HDLC控制协议的FPGA设计与实现

1 引言

HDLC(High Level Data Link Control)协议是通信领域中应用最广泛的协议之一,它是面向比特的高级数据链路控制规程,具有差错检测功能强大、高效和同步传输的特点.目前市场上有很多专用的HDLC芯片,但这些芯片大多因追求功能的完备,而使芯片的控制变得复杂.实际上,对于某些特殊场合的特殊用途(如手持式设备),我们只需选择HDLC协议中最符合系统要求的部分功能,设计一种功能相对简单、使用灵活的小型化HDLC协议控制器.另一方面,随着深亚微米工艺技术的发展,FP-GA(Field Programmable Gate Array)芯片的规模越来越大,其单片逻辑门数已超过上百万门.同时它还具有设计开发周期短、设计制造成本低、可实时在线检验等优点,因此被广泛用于特殊芯片设计中.本设计中采用Altera公司的FLEX10K芯片EPF10K20RC240-3来实现HDLC协议控制器.

2 HDLC协议简介

在HDLC 通信方式中,所有信息都是以帧的形式传送的,HDLC帧格式如表1所列.

表1 HDLC帧格式示意图

标志字	地址段	控制段	信息段	CRC校验	标志字
01111110	8bit/16bit	8bit/16bit	可变长度	16bit	01111110

(1)标志字 HDLC协议规定,所有信息传输必须以一个标志字开始,且以同一个标志字结束,这个标志字是01111110.开始标志到结束标志之间构成一个完整的信息单位,称为一帧.接收方可以通过搜索01111110来探知帧的开始和结束,以此建立帧同步.在帧与帧之间的空载期,可连续发送标志字来做填充.

(2) 信息段及“0”比特插入技术 HDLC帧的信息长度是可变的,可传送标志字以外的任意二进制信息.为了确保标志字是独一无二的,发送方在发送信息时采用“0”比特插入技术,即发送方在发送除标志字符外的所有信息时(包括校验位),只要遇到连续的5个“1”,就自动插入一个“0”;反之,接收方在接收数据时,只要遇到连续的5个“1”,就自动将其后的“0”删掉.“0”比特插入和删除技术也使得HDLC具有良好的传输透明性,任何比特代码都可传输.



(3) 地址段及控制段地址字段为8位,也可以8的倍数进行扩展,用于标识接收该帧的栈地址;控制字段为8位,发送方的控制字段用来表示命令和响应的类别和功能. (4) CRC校验 HDLC采用16位循环冗余校验码(CRC-16)进行差错控制,其生成多项式为 x16+x12+x5+1 HDLC差错校验指对整个帧的内容作CRC循环冗余校验,即对在纠错范围内的错码进行纠正,对在校错范围内的错码进行校验,但不能纠正.标志位和按透明规则插入的所有“0”不在校验的范围内.

3 HDLC协议的FPGA实现

基于FPGA实现的HDLC协议控制器包括接收和发送两个模块,其总体结构如图1所示. 发送端先将待发送的并行数据进行并/串转换,然后由系统自动完成CRC编码、“0”比特插入和标志字插入,再将处理后的数据按同步串行传输方式发送;接收端先接收同步串行数据,然后由系统自动完成标志字的检测、去“0”及CRC校验,再将同步串行数据转换成8位并行方式输出.整个系统收发端使用同一个全局时钟.下面分别对关键部分进行介绍.



3.1 并/串及串/并转换模块

数据发送时,为了平滑处理机和HDLC协议控制器之间的数据传输速率,发送端配有一个25×8的FIFO作为两者的接口模块,该模块可将数据总线送入的并行数据转换成串行数据输出.同样,接收端也配有一接收FIFO,可将接收到的数据进行串并转换并送入数据总线.

3.2 CRC校验

HDLC协议使用循环冗余校验,在发送端对信息进行CRC编码,其生成多项式为 g(x)=x16+x12+x5+1 CRC校验模块实际为根据生成多项式所设计的编码电路.根据循环系统码编码原理,该编码电路实际上是乘x16除g(x)的电路,其示意图如图2所示.电路的工作过程如下:

(1)16级移位寄存器的初始状态全清零,门1开、门2关,然后进行移位.信息位移入编码电路后,一方面经或门输出,一方面则自动乘以x16后进入除g(x)除法电路,从而完成乘x16除g(x)的功能;

(2)信息位全部移入编码电路后除法完成,此时16位移位寄存器中的内容就是除法的余式的系数,即校验元;

(3)门1关、门2开,再经过16次移位后,把移位寄存器的校验元全部输出;

(4)门1开、门2关,送入第二组信息组重复上述过程. CRC编码器的核心VHDL源代码如下:......
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;
......



发送端通过上述的CRC编码电路产生16比特的校验位.接收方通过CRC译码检验该帧信息是否传送出错.在满足系统要求的情况下,CRC译码只检错,不纠错.其功能示意图如图3所示. 输入信息通过16比特的移位寄存器后,一路作为数据信息输出,另一路流入CRC编码器对信息进行编码,并产生16比特校验位.当信息位全部移出后,16比特移位寄存器中的信息即为发送端发送的16位CRC校验位,CRC编码器(16Bit)的内容为接收到的信息根据生成多项式g(x)所生成的16比特校验码.然后将两个寄存器进行比较,如果内容相同,说明信息传送正确;否则报错,丢弃该帧. 3.3 “0”比特插入及删除模块发送端信息经CRC编码后,要进行插“0”操作,即遇到连续的5个“1”时在其后插入一个“0”;同样,接收端同步建立后提取出的信息要去“0”,即遇到连续的5个“1”时要将其后的“0”去掉. 去“0”模块的VHDL代码如下:......

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′;
end if;
......



去“0”模块的功能仿真波形如图4所示,其中din是提取同步后的信息,clk是信息时钟,dout是去“0”后的信息,clk out是去“0”操作后的信息时钟.从图4中可看出,去“0”前的信息为“1111101”,通过去“0”操作后,信息为“111111”,将5个“1”后的“0”去掉了.

4 结束语

本文提出了一种基于FPGA的HDLC协议控制器设计方案,并利用Altera公司的FLEX10K芯片EPF10K20RC240-3来实现,占该芯片内部单元的70%左右.实践表明,该协议控制器操作简单、使用灵活,能够很好地应用于各种小型通信设备.

本系统的硬件实现采用VHDL设计,通过建立VHDL行为模型和进行VHDL行为仿真,可以及早发现设计中潜在的问题,缩短了设计周期,提高了设计的可靠性和效率.