HDLC的FPGA實(shí)現(xiàn)方法

　　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)，最大邏輯門數(shù)為10萬(wàn)門；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，只要改用更大容量的FPGA芯片，就可以將類似于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