基于NiosII軟核的HDLC通信協(xié)議的實(shí)現

一 引言

　　HDLC（High-level Data Link Control)協(xié)議是通信領(lǐng)域中應用最廣泛的協(xié)議之一，是面向比特的高級數據鏈路控制規程，具有強大的差錯檢測功能和同步傳輸特點(diǎn)，保證數據的可靠傳輸[3]。市場(chǎng)上很多專(zhuān)用的HDLC芯片因追求功能的完備，而使芯片的控制變得復雜。實(shí)際上對某些特殊的場(chǎng)合，可選擇HDLC協(xié)議中最符合系統要求的部分功能，設計一種功能相對簡(jiǎn)單、使用靈活的控制器。

　　NiosII系統是Altera公司的SoPC解決方案，它是一個(gè)運行在FPGA上的32位RSIC處理器。Altera公司對于NiosII的開(kāi)發(fā)提供了強大的設計開(kāi)發(fā)平臺QuartusII、SOPC Builder以及NiosII IDE[2] [4]。這樣，硬件電路與外設的連接，NiosII軟核的配置，C語(yǔ)言編寫(xiě)與調試可有機地結合起來(lái)，大大提高了系統設計的效率，便于系統的更新與升級。

　　本設計即是采用Altera公司的CYCLONEII芯片ＥＰ2C35-672 FPGA實(shí)現基于NiosII的HDLC協(xié)議控制系統。在完成通信協(xié)議、保證可靠通信的前提下，最終實(shí)現主控機與基站終端之間實(shí)時(shí)、可靠的信息交互與監控管理功能[1]。

　　二 HDLC協(xié)議說(shuō)明[3]

　　HDLC協(xié)議具有以下特點(diǎn)：數據報文可透明傳輸；全雙工通訊；采用窗口機制和捎帶應答；采用幀校驗序列，并對信息幀進(jìn)行順序編號，防止漏收或重收，傳輸可靠性高；傳輸控制功能和處理功能分離，應用非常靈活。HDLC執行數據傳輸控制功能，一般分為3個(gè)階段：數據鏈路建立階段、信息幀傳送階段、數據鏈路釋放階段。

　　HDLC協(xié)議以幀為基本信息單位傳輸數據，無(wú)論是傳輸數據信息或是控制信息，每個(gè)幀都采用統一的幀格式，如圖1所示：

圖1 HDLC幀格式

　　1． 標志字段（F）

　　HDLC協(xié)議規定，所有信息的傳輸必須以一個(gè)標志字開(kāi)始，且以同一個(gè)標志字結束，這個(gè)標志字就是01111110。接收方可以通過(guò)搜索01111110來(lái)判斷幀的開(kāi)始和結束，以此建立幀同步。

　　2． 地址字段（A）

　　地址字段表示鏈路上站的地址。地址字段為8位，也可用8的倍數進(jìn)行擴展，用于標識接收該幀的站地址。

　　3． 控制字段（C）

　　控制字段為8位，用來(lái)表示幀類(lèi)型、幀編號以及命令、響應等。由圖1知，由于C字段的構成不同，可以把HDLC幀分為三種類(lèi)型：信息(I)幀、監控(S)幀、無(wú)編號(U)幀。在控制字段中，第1位是“0”的為I幀，第1、2位是“10”的為S幀，第1、2位是“11”的為U幀。

　　4． 信息字段（I）

　　信息字段內包含了用戶(hù)的數據信息和來(lái)自上層的各種控制信息。在I幀和某些U幀中，具有該字段。HDLC幀的信息長(cháng)度是可變的，其長(cháng)度由收發(fā)站緩沖器的大小和線(xiàn)路的差錯情況決定，但必須是8bit的整數倍。它可傳送標志字以外的任意二進(jìn)制信息。

　　5．幀校驗序列字段（FCS）

　　幀校驗序列用于對幀進(jìn)行CRC循環(huán)冗余校驗。在HDLC協(xié)議中采用16位循環(huán)冗余校驗碼進(jìn)行差錯控制，其校驗范圍從地址字段的第1比特到信息字段的最后1比特的序列，并且規定為了透明傳輸而插入的“0”不在校驗范圍內。它的生成多項式為g(x)=X16+X12+X5+1。

　　三 系統簡(jiǎn)介

　　基站系統往往被安置在比較分散、環(huán)境比較惡劣且無(wú)人值守的地方，因此它運行的可靠性就顯得尤為重要。SOPC的諸多特點(diǎn)滿(mǎn)足了此類(lèi)系統的要求?；诖硕ㄎ?，該系統選用pc機作為監控中心，SOPC片上系統作基站端，它們之間采用HDLC協(xié)議來(lái)實(shí)現可靠通信。監控中心完成建立和斷開(kāi)鏈路的功能，SOPC基站系統除了接收、執行監控中心發(fā)來(lái)的命令外，還要完成現場(chǎng)數據的采集控制，并將數據上傳至監控中心。

　　對于通信雙方，數據都有發(fā)送與接收兩個(gè)傳輸方向，即上行數據流和下行數據流。發(fā)送數據時(shí)，按照HDLC協(xié)議，先將數據封裝成幀，即加上幀頭、地址字段、控制字段、信息字段、CRC校驗段、幀尾，當緩沖區有空間時(shí)，將成幀數據送交緩沖區待發(fā)送，數據幀再經(jīng)UART送到對方的RS-232接口，數據進(jìn)入收方的緩沖區，收方則執行與發(fā)送相反的操作，即從緩沖區讀出數據、對其解幀、CRC校驗判斷、解碼，并按照所提取的信息執行相應操作。完整的系統總框圖如圖2所示：

圖2 系統框圖

　　四 基于NiosII的SOPC功能設計

　　分為硬件設計與軟件設計，分別在QuartusII、SOPC Builder和NiosII IDE中完成。

　　1 硬件設計

　　(1) 硬件設計結構

　　硬件設計結構包括RS-232接口、PIO接口、顯示模塊和自定義CRC校驗指令，這些部分都是用NiosII軟核來(lái)配置的。NiosII作為系統的流程控制中心，其作用是不言而喻的，通過(guò)采用SOPC Builder對NiosII進(jìn)行定制，極大的減少了系統的使用資源。整個(gè)系統硬件設計框圖如圖3所示：

圖3 NiosII硬件原理圖

　?。?）NiosII軟核配置

　　利用QuartusII軟件中的SOPC Builder，添加處理器、總線(xiàn)、片內ROM、PIO、UART、NiosII其它外設及接口。系統的頂層模塊由NiosII軟核處理器標準版和系統時(shí)鐘組成，系統時(shí)鐘通過(guò)鎖相環(huán)PLL再分配給各外設及SDRAM。

　?。?）自定義CRC校驗指令

　　可編程軟核處理器最大的特點(diǎn)是靈活到可以方便的增加指令，這樣可以把系統中用軟件處理耗時(shí)多的關(guān)鍵算法用硬件邏輯電路來(lái)實(shí)現。自定義指令其實(shí)就是用戶(hù)讓NiosII軟核完成的一個(gè)功能，這個(gè)功能由采用HDL語(yǔ)言描述的電路模塊來(lái)實(shí)現，該模塊被連接到NiosII軟核的算術(shù)邏輯部件上。

　　CRC校驗的一般算法需要大量的邏輯與循環(huán)運算，如果用軟件來(lái)實(shí)現則要占用很多個(gè)時(shí)鐘周期，使系統的效率降低，而用硬件完成則僅需要幾個(gè)時(shí)鐘周期。NiosII正好提供了用戶(hù)自定義指令的功能，因此給NiosII添加自定義CRC校驗指令來(lái)完成該部分功能，大大提高了系統的效率。

　　2 NiosII應用軟件設計

　　NiosII應用軟件用C語(yǔ)言實(shí)現，完成了HDLC協(xié)議和對基站系統的控制兩個(gè)任務(wù)。首先完成HDLC協(xié)議中所要求的解幀校驗處理、數據重新打包轉發(fā)、錯誤處理等操作，確保通訊的暢通與可靠?；径嗽诮邮盏奖O控中心的命令后，在應用軟件的控制下，驅動(dòng)設備執行相應操作，主要是對溫度、濕度、電壓、煙感度等參數的讀取及環(huán)境參數的調整，執行完畢后將結果反饋回監控中心?；诖怂枷?，NiosII軟件分為HDLC協(xié)議實(shí)現部分和命令執行部分。

　?。?） 協(xié)議實(shí)現部分

　　a、接收數據

　　首先，建立鏈路完成對幀序列、各種外設參量、標志位等變量的初始化。函數void DeFrame( )用于每收到一幀后的解幀處理，即包括幀長(cháng)度的判斷、CRC 校驗、幀類(lèi)型辨認、幀序號的對照。CRC校驗碼的運算由函數ALT_CI_CRC_CCITT( )完成，具體操作是調用配置的自定義CRC校驗指令，賦數據值，然后通過(guò)硬件運算返回計算的CRC碼，再和數據幀中的校驗碼對比，相同則是正確信息，不等則判為錯誤信息。

　　b、發(fā)送數據

　　定義變量volatile int edge_capture來(lái)進(jìn)行基站環(huán)境參數信息的捕捉，如溫度、濕度、電壓等。NiosII應用軟件根據對環(huán)境參量的讀取和判斷，還要對異常狀況做特殊處理。比如，如果某參量出現超標則必需立刻發(fā)送信息幀進(jìn)行告警，以使用戶(hù)進(jìn)行及時(shí)的調整。

　　具體發(fā)送時(shí)，數據先裝幀再送入緩沖區等待。為了防止幀丟失造成通訊雙方處于僵滯的等待狀態(tài)，引入計時(shí)器，即每發(fā)一次信息幀都要啟動(dòng)計時(shí)器進(jìn)行計時(shí)，若計時(shí)器溢出，重發(fā)上一幀并重新計時(shí)。以發(fā)送電壓值為例，對其具體過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明：

　　void InfoVoltageFrame( )； //裝電壓幀

　　void SendBuf(unsigned char Frame[],int SendDataLen)； //幀送緩沖區

　　void TimeDelay( )； //啟動(dòng)計時(shí)器

　　若超時(shí)，置超時(shí)標志DelayFlag=1；

　　在此條件下，調用函數ReSendFrame( )； //重發(fā)上一幀

　　再次啟動(dòng)計時(shí)器TimeDelay( )；

　　c、HDLC協(xié)議中滑動(dòng)窗口的處理

　　只將滑動(dòng)窗口協(xié)議中最關(guān)鍵的幀序號變化的具體代碼呈現出來(lái)：

　　……

　　If ((RvByte(2) And HF)/2)=VR Then 'NS與VR作比較，相等則接收并發(fā)送確認幀

　　VR = ((VR + 1) And H7)

　　……

　　If (RvByte(2) And HF) = 1 Then '收到確認S幀

　　SysTime.Enabled = False

　　VS = ((VS + 1) And H7)

　　……

　?。?）命令執行軟件部分

　　這部分軟件主要是驅動(dòng)設備執行相應命令。一方面，監控中心啟動(dòng)自動(dòng)監控功能， NiosII每隔5秒會(huì )接收到監控中心發(fā)來(lái)的讀取參量信息命令，NiosII執行命令并讀取外設參量送至發(fā)送緩存；另一方面，若環(huán)境參量發(fā)生變化，NiosII會(huì )對其進(jìn)行判斷，如果超標則立即主動(dòng)發(fā)告警信息幀給監控中心。

　　五 結束語(yǔ)

　　本文提出了一種基于ＦＰＧＡ的ＨＤＬＣ協(xié)議控制系統設計方案，并利用Altera公司的CYCLONEII芯片ＥＰ2C35-672來(lái)實(shí)現。實(shí)踐表明，利用NiosII實(shí)現的HDLC協(xié)議控制系統操作簡(jiǎn)單、使用靈活，能夠很好地應用于各種小型通信設備。通過(guò)不同階段大量的測試，系統工作可靠、穩定，完成了實(shí)時(shí)可靠的通訊與準確的控制。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn):

　　1、 技術(shù)手段的創(chuàng )新：使用NiosII這種新型的SOPC技術(shù)實(shí)現了ＨＤＬＣ協(xié)議。

　　2、 應用領(lǐng)域的創(chuàng )新：實(shí)現了對基站各種信息（如工作電壓、環(huán)境溫度、濕度、煙感度等）的實(shí)時(shí)監控與可靠管理。