80C152單片機(jī)上HDLC通信規(guī)程中的應(yīng)用

80C152是一種基于MCS-51的高集成度8位微控制器，也是一種通用通信控制器。它既適用于外圍系統(tǒng)或器件的智能管理，也適用于低成本，高速串行通信場合。80C152是80C51的派生產(chǎn)品，保留了80C51的所有功能；增加了新的功能和外圍電路，包括：一種叫做全局串行通道（GSC）的高速多協(xié)議串行通訊接口，兩個(gè)直接存儲(chǔ)器存?。―MA）通道，HOLD/HLDA總線控制，第5、6、7個(gè)I/O口。較大的片內(nèi)RAM容量。因而特別適用于綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）、局域網(wǎng)和用戶定義的串行多機(jī)系統(tǒng)。

1 80C152的主要特性與結(jié)構(gòu)

80C152的主要特性如下：

（1）MCS-51兼容的UART；

（2）多種省電工作方式；

（3）可尋址64K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；

（4）可尋址64K字節(jié)程序存儲(chǔ)器；

（5）兩個(gè)通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器；

（6）多協(xié)議串行通信I/O口（最大2.048Mbps/2.4Mbps），支持CSMA/CD和SDLC/HDLC，用戶定義協(xié)議；

（7）全雙工/半雙工通信；

（8）256字節(jié)片內(nèi)RAM；

（9）兩個(gè)片內(nèi)DMA通道；

（10）保持/響應(yīng)（HOLD/HLDA）總線控制；

（11）7個(gè)I/O口；

（12）58個(gè)SFR；

（13）11個(gè)中斷源，除包含80C51的5個(gè)中斷源外，新增的6個(gè)中斷源用于全局串行通道。

上述（1）～（5）是與80C51相同的特性，（6）～（13）是80C152所特有或比80C51提高的特性。

其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

2 全局串行通道

全局串行通道（GSC）是一個(gè)多協(xié)議、高性能的串行接口，用作通信控制器。GSC接口支持同步數(shù)據(jù)鏈路控制（SDLC）、具有沖突檢測的載波監(jiān)聽多址訪問（CSMA/CD）、用戶客義協(xié)議和高速數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）協(xié)議的子集。GSC功能包括：地址識(shí)別、沖突解決、CRC產(chǎn)生、標(biāo)志產(chǎn)生、自動(dòng)重發(fā)送和硬件應(yīng)答特性。在使用片內(nèi)時(shí)鐘時(shí)可實(shí)現(xiàn)高至2Mbps數(shù)據(jù)速率，在使用外部時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)高至2.4Mbps數(shù)據(jù)速率。在使用串行通道的應(yīng)用中，GSC可實(shí)現(xiàn)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）參考模型中所描述的開放系統(tǒng)互連（OSI）的數(shù)據(jù)鏈數(shù)層和物理鏈路層。

2.1 GSC通道的DMA服務(wù)

有兩種方法來控制GSC：一是CPU控制；二是DMA控制。在用戶軟件處理一些任務(wù)時(shí)（如裝入TFIFO、讀RFIFO、檢查狀態(tài)標(biāo)志、發(fā)送過程一般跟蹤），采用CPU控制。當(dāng)任務(wù)數(shù)據(jù)增加及使用較高的數(shù)據(jù)速率。CPU所需開銷成為主要時(shí)間消耗，最后，會(huì)達(dá)到CPU花費(fèi)100%的時(shí)間去響應(yīng)GSC請求。DMA通道可由用戶軟件設(shè)置為由DMA控制器來處理GSC數(shù)據(jù)傳送。80C152有兩個(gè)DMA通道，一個(gè)通道用于接收，一個(gè)通道用于發(fā)送。使用DMA通道時(shí)，CPU可省去為GSC緩沖器基本服務(wù)所需的時(shí)間。DMA通道可提供的服務(wù)類型為：裝入TFIFO、從RFIFO中移出數(shù)據(jù)、在收發(fā)結(jié)束時(shí)通千CPU和響應(yīng)一定的出錯(cuò)條件。在使用DMA通道時(shí)，準(zhǔn)備串行發(fā)送的數(shù)據(jù)源或目的可以是內(nèi)部存儲(chǔ)器、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或任何SFR。對DMA和GSC寄存器進(jìn)行初始化手的唯一任務(wù)是允許適當(dāng)?shù)刂袛嗖⑼ㄖ狣MA控制器什么時(shí)候啟動(dòng)DMA。在DMA啟動(dòng)后，CPU所需做的事就是響應(yīng)出錯(cuò)條件或等待傳送結(jié)束。80C152專門為GSC數(shù)據(jù)傳送提供了6個(gè)中斷源，它們是：GSCRV（GSC接收正確）、GSCRE（GSC接收出錯(cuò)）、GSCTV（GSC發(fā)送正確）、GSCTE（GSC發(fā)送出錯(cuò)）、DMA0（DMA通道0完成）、DMA1（DMA通道1完成）。

2.2 80152中的DMA

80C152包含兩個(gè)相同的可16位尋址的通用8位DMA通道；DMA0和DMA1。與每個(gè)通道相關(guān)的有7個(gè)SFR。SARLn和SARHn分別保存源地址的低位和高位字節(jié)，合在一起構(gòu)成16位源地址寄存器。DARLn和DARHn分別存儲(chǔ)目的地址的低位和高位字節(jié)，合在一起構(gòu)成16位目的地址寄存器。BCRLn和BCRHn分別保存將被傳送字節(jié)數(shù)據(jù)地址的低位和高位字節(jié)，合在一起成字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器。DCONn包含控制和標(biāo)志位。

對DMA通道的初始化需設(shè)置控制寄存器、源地址和目的地址寄存器。

控制寄存器DCON的裝入值及意義如圖2所示。

DCONn中的DASn（目的地址空間位）和IDAn（目的地址自動(dòng)加1位）用于指出數(shù)據(jù)傳送的物理目的空間。DCONn中的SASn(源地址空間位)和ISAn（源地址自動(dòng)加1位）用于指出數(shù)據(jù)傳送的物理源空間。采用DMA控制器來處理GSC數(shù)據(jù)傳送時(shí)，當(dāng)DMA通道用于接收服務(wù)時(shí)，首先將接收機(jī)傳送來的數(shù)據(jù)自動(dòng)送入到接收緩沖器RFIFO中，其源地址寄存器應(yīng)置成RFIFO地址（SARHN=x x H，SARLN=0F4H）；然后，將接收緩沖器中的數(shù)據(jù)傳送到目的地址指定的物理空間，其可以是外部RAM、內(nèi)部RAM或SFR；最后，對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，并通知CPU是否正確接收到該幀數(shù)據(jù)。當(dāng)DMA通道用于發(fā)送服務(wù)時(shí)，首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到先入先出發(fā)送緩沖器TFIFO中，其目的地址寄存器應(yīng)置成TFIFO地址（DARHN=xxH，DARLN=85H）；然后，將先入先出發(fā)送緩沖器TFIFO中的數(shù)據(jù)傳送給發(fā)射機(jī)；最后，對發(fā)送出去的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，并通知CPU是否正確發(fā)送了該幀數(shù)據(jù)。

DCONn中的DM（請求方式位）和TM（傳送方式位）用于選擇DMA的工作方式。當(dāng)DMA服務(wù)于全局串行通道（GSC）時(shí)，應(yīng)采用串行口請求方式。當(dāng)DCONn中的GO位置1時(shí)，將啟動(dòng)DMA通道工作于全局串行傳輸方式。當(dāng)全局串行口接收或發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，

DCONn中的DONE位被置1，并將該信號(hào)傳送給CPU來產(chǎn)生中斷。

3 HDLC操作

高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制（High Data Link Control）規(guī)程，簡稱HDLC規(guī)程，是面向位的鏈路控制規(guī)程。它與基本型規(guī)程不同，鏈路的監(jiān)控功能是通過一定的位組合所表示的命令和響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，這些命令和響應(yīng)可以與信息報(bào)文一起傳送。HDLC規(guī)程具有透明傳輸、可靠性高、傳輸效率高并具有極大的靈活性等特點(diǎn)。它是由IBM公司開發(fā)的通信協(xié)議，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。它基于主/從結(jié)構(gòu)，要求每個(gè)從部都有唯一的地址。從部只有在允許通信時(shí)才能且只能和主站通信，這就消除了串行線路上由于幾個(gè)從部同時(shí)發(fā)送引起沖突的可能 性。其幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

BOF是HDLC的幀開始標(biāo)志，為01111110。這是HDLC中僅有的兩個(gè)包含連續(xù)6個(gè)1的可能組合之一，另一個(gè)可能的組合是中止符。這是因?yàn)镠DLC采用了一種叫做位插入的過程，每發(fā)現(xiàn)有連續(xù)5個(gè)1時(shí)在下一位自動(dòng)插入一個(gè)0，接收器在收到連續(xù)5個(gè)1之后自動(dòng)刪去插入的0。所有位插入和位刪除操作均由GSC完成。BOF除了標(biāo)志幀的開始，還用作時(shí)鐘同步和決定地址與控制字位置的參考點(diǎn)。

ADDRESS的地址字段，用于表示報(bào)文發(fā)往何站。每個(gè)從站必須有唯一的地址，主站必須知道每個(gè)從站的指定地址。然而有些報(bào)文需要發(fā)往一個(gè)以上的站，這些報(bào)文成為廣播地址或群地址報(bào)文。全1構(gòu)成的地址總是自動(dòng)地被GSC接收，在HDLC中定義為廣播地址。群地址是指適用于一個(gè)以上站的地址，GSC提供了幾個(gè)地址屏蔽位，以使GSC接收群地址。如果需要的話，用戶軟件可以接收所有的地址位，這種屏蔽方式使GSC不加區(qū)分地接收所有地址。

CONTROL是控制段，它用于系統(tǒng)初始化、標(biāo)志幀的序號(hào)，并在報(bào)文發(fā)送完成后通知從站響應(yīng)，對以前發(fā)送幀進(jìn)行應(yīng)答。由于GSC硬件沒有提供控制段的管理功能，用戶軟件擔(dān)負(fù)著控制段的插入、解釋和格式化。尾隨控制段的信息通常用于報(bào)文傳輸、出錯(cuò)報(bào)告和其他各種功能。這些功能由控制段的格式完成，有三種格式可供使用：報(bào)文格式、監(jiān)控格式和無序號(hào)格式。

INFO是報(bào)文段，它包含線路中一個(gè)器件希望發(fā)給另一個(gè)器件的報(bào)文（數(shù)據(jù)），其長度可為用戶所定，但必須是8位的倍數(shù)。報(bào)文段由前面的控制段和后面的CRC為接收站所標(biāo)識(shí)。GSC把接收的位通過CRC發(fā)生器來決定報(bào)文段的末尾。當(dāng)最后一位或EOF收到后，剩下的位組成CRC。

CRC是循環(huán)冗余檢測，是一種普通用于串行通信的錯(cuò)誤檢測方法。

4 系統(tǒng)誤碼率的分析

80C152提供兩種CRC算法：16位和32位算法。在大多數(shù)HDLC應(yīng)用中，16位CRC被使用，支持16位CRC的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

16位CRC發(fā)生器生成的多項(xiàng)式為：

G（X）=X16+X12+X5+1    （1）

CRC工作時(shí)，它把收到的位與現(xiàn)行CRC的位15進(jìn)行異或，放到一個(gè)暫存器中。在CRC右移一位時(shí)，位15和接收位的異或值再與位4和位11進(jìn)行異或。暫存器中的位移入位0中。HDLC所需的CRC長度為16位，接收時(shí)自動(dòng)從幀中除去CRC，它不傳到CPU。然后把最后16位傳往CRC發(fā)生器，以保證留下正確的值。檢驗(yàn)剩下值是否為001110100001111B（1D0FH）。如不匹配，則產(chǎn)生錯(cuò)誤。用戶軟件允許該中斷，從而使CPU可對此進(jìn)行處理。

CRC校驗(yàn)可以檢測長度不大于16的所有突發(fā)錯(cuò)誤、所有奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤和兩個(gè)獨(dú)立錯(cuò)誤，以及其他大量錯(cuò)誤圖樣。其計(jì)算公式如下：

Eerror：數(shù)據(jù)位中最大偶數(shù)位錯(cuò)

Pe：信道誤碼率

根據(jù)上述計(jì)算公式可得，采用全局串行通道（GSC）來實(shí)現(xiàn)HDLC規(guī)程的數(shù)據(jù)傳輸，其系統(tǒng)誤碼率及幀漏檢概率如表1所示。

表1 全局串行通道的系統(tǒng)誤碼率及幀漏檢概率

5 編程應(yīng)用實(shí)例

下面介紹采用DMA控制全局串行通道（GSC）來實(shí)現(xiàn)HDLC規(guī)程的編程方法。在該系統(tǒng)中應(yīng)用兩路DMA通道分別控制數(shù)據(jù)的收、發(fā)，其數(shù)據(jù)收、發(fā)子程序的流程圖如圖5所示。

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，其鏈路層和物理層多數(shù)均采用HDLC規(guī)程。采用80C152單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)HDLC規(guī)程，具有成本低、硬件結(jié)構(gòu)簡單、軟件編程容易等特點(diǎn)，又能夠保證高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，具有廣泛的應(yīng)用前景。