基于FPGA的高速同步HDLC通信控制器設(shè)計(jì)

摘要：高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制HDLC協(xié)議是一種面向比特的鏈路層協(xié)議，具有同步傳輸數(shù)據(jù)、冗余度低等特點(diǎn)，是在通信領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的鏈路層協(xié)議之一。提出實(shí)現(xiàn)HDLC通信協(xié)議的主要模塊——CRC校驗(yàn)?zāi)K及‘0’比特插入模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)方法。CRC校驗(yàn)?zāi)K采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方，而‘0’比特插入模塊是利用FIFO實(shí)現(xiàn)，為HDLC通信控制器的設(shè)計(jì)提供新的思路。該方法已在Spartan3s400開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，并能正確傳輸。
關(guān)鍵詞：HDLC協(xié)議；CRC校驗(yàn)；‘0’比特插入；FPGA

高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制HDLC(High-level Data Link Control)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器件和軟件編程等。HDLC的ASIC芯片使用簡(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)，器件生產(chǎn)商都還有各自的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)HDLC的CRC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)器或其他電
路，ASIC的簡(jiǎn)單易用性就被抵銷(xiāo)掉了。
FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，屬于超大規(guī)模集成電路，具有豐富的系統(tǒng)門(mén)、邏輯單元、塊RAM和IO引腳等硬件資源。由于FPGA具有重裝載功能，可以在其內(nèi)部靈活實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字電路設(shè)計(jì)，甚至可以動(dòng)態(tài)改變其內(nèi)部設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)不同的功能。
因此，采用FPGA實(shí)現(xiàn)HDLC是一種可行的方法。HDLC通信控制器主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)、‘0’比特插入和加幀頭幀尾操作。

1 “0”比特插入模塊
HDLC規(guī)程規(guī)定信息的傳送以幀為單位，每一幀的基本格式如圖1所示。

HDLC規(guī)程指定采用8 bit的01111110為標(biāo)志序列，稱(chēng)為F標(biāo)志。用于幀同步，表示1幀的開(kāi)始和結(jié)束，相鄰2幀之間的F，既可作為上一幀的結(jié)束，又可作為下一幀的開(kāi)始。標(biāo)志序列也可以作為幀間填充字符，因而在數(shù)據(jù)鏈路上的各個(gè)數(shù)據(jù)站都要不斷搜索F標(biāo)志，以判斷幀的開(kāi)始和結(jié)束。
由于HDLC具有固定的幀格式，以7EH為幀頭和幀尾，為了保證透明傳輸，即只有幀頭和幀尾出現(xiàn)連續(xù)的6個(gè)‘l’，其他地方不允許有連續(xù)5個(gè)以上的‘l’出現(xiàn)，否則就要進(jìn)行‘0’比特插入，即只要遇到連續(xù)5個(gè)‘1’，就在其后插入1個(gè)‘O’。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量的大小可采用以下2種思路實(shí)現(xiàn)‘0’比特插入操作。
1．1 遇‘O’緩沖實(shí)現(xiàn)法
由于數(shù)據(jù)中出現(xiàn)多少個(gè)連續(xù)的‘1’是不可控的，故最終插入‘0’的個(gè)數(shù)也是不可控的。例如要發(fā)送的“有效數(shù)據(jù)”(包含地址字段、控制字段、信息字段、幀校驗(yàn)字段)為320 bit，則最多會(huì)插入64個(gè)‘0’。數(shù)據(jù)是串行輸入，每插入1個(gè)‘0’，則數(shù)據(jù)由5位變成6位，則插‘0’后要輸入的數(shù)據(jù)就被“積壓”來(lái)，插入的‘0’越多，“積壓”的數(shù)據(jù)就越多。如果采用文獻(xiàn)中的插‘0’方法，簡(jiǎn)單的將‘O’插入，將會(huì)丟失1位數(shù)據(jù)，設(shè)置1個(gè)64位的緩沖，每插入1個(gè)‘0’就把后面數(shù)據(jù)做為1位延時(shí)，插‘0’后在把已經(jīng)延時(shí)1個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)加進(jìn)來(lái)，就保證不丟失數(shù)據(jù)。實(shí)際利用VHDL語(yǔ)言編譯時(shí)，其VHDL代碼為：

上述VHDL的思路：矢量a的第64位到第l位分別為datain延時(shí)64個(gè)時(shí)鐘周期的串行數(shù)據(jù)到延時(shí)1個(gè)時(shí)鐘周期的串行數(shù)據(jù)，i的初始數(shù)據(jù)為O，每遇到連續(xù)5個(gè)‘1’，插入1個(gè)‘0’后，dataout輸出為datain延時(shí)i個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)。這樣就做到了不丟失數(shù)據(jù)。圖2是利用ISE 9．1i仿真的波形圖。

由圖2可看到插‘0’操作后，數(shù)據(jù)比未插‘0’前變長(zhǎng)了，而且變長(zhǎng)了多少位是由數(shù)據(jù)內(nèi)容決定的。