HDLC的FPGA實現方法

　　7E標志加在發送數據段的前后，其時序由tx_timer確定。在發送啟動時，先發7E再發數據。

　　發送CRC計算子模塊tx_crc由16個帶賦能端e的D觸發器組成，其電路圖見圖4，可用來按照x16 + x12 + x5 + 1的生成多項式進行16位CRC計算。該電路的原理可參看數據通信教科書，此處不再贅述，僅說明幾點：

　　a. 如果要改變CRC的位數，只要改變D觸發器的數量。

　　b. 如果要改變CRC生成多項式，僅需將多項式中非零系數項對應的D觸發器的輸出與d1信號異或后送至下一個D觸發器的輸入。

　　c. 通過給D觸發器的PRN端或CLRN端置0，就可改變CRC計算的初始值。

　　這個例子可說明用FPGA設計的CRC電路具有極大的靈活性。

　　圖4

　　發送的數據經CRC計算并將計算結果附在數據后面，再經插零后附上7E標志就可輸出。插零操作由子模塊zero_insert完成。子模塊tx_data監視著每一個串行移出的數據，當發現數據流中出現五?quot;1時，就輸出控制信號1f_detect/ 暫停數據移位，此時子模塊zero_insert向數據流插入一個0比特。

　　子模塊tx_data中存儲著待發送數據的比特長度值，并隨時和已發送數據的比特長度值比較。當出現兩者相等的情況時，判定為數據發送完畢，子模塊tx_crc停止CRC計算并把計算結果輸出。再經過16個數據時鐘后，子模塊7e_generator發出7E作為結束標志，同時向接口模塊interface發出tx_data_empty信號表示數據發送結束。

　　3.3 HDLC數據接收模塊receiver

　　receiver模塊的主要功能是：產生與本路HDLC接收數據時鐘同步的FPGA工作時鐘；在接收的數據流中檢測有無7E標志；當檢測到數據流中有1F信號時，對數據進行刪零操作；對經刪零后的數據進行CRC校驗；把接收到的數據進行串/并轉換并存入雙端口RAM；當接收到結束標志后，檢查CRC校驗值是否正確，向interface模塊發出rx_data_ready信號。

　　receiver模塊由接收定時子模塊rx_timer、接收數據子模塊rx_data、標志檢測子模塊7e_detector、數據刪零子模塊zero_delete、接收CRC校驗子模塊 rx_crc等組成，見圖5。

　　對比receiver模塊和transmitter模塊，雖然兩者一些子模塊的功能是相逆的，但其原理是類似的，因此不再重復說明。

　　在receiver模塊中采用了雙端口RAM來作為HDLC接收數據緩存器，因此FPGA內部向雙端口RAM寫入數據和FPGA外部向雙端口RAM讀出數據可以分別通過兩個端口獨立的數據地址總線同時進行。

圖5

　　限于篇幅，以上所述僅為設計HDLC電路的大致框架，許多細節已被省略了。

　　4 應用實例

　　根據上述設計方法，已成功地在可編程邏輯芯片上實現了多路HDLC的設計。

　　設計輸入在Altera公司的MAX+plus II[4] 10.0版本的軟件平臺上進行。首先考慮擬設計的電路有多少路HDLC收發器、需要多少內部存儲器、工作速率多少、對外部處理器的接口有何要求等。根據這些考慮，以電路圖和AHDL語言結合的方法進行設計輸入。對于時序電路，主要采用電路圖輸入的方法；對于地址譯碼等功能電路，采用AHDL語言描述；對于存儲器、鎖存器及移位寄存器等，盡量采用MAX+plus II中LPM（參數化模塊庫）提供的模塊來實現。全部設計輸入完成后，對設計進行編譯、仿真。在波形仿真器內給定輸入信號，檢查輸出的波形是否符合設計預期。反復多次進行修改，確認無誤后可將設計結果下載到FPGA芯片。

　　FPGA芯片選用的是Altera公司的ACEX 1K系列[5]。該系列是Altera公司面向通信和消費類數字產品推出的低功耗、高密度的高性能FPGA集成電路，具有可與ASIC相比擬的價位。ACEX 1K系列器件內部采用基于LUT的架構，最大邏輯門數為10萬門；可提供的片內存儲器最大為49152比特；最小時延僅數納秒，實際電路總時延在數十納秒左右；能夠滿足一般HDLC的要求。ACEX 1K系列FPGA器件工作電壓為2.5伏，I/O接口電壓可選為2.5伏或3.3伏，配置芯片可選Altera公司的EPC1型。

　　設計出的具有多路HDLC功能的FPGA芯片已應用于船舶AIS（Automatic Identification System，自動識別系統）樣機的無線數據通信鏈路中，成功實現了雙向數據通信。

　　5 結束語

　　FPGA提供了一種取代ASIC芯片的選擇，以上所述僅是用FPGA實現HDLC功能的一個簡單介紹。在通信產品的設計中，如果原已使用了可編程邏輯芯片來實現某些功能的話，只要改用更大容量的FPGA芯片，就可以將類似于HDLC這樣的功能都集成進去。如使用Altera 公司的Quartus II軟件來進行同類設計，則功能更強大，更能支持Top to Down的設計方法，并且支持Cyclone等大規模FPGA芯片。此外，Xilinx公司新推出90納米工藝的Spartan-3系列低成本FPGA芯片，也可作為取代ASIC的一種選擇。顯然，FPGA在通信技術中的應用十分值得重視，并正受到越來越多的關注。（2003.11）

　　參考文獻

　　1 張德民. 數據通信，P.194. 北京：科學技術文獻出版社，1997.8

　　2 ISO/IEC 3309: Information technology-Telecommunications and information exchange between systems-High-level data link control (HDLC) procedures-Frame structure, P.4. Switzerland: International Electrotechnical Commission, Jun 2002

　　3 Zarlink Semiconductor. MT8952B HDLC Protocol Controller, P.3-64. March 1997

　　4 Altera Corporation. MAX+plus II, Version 10.0, Sep 2000

　　5 Altera Corporation. ACEX 1K Programmable Logic Family Data Sheet, Altera Digital Library，Version 3，2001