基于FPGA的高速同步HDLC通信控制器設計

摘要：高級數據鏈路控制HDLC協(xié)議是一種面向比特的鏈路層協(xié)議，具有同步傳輸數據、冗余度低等特點(diǎn)，是在通信領(lǐng)域中應用最廣泛的鏈路層協(xié)議之一。提出實(shí)現HDLC通信協(xié)議的主要模塊——CRC校驗模塊及‘0’比特插入模塊的FPGA實(shí)現方法。CRC校驗模塊采用狀態(tài)機設計方，而‘0’比特插入模塊是利用FIFO實(shí)現，為HDLC通信控制器的設計提供新的思路。該方法已在Spartan3s400開(kāi)發(fā)板上實(shí)現，并能正確傳輸。
關(guān)鍵詞：HDLC協(xié)議；CRC校驗；‘0’比特插入；FPGA

高級數據鏈路控制HDLC(High-level Data Link Control)廣泛應用于數據通信領(lǐng)域，是確保數據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，功能針對性強，性能可靠，適合應用于特定用途的大批量產(chǎn)品中。但由于HDLC標準的文本較多，ASIC芯片出于專(zhuān)用性的目的難以通用于不同版本，缺乏應用靈活性。例如CCITT、ANSI、ISO／IEC等都有各種版本的HDLC標準，器件生產(chǎn)商都還有各自的標準，對HDLC的CRC序列生成多項式等有不同的規定。況且，專(zhuān)用于HDLC的ASIC芯片其片內數據存儲器容量有限，通常只有不多字節的FIFO可用。對于某些應用來(lái)說(shuō)，當需要擴大數據緩存的容量時(shí)，只能對ASIC芯片再外接存儲器或其他電
路，ASIC的簡(jiǎn)單易用性就被抵銷(xiāo)掉了。
FPGA是現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，屬于超大規模集成電路，具有豐富的系統門(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，可以在其內部靈活實(shí)現各種數字電路設計，甚至可以動(dòng)態(tài)改變其內部設計，動(dòng)態(tài)實(shí)現不同的功能。
因此，采用FPGA實(shí)現HDLC是一種可行的方法。HDLC通信控制器主要是對數據進(jìn)行CRC校驗、‘0’比特插入和加幀頭幀尾操作。

1 “0”比特插入模塊
HDLC規程規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規程指定采用8 bit的01111110為標志序列，稱(chēng)為F標志。用于幀同步，表示1幀的開(kāi)始和結束，相鄰2幀之間的F，既可作為上一幀的結束，又可作為下一幀的開(kāi)始。標志序列也可以作為幀間填充字符，因而在數據鏈路上的各個(gè)數據站都要不斷搜索F標志，以判斷幀的開(kāi)始和結束。
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連續的6個(gè)‘l’，其他地方不允許有連續5個(gè)以上的‘l’出現，否則就要進(jìn)行‘0’比特插入，即只要遇到連續5個(gè)‘1’，就在其后插入1個(gè)‘O’。根據傳輸數據量的大小可采用以下2種思路實(shí)現‘0’比特插入操作。
1．1 遇‘O’緩沖實(shí)現法
由于數據中出現多少個(gè)連續的‘1’是不可控的，故最終插入‘0’的個(gè)數也是不可控的。例如要發(fā)送的“有效數據”(包含地址字段、控制字段、信息字段、幀校驗字段)為320 bit，則最多會(huì )插入64個(gè)‘0’。數據是串行輸入，每插入1個(gè)‘0’，則數據由5位變成6位，則插‘0’后要輸入的數據就被“積壓”來(lái)，插入的‘0’越多，“積壓”的數據就越多。如果采用文獻中的插‘0’方法，簡(jiǎn)單的將‘O’插入，將會(huì )丟失1位數據，設置1個(gè)64位的緩沖，每插入1個(gè)‘0’就把后面數據做為1位延時(shí)，插‘0’后在把已經(jīng)延時(shí)1個(gè)時(shí)鐘周期的數據加進(jìn)來(lái)，就保證不丟失數據。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)鐘周期的串行數據到延時(shí)1個(gè)時(shí)鐘周期的串行數據，i的初始數據為O，每遇到連續5個(gè)‘1’，插入1個(gè)‘0’后，dataout輸出為datain延時(shí)i個(gè)時(shí)鐘周期的數據。這樣就做到了不丟失數據。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，數據比未插‘0’前變長(cháng)了，而且變長(cháng)了多少位是由數據內容決定的。