基于DSP与FPGA实现的HDLC系统

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引言
HDLC(高级数据链路控制)广泛应用于数据通信领域，是确保数据信息可靠互通的重要技术。实施HDLC的一般方法通常是采用ASIC器件或软件编程等。
HDLC的ASIC芯片使用简易，功能针对性强，性能可靠，适合应用于特定用途的大批量产品中。但由于HDLC标准的文本较多，ASIC芯片出于专用性的目的难以通用于不同版本，缺乏应用灵活性。有的芯片公司还有自己的标准，对HDLC的CRC(循环冗余码校验)序列生成多项式等有不同的规定。专用于HDLC的ASIC芯片其片内数据存储器容量有限，通常只有不多字节的FIFO(先进先出存储器)可用。对于某些应用来说，当需要扩大数据缓存的容量时，只能对ASIC再外接存储器或其他电路，ASIC的简单易用性就被抵销掉了。HDLC的软件编程方法功能灵活，通过修改程序就可以适用于不同的HDLC应用。但程序运行占用处理器资源多，执行速度慢，对信号的时延和同步性不易预测。纯软件HDLC一般只能用于个别路数的低速信号处理。
FPGA采用硬件技术处理信号，又可以通过软件反复编程使用，能够兼顾速度和灵活性，并能并行处理多路信号，实时性能能够预测和仿真。

DSP采用软件技术处理信号，也可以反复编程使用。DSP、FPGA芯片虽成本略微高于ASIC芯片，但具有货源畅通、可多次编程使用等优点。在中小批量通信产品的设计生产中，用FPGA和DSP实现HDLC功能是一种值得采用的方法。
HDLC的帧结构和CRC校验
为了使FPGA的设计能够实现HDLC的基本功能并能按照各项标准的规定灵活采用不同的CRC校验算法，首先看一下HDLC基本的帧结构形式。
HDLC是面向比特的链路控制规程，其链路监控功能通过一定的比特组合所表示的命令和响应来实现，这些监控比特和信息比特一起以帧的形式传送。以下是ISO/IEC3309标准规定的HDLC的基本帧结构。

其他的HDLC标准也有类似的帧结构。每帧的起始和结束以"7E"(01111110)做标志，两个"7E"之间为数据段(含地址数据、控制数据、信息数据)和帧校验序列。帧校验采用CRC算法，对除了插入的"零"以外的所有数据进行校验。为了避免将数据中的"7E"误为标志，在发送端和接收端要相应地对数据流和帧校验序列进行"插零"及"删零"操作。
用FPGA+DSP实现HDLC功能
对FPGA器件进行功能设计一般采用的是"ToptoDown"("从顶到底")的方法，亦即根据要求的功能先设计出顶层的原理框图，该图通常由若干个功能模块组成。再把各个模块细化为子模块，对较复杂的设计还可把各子模块分成一层层的下级子模块，各层的功能可以用硬件描述语言或电路图来实现。

DSP的设计则是按软件顺序执行的方法，主函数调用子函数，还可以把子函数分成下级子函数，目前的DSP设计软件主要是用C语言来完成。
HDLC协议操作由FPGA、DSP共同完成：HDLC接收端：首先由FPGA来收数据，之后判断帧头“7E”及本机地址，如果是发给本机的数据，则对后续数据进行判断，如果有5个连“1”且后一位数据为“0”则将其后的一个“0”删除，删零后将数据存入FIFO中，收到帧尾“7E”时给出收结束标志;然后由DSP读收结束标志，如果标志为“1”读空FIFO，清标志位，将数据内容进行CRC校验。
HDLC发送端：首先由DSP将数据写入FPGA的FIFO之后，DSP给出标志;FPGA收到标志后，先发送帧头“7E”，然后发送数据，如果数据中有5个连“1”则在其后插入1个“0”，数据发送结束后发送帧尾“7E”。
FPGA设计
FPGA中实现的主要是链路层协议完成HDLC数据接口的收发，并完成与DSP的数据交互，该电路由接口模块interface、HDLC数据发送模块transmitter和HDLC数据接收模块receiver三部分组成。
FPGA接口模块interface
interface模块的主要功能是：DSP通过数据、地址总线和读写信号向FPGA读写并行数据。
在本例中数据总线的宽度取决于所使用的DSP的数据位。由于目前DSP处理器的多为64位或32位，而完成数据交互使用8位就够了，因此这里采用8位的数据总线cpu_data[7..0]。地址总线包括译码选通发送FIFO和接收FIFO的寄存器地址，命令寄存器和状态寄存器。
对于DSP来说，FPGA可以看成是一个普通芯片，通过片选CS/、读写信号RD/和WR/，就可以选中FPGA并对其进行读写操作。
当FPGA需要向DSP传递信息时，中断信号输出端interrupt/变为低电平，DSP响应后可到FPGA中的状态寄存器去读取详细的中断信息并做出相应的处理。
FPGA数据发送模块HDLC_Send
HDLC_Send模块的主要功能是：对HDLC产生内部数据发送时钟tx_clk;锁存DSP写入FIFO的发送数据并按指定时序启动发送;在发送数据段前加上"7E"起始标志;对发送的数据及CRC计算结果进行"插零"操作并附上"7E"结束标志把结果输出(见图1)。
txhdlc模块由发送数据子模块、标志数据插零子模块及“7E”发送等模块组成。
HDLC的数据发送时钟tx_clk由外部输入时钟分频得到，能以高于比特发送的速度执行对内部操作。
待发送数据是由外DSP通过interface模块写入指定地址的缓冲存储器的。在HDLC中，可以选用的缓冲存储器类型有FIFO存储器、DPRAM存储器、移位寄存器等。在本设计中，发送数据的存储使用的FIFO存储器。使用这种寄存器的优点是：只对一个FIFO入口地址进行操作，简化FPGA设计。DSP向FPGA写完数据后，向状态寄存器写标志，表示数据发完可以发送，
发送的数据CRC的计算结果附在数据后面，再经"插零"后附上"7E"标志就可输出。发送数据子模块监视着每一个串行移出的数据，当发现数据流中出现5个连“1”时，就输出控制信号1f_detect/暂停数据移位，此时子模块zero_insert向数据流插入一个"0"比特。数据发送完毕后，“7E”发送子模块发出"7E"作为结束标志，同时清除标志位。
FGPA数据接收模块HDLC_Receiver
HDLC_Receiver模块的主要功能是：接收HDLC数据和时钟，并用时钟采样数据;在接收的数据流中检测有无“7E”及本机地址标志，如果有则接收数据，当检测到数据流中有“1F”信号，并后一个数据是“0”时，对数据进行“删零”操作;对经“删零”后的数据写入收FIFO;收到尾“7E”后，置收标志位，向interface模块发出rx_data_ready信号，当DSP通过中断接收到结束标志后，读入数据，清标志位，检查CRC校验值是否正确。
rxhdlc模块由接收数据子模块rx_data、标志检测子模块7e_detector、数据删零子模块zero_delete等组成。对比HDLC_receive模块和HDLC_Send模块，虽然两者一些子模块的功能是相逆的，但原理类似，不再重复说明。在HDLC_Receiver模块中采用了FIFO来作为HDLC接收数据缓存器，因此FPGA内部收数据和DSP读数据通过各自的读写口进行。
FPGA中的接收超时判断功能
当由于意外情况在总线上出现不完整数据时，需对接收数据进行超时判断，已防止在收到帧头“7E”后长时间未收到后续数据或尾“7E”时，死等数据，导致错判，使用的策略是：当收到“7E”及本机地址后，启动计数器，计数时间长于最长帧一倍左右，如果从计时开始到计时结束未收到“7E”则判超时，重新接收数据;而如果在计时时间内收到“7E”则清零计数器，将数据存入收FIFO。
DSP软件的内容主要包括send模块和receive模块和CRC校验模块。
DSP功能
DSP中的功能主要分为HDLC接收，HDLC发送。
DSP中的HDLC接收
DSP从FPGA接收到完成收标志后，接收数据，然后清FPGA标志位，将接收到的数据进行CRC校验后解帧，根据数据帧内容完成相关操作。
DSP中的HDLC发送
DSP将数据发送给FPGA，发送结束后，置FPGA发送完成标志位。DSP完成收数后还要进行CRC校验及解帧等操作，这就要根据具体的协议进行。
具体实现
根据上述设计方法，已成功地实现了HDLC电路的设计。设计输入在Altera公司的Quartus8.0版本及CCS3.0的软件平台上进行。首先考虑拟设计的电路需要多少内部存储器、工作速率多少、对外部处理器的接口有何要求等。根据这些考虑，以电路图及DSPC语言结合的方法进行设计输入。对于时序电路，主要采用电路图输入的方法。
FPGA芯片选用的是Altera公司的ACEX1K系列。该系列是Altera公司面向通信和消费类数字产品推出的低功耗、高密度的高性能FPGA集成电路，具有可与ASIC相比拟的价位。DSP使用TI公司TMS320C5416，该芯片集成度高，结构简单，体积小可靠性高，价格低，可以装入各种仪器仪表及控制装置中，易于产品化。设计出的具有HDLC功能的FPGA芯片已应用于导航设备样机的有线通讯链路中，成功实现了双向数据通信。
结语
基于软件编程与FPGA来共同实现HDLC协议，方法灵活、速度快。适合于DSP+FPGA的数字硬件平台的接口设计，实现后可靠有效。