基于NiosII软核的HDLC通信协议的实现

一 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，是面向比特的高级数据链路控制规程，具有强大的差错检测功能和同步传输特点，保证数据的可靠传输[3]。市场上很多专用的HDLC芯片因追求功能的完备，而使芯片的控制变得复杂。实际上对某些特殊的场合，可选择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、使用灵活的控制器。

NiosII系统是Altera公司的SoPC解决方案，它是一个运行在FPGA上的32位RSIC处理器。Altera公司对于NiosII的开发提供了强大的设计开发平台QuartusII、SOPC Builder以及NiosII IDE[2] [4]。这样，硬件电路与外设的连接，NiosII软核的配置，C语言编写与调试可有机地结合起来，大大提高了系统设计的效率，便于系统的更新与升级。

本设计即是采用Altera公司的CYCLONEII芯片ＥＰ2C35-672 FPGA实现基于NiosII的HDLC协议控制系统。在完成通信协议、保证可靠通信的前提下，最终实现主控机与基站终端之间实时、可靠的信息交互与监控管理功能[1]。

　　二 HDLC协议说明[3]

HDLC协议具有以下特点：数据报文可透明传输；全双工通讯；采用窗口机制和捎带应答；采用帧校验序列，并对信息帧进行顺序编号，防止漏收或重收，传输可靠性高；传输控制功能和处理功能分离，应用非常灵活。HDLC执行数据传输控制功能，一般分为3个阶段：数据链路建立阶段、信息帧传送阶段、数据链路释放阶段。

HDLC协议以帧为基本信息单位传输数据，无论是传输数据信息或是控制信息，每个帧都采用统一的帧格式，如图1所示：

图1 HDLC帧格式

1． 标志字段（F）

HDLC协议规定，所有信息的传输必须以一个标志字开始，且以同一个标志字结束，这个标志字就是01111110。接收方可以通过搜索01111110来判断帧的开始和结束，以此建立帧同步。

2． 地址字段（A）

地址字段表示链路上站的地址。地址字段为8位，也可用8的倍数进行扩展，用于标识接收该帧的站地址。

3． 控制字段（C）

控制字段为8位，用来表示帧类型、帧编号以及命令、响应等。由图1知，由于C字段的构成不同，可以把HDLC帧分为三种类型：信息(I)帧、监控(S)帧、无编号(U)帧。在控制字段中，第1位是“0”的为I帧，第1、2位是“10”的为S帧，第1、2位是“11”的为U帧。

4． 信息字段（I）

信息字段内包含了用户的数据信息和来自上层的各种控制信息。在I帧和某些U帧中，具有该字段。HDLC帧的信息长度是可变的，其长度由收发站缓冲器的大小和线路的差错情况决定，但必须是8bit的整数倍。它可传送标志字以外的任意二进制信息。

5．帧校验序列字段（FCS）

帧校验序列用于对帧进行CRC循环冗余校验。在HDLC协议中采用16位循环冗余校验码进行差错控制，其校验范围从地址字段的第1比特到信息字段的最后1比特的序列，并且规定为了透明传输而插入的“0”不在校验范围内。它的生成多项式为g(x)=X16+X12+X5+1。

　　三 系统简介

基站系统往往被安置在比较分散、环境比较恶劣且无人值守的地方，因此它运行的可靠性就显得尤为重要。SOPC的诸多特点满足了此类系统的要求。基于此定位，该系统选用pc机作为监控中心，SOPC片上系统作基站端，它们之间采用HDLC协议来实现可靠通信。监控中心完成建立和断开链路的功能，SOPC基站系统除了接收、执行监控中心发来的命令外，还要完成现场数据的采集控制，并将数据上传至监控中心。

对于通信双方，数据都有发送与接收两个传输方向，即上行数据流和下行数据流。发送数据时，按照HDLC协议，先将数据封装成帧，即加上帧头、地址字段、控制字段、信息字段、CRC校验段、帧尾，当缓冲区有空间时，将成帧数据送交缓冲区待发送，数据帧再经UART送到对方的RS-232接口，数据进入收方的缓冲区，收方则执行与发送相反的操作，即从缓冲区读出数据、对其解帧、CRC校验判断、解码，并按照所提取的信息执行相应操作。完整的系统总框图如图2所示：

图2 系统框图

　　四 基于NiosII的SOPC功能设计

分为硬件设计与软件设计，分别在QuartusII、SOPC Builder和NiosII IDE中完成。

1 硬件设计

(1) 硬件设计结构

硬件设计结构包括RS-232接口、PIO接口、显示模块和自定义CRC校验指令，这些部分都是用NiosII软核来配置的。NiosII作为系统的流程控制中心，其作用是不言而喻的，通过采用SOPC Builder对NiosII进行定制，极大的减少了系统的使用资源。整个系统硬件设计框图如图3所示：

图3 NiosII硬件原理图

（2）NiosII软核配置

利用QuartusII软件中的SOPC Builder，添加处理器、总线、片内RO