存移位寄存器。使用這種寄存器的優(yōu)點(diǎn)是：寫(xiě)入的待發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存后，可在任何時(shí)候（包括正在發(fā)送時(shí)）對(duì)數(shù)據(jù)的任何部分讀出檢查，并且數(shù)據(jù)可直接串行移位做CRC計(jì)算，簡(jiǎn)化FPGA設(shè)計(jì)。這種寄存器由數(shù)據(jù)鎖存器和串行移位寄存器兩部分組成，占用芯片資源較多，但對(duì)于有大量片上存儲(chǔ)器可用的FPGA 芯片來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)是不成問(wèn)題的。

　　7E標(biāo)志加在發(fā)送數(shù)據(jù)段的前后，其時(shí)序由tx_timer確定。在發(fā)送啟動(dòng)時(shí)，先發(fā)7E再發(fā)數(shù)據(jù)。

　　發(fā)送CRC計(jì)算子模塊tx_crc由16個(gè)帶賦能端e的D觸發(fā)器組成，其電路圖見(jiàn)圖4，可用來(lái)按照x16 + x12 + x5 + 1的生成多項(xiàng)式進(jìn)行16位CRC計(jì)算。該電路的原理可參看數(shù)據(jù)通信教科書(shū)，此處不再贅述，僅說(shuō)明幾點(diǎn)：

　　a. 如果要改變CRC的位數(shù)，只要改變D觸發(fā)器的數(shù)量。

　　b. 如果要改變CRC生成多項(xiàng)式，僅需將多項(xiàng)式中非零系數(shù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)的D觸發(fā)器的輸出與d1信號(hào)異或后送至下一個(gè)D觸發(fā)器的輸入。

　　c. 通過(guò)給D觸發(fā)器的PRN端或CLRN端置0，就可改變CRC計(jì)算的初始值。

　　這個(gè)例子可說(shuō)明用FPGA設(shè)計(jì)的CRC電路具有極大的靈活性。

　　圖4

　　發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)CRC計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果附在數(shù)據(jù)后面，再經(jīng)插零后附上7E標(biāo)志就可輸出。插零操作由子模塊zero_insert完成。子模塊tx_data監(jiān)視著每一個(gè)串行移出的數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)五?quot;1時(shí)，就輸出控制信號(hào)1f_detect/ 暫停數(shù)據(jù)移位，此時(shí)子模塊zero_insert向數(shù)據(jù)流插入一個(gè)0比特。

　　子模塊tx_data中存儲(chǔ)著待發(fā)送數(shù)據(jù)的比特長(zhǎng)度值，并隨時(shí)和已發(fā)送數(shù)據(jù)的比特長(zhǎng)度值比較。當(dāng)出現(xiàn)兩者相等的情況時(shí)，判定為數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，子模塊tx_crc停止CRC計(jì)算并把計(jì)算結(jié)果輸出。再經(jīng)過(guò)16個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)鐘后，子模塊7e_generator發(fā)出7E作為結(jié)束標(biāo)志，同時(shí)向接口模塊interface發(fā)出tx_data_empty信號(hào)表示數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。

　　3.3 HDLC數(shù)據(jù)接收模塊receiver

　　receiver模塊的主要功能是：產(chǎn)生與本路HDLC接收數(shù)據(jù)時(shí)鐘同步的FPGA工作時(shí)鐘；在接收的數(shù)據(jù)流中檢測(cè)有無(wú)7E標(biāo)志；當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)流中有1F信號(hào)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪零操作；對(duì)經(jīng)刪零后的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)；把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換并存入雙端口RAM；當(dāng)接收到結(jié)束標(biāo)志后，檢查CRC校驗(yàn)值是否正確，向interface模塊發(fā)出rx_data_ready信號(hào)。

　　receiver模塊由接收定時(shí)子模塊rx_timer、接收數(shù)據(jù)子模塊rx_data、標(biāo)志檢測(cè)子模塊7e_detector、數(shù)據(jù)刪零子模塊zero_delete、接收CRC校驗(yàn)子模塊 rx_crc等組成，見(jiàn)圖5。

　　對(duì)比receiver模塊和transmitter模塊，雖然兩者一些子模塊的功能是相逆的，但其原理是類(lèi)似的，因此不再重復(fù)說(shuō)明。

　　在receiver模塊中采用了雙端口RAM來(lái)作為HDLC接收數(shù)據(jù)緩存器，因此FPGA內(nèi)部向雙端口RAM寫(xiě)入數(shù)據(jù)和FPGA外部向雙端口RAM讀出數(shù)據(jù)可以分別通過(guò)兩個(gè)端口獨(dú)立的數(shù)據(jù)地址總線(xiàn)同時(shí)進(jìn)行。

圖5

　　限于篇幅，以上所述僅為設(shè)計(jì)HDLC電路的大致框架，許多細(xì)節(jié)已被省略了。

　　4 應(yīng)用實(shí)例

　　根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，已成功地在可編程邏輯芯片上實(shí)現(xiàn)了多路HDLC的設(shè)計(jì)。

　　設(shè)計(jì)輸入在Altera公司的MAX+plus II[4] 10.0版本的軟件平臺(tái)上進(jìn)行。首先考慮擬設(shè)計(jì)的電路有多少路HDLC收發(fā)器、需要多少內(nèi)部存儲(chǔ)器、工作速率多少、對(duì)外部處理器的接口有何要求等。根據(jù)這些考慮，以電路圖和AHDL語(yǔ)言結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入。對(duì)于時(shí)序電路，主要采用電路圖輸入的方法；對(duì)于地址譯碼等功能電路，采用AHDL語(yǔ)言描述；對(duì)于存儲(chǔ)器、鎖存器及移位寄存器等，盡量采用MAX+plus II中LPM（參數(shù)化模塊庫(kù)）提供的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。全部設(shè)計(jì)輸入完成后，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行編譯、仿真。在波形仿真器內(nèi)給定輸入信號(hào)，檢查輸出的波形是否符合設(shè)計(jì)預(yù)期。反復(fù)多次進(jìn)行修改，確認(rèn)無(wú)誤后可將設(shè)計(jì)結(jié)果下載到FPGA芯片。

　　FPGA芯片選用的是Altera公司的ACEX 1K系列[5]。該系列是Altera公司面向通信和消費(fèi)類(lèi)數(shù)字產(chǎn)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(jià)位。ACEX 1K系列器件內(nèi)部采用基于LUT的架構(gòu)，最大邏輯門(mén)數(shù)為10萬(wàn)門(mén)；可提供的片內(nèi)存儲(chǔ)器最大為49152比特；最小時(shí)延僅數(shù)納秒，實(shí)際電路總時(shí)延在數(shù)十納秒左右；能夠滿(mǎn)足一般HDLC的要求。ACEX 1K系列FPGA器件工作電壓為2.5伏，I/O接口電壓可選為2.5伏或3.3伏，配置芯片可選Altera公司的EPC1型。

　　設(shè)計(jì)出的具有多路HDLC功能的FPGA芯片已應(yīng)用于船舶AIS（Automatic Identification System，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）樣機(jī)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信鏈路中，成功實(shí)現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)通信。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　FPGA提供了一種取代ASIC芯片的選擇，以上所述僅是用FPGA實(shí)現(xiàn)HDLC功能的一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。在通信產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，如果原已使用了可編程邏輯芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)某些功能的話(huà)，只要改用更大容量的FPGA芯片，就可以將類(lèi)似于HDLC這樣的功能都集成進(jìn)去。如使用Altera 公司的Quartus II軟件來(lái)進(jìn)行同類(lèi)設(shè)計(jì)，則功能更強(qiáng)大，更能支持Top to Down的設(shè)計(jì)方法，并且支持Cyclone等大規(guī)模FPGA芯片。此外，Xilinx公司新推出90納米工藝的Spartan-3系列低成本FPGA芯片，也可作為取代ASIC的一種選擇。顯然，F(xiàn)PGA在通信技術(shù)中的應(yīng)用十分值得重視，并正受到越來(lái)越多的關(guān)注。（2003.11）

　　參考文獻(xiàn)

　　1 張德民. 數(shù)據(jù)通信，P.194. 北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1997.8

　　2 ISO/IEC 3309: Information technology-Telecommunications and information exchange between systems-High-level data link control (HDLC) procedures-Frame structure, P.4. Switzerland: International Electrotechnical Commission, Jun 2002

　　3 Zarlink Semiconductor. MT8952B HDLC Protocol Controller, P.3-64. March 1997

　　4 Altera Corporation. MAX+plus II, Version 10.0, Sep 2000

　　5 Altera Corporation. ACEX 1K Programmable Logic Family Data Sheet, Altera Digital Library，Version 3，2001