基于FPGA器件EPF10K20RC240-3實現HDLC協議控制器的應用方案

1 引言

HDLC(High Level Data Link Control)協議是通信領域中應用最廣泛的協議之一,它是面向比特的高級數據鏈路控制規程,具有差錯檢測功能強大、高效和同步傳輸的特點.目前市場上有很多專用的HDLC芯片,但這些芯片大多因追求功能的完備,而使芯片的控制變得復雜.實際上,對于某些特殊場合的特殊用途(如手持式設備),我們只需選擇HDLC協議中最符合系統要求的部分功能,設計一種功能相對簡單、使用靈活的小型化HDLC協議控制器.另一方面,隨著深亞微米工藝技術的發展,FP-GA(Field Programmable Gate Array)芯片的規模越來越大,其單片邏輯門數已超過上百萬門.同時它還具有設計開發周期短、設計制造成本低、可實時在線檢驗等優點,因此被廣泛用于特殊芯片設計中.本設計中采用Altera公司的FLEX10K芯片EPF10K20RC240-3來實現HDLC協議控制器.

2 HDLC協議簡介

在HDLC 通信方式中,所有信息都是以幀的形式傳送的,HDLC幀格式如表1所列.

(1)標志字 HDLC協議規定,所有信息傳輸必須以一個標志字開始,且以同一個標志字結束,這個標志字是01111110.開始標志到結束標志之間構成一個完整的信息單位,稱為一幀.接收方可以通過搜索01111110來探知幀的開始和結束,以此建立幀同步.在幀與幀之間的空載期,可連續發送標志字來做填充.

(2) 信息段及“0”比特插入技術 HDLC幀的信息長度是可變的,可傳送標志字以外的任意二進制信息.為了確保標志字是獨一無二的,發送方在發送信息時采用“0”比特插入技術,即發送方在發送除標志字符外的所有信息時(包括校驗位),只要遇到連續的5個“1”,就自動插入一個“0”;反之,接收方在接收數據時,只要遇到連續的5個“1”,就自動將其后的“0”刪掉.“0”比特插入和刪除技術也使得HDLC具有良好的傳輸透明性,任何比特代碼都可傳輸.

(3) 地址段及控制段地址字段為8位,也可以8的倍數進行擴展,用于標識接收該幀的棧地址;控制字段為8位,發送方的控制字段用來表示命令和響應的類別和功能. (4) CRC校驗 HDLC采用16位循環冗余校驗碼(CRC-16)進行差錯控制,其生成多項式為 x16+x12+x5+1 HDLC差錯校驗指對整個幀的內容作CRC循環冗余校驗,即對在糾錯范圍內的錯碼進行糾正,對在校錯范圍內的錯碼進行校驗,但不能糾正.標志位和按透明規則插入的所有“0”不在校驗的范圍內.

3 HDLC協議的FPGA實現

基于FPGA實現的HDLC協議控制器包括接收和發送兩個模塊,其總體結構如圖1所示. 發送端先將待發送的并行數據進行并/串轉換,然后由系統自動完成CRC編碼、“0”比特插入和標志字插入,再將處理后的數據按同步串行傳輸方式發送;接收端先接收同步串行數據,然后由系統自動完成標志字的檢測、去“0”及CRC校驗,再將同步串行數據轉換成8位并行方式輸出.整個系統收發端使用同一個全局時鐘.下面分別對關鍵部分進行介紹.

3.1 并/串及串/并轉換模塊

數據發送時,為了平滑處理機和HDLC協議控制器之間的數據傳輸速率,發送端配有一個25×8的FIFO作為兩者的接口模塊,該模塊可將數據總線送入的并行數據轉換成串行數據輸出.同樣,接收端也配有一接收FIFO,可將接收到的數據進行串并轉換并送入數據總線.

3.2 CRC校驗

HDLC協議使用循環冗余校驗,在發送端對信息進行CRC編碼,其生成多項式為 g(x)=x16+x12+x5+1 CRC校驗模塊實際為根據生成多項式所設計的編碼電路.根據循環系統碼編碼原理,該編碼電路實際上是乘x16除g(x)的電路,其示意圖如圖2所示.電路的工作過程如下:

(1)16級移位寄存器的初始狀態全清零,門1開、門2關,然后進行移位.信息位移入編碼電路后,一方面經或門輸出,一方面則自動乘以x16后進入除g(x)除法電路,從而完成乘x16除g(x)的功能;

(2)信息位全部移入編碼電路后除法完成,此時16位移位寄存器中的內容就是除法的余式的系數,即校驗元;

(3)門1關、門2開,再經過16次移位后,把移位寄存器的校驗元全部輸出;

(4)門1開、門2關,送入第二組信息組重復上述過程. CRC編碼器的核心VHDL源代碼如下:......

D0 <=din xor D(15);

for i in 0 to 3 loop

D(i+1)<=D(i)

end loop;

D(5)<=D(4) xor D(15) xor din;

for i in 5 to 10 loop;

D(i+1)<=D(i);

end loop;

D(12)<=D(11) xor D(15) xor din;

for i in 12 to 14 loop

D(i+1)<=D(i);

end loop;

......

發送端通過上述的CRC編碼電路產生16比特的校驗位.接收方通過CRC譯碼檢驗該幀信息是否傳送出錯.在滿足系統要求的情況下,CRC譯碼只檢錯,不糾錯.其功能示意圖如圖3所示. 輸入信息通過16比特的移位寄存器后,一路作為數據信息輸出,另一路流入CRC編碼器對信息進行編碼,并產生16比特校驗位.當信息位全部移出后,16比特移位寄存器中的信息即為發送端發送的16位CRC校驗位,CRC編碼器(16Bit)的內容為接收到的信息根據生成多項式g(x)所生成的16比特校驗碼.然后將兩個寄存器進行比較,如果內容相同,說明信息傳送正確;否則報錯,丟棄該幀. 3.3 “0”比特插入及刪除模塊發送端信息經CRC編碼后,要進行插“0”操作,即遇到連續的5個“1”時在其后插入一個“0”;同樣,接收端同步建立后提取出的信息要去“0”,即遇到連續的5個“1”時要將其后的“0”去掉. 去“0”模塊的VHDL代碼如下:......

if din=“1” then

if cnt=5 then

cnt:=0;

end if;

cnt:=cnt+1;

else

cnt:=0;

end if;

if cnt=5 then

zero del<=′0′;

else

zero del<=′1′;