摘 要：使用嵌入式微處理器S3C4510B內(nèi)部包含的HDLC控制器封裝和解析HDLC協(xié)議，微處理器既可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，又可完成HDLC協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。本設(shè)計(jì)已應(yīng)用于微波網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中，該系統(tǒng)可以通過RS-232接口或RS-485接口遵循HDLC協(xié)議完成網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)驗(yàn)證，HDLC協(xié)議傳輸正確、可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
　　關(guān)鍵詞：S3C4510B；HDLC協(xié)議；數(shù)據(jù)傳輸

  　傳統(tǒng)的HDLC協(xié)議采用專用芯片或軟件編程等方法實(shí)現(xiàn)。專用芯片針對(duì)性強(qiáng)、性能可靠，但靈活性差，尤其是片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量有限，當(dāng)需要擴(kuò)大數(shù)據(jù)緩存的容量時(shí)，芯片要外接存儲(chǔ)器或其他電路，這就增加了系統(tǒng)成本。軟件編程方法靈活，但占用處理器資源多，執(zhí)行速度慢，實(shí)時(shí)性不易預(yù)測，一般只能用于個(gè)別路數(shù)的低速信號(hào)處理。采用ASIC芯片設(shè)計(jì)成本過于昂貴?？紤]到HDLC協(xié)議的應(yīng)用多和系統(tǒng)其他功能有機(jī)結(jié)合，而在很多應(yīng)用系統(tǒng)中均采用嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)[1]。選用嵌入式微處理器S3C4510B設(shè)計(jì)微波網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、控制、存儲(chǔ)與傳輸，利用S3C4510B內(nèi)嵌的HDLC控制器完成HDLC傳輸數(shù)據(jù)的封裝與解析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、實(shí)用[2]。
1 HDLC簡介
　　HDLC 是一個(gè)在同步網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)并面向位的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議, 由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定，具有透明傳輸、可靠性高、傳輸速率高以及靈活性高等特點(diǎn)。它采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)( 多路播送或一對(duì)多) 連接的主/從結(jié)構(gòu), 要求每個(gè)從站都有唯一的地址, 從站只有在允許通信時(shí)才能且只能和主站通信, 這就消除了串行線路上由于幾個(gè)從站同時(shí)發(fā)送引起沖突的可能性。由于HDLC 面向位的特性, 因而可以實(shí)現(xiàn)不限制編碼的、高可靠和高效率的透明數(shù)據(jù)傳輸。隨著通信的發(fā)展, HDLC 得到日益廣泛的應(yīng)用, 同時(shí), 它還是許多重要的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的基礎(chǔ)。HDLC 幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

　　表1所列HDLC幀結(jié)構(gòu)中各部分功能為：
　　標(biāo)志位: Flag (F), 每個(gè)HDLC 幀以8 位序列( 01111110) 標(biāo)志幀的開始和結(jié)束, 這是HDLC中僅有的2個(gè)包含連續(xù)6個(gè)1 的可能組合。為了避免在其他域中出現(xiàn)這種組合, HDLC 采用“零比特插入法”, 即每發(fā)現(xiàn)有接連5個(gè)1 時(shí)便在下一位自動(dòng)插入一個(gè)0, 接收器在收到連續(xù)5個(gè)1 之后又自動(dòng)刪去插入的0。標(biāo)志位除了標(biāo)志幀的開始和結(jié)束外, 還可用作時(shí)鐘同步, 接收設(shè)備不斷地搜尋標(biāo)志位, 以實(shí)現(xiàn)幀同步, 從而保證接收部分對(duì)后續(xù)字段的正確識(shí)別。另外, 在幀與幀的空載期間, 可以連續(xù)發(fā)送這種標(biāo)志序列, 用作時(shí)間填充。
　　地址域：Address (A) Field，命令幀或響應(yīng)幀的地址。每個(gè)從站必須有唯一的地址, 主站必須知道每個(gè)從站的指定地址。全“1”構(gòu)成的地址在HDLC中定義為廣播地址；全“0”構(gòu)成的地址在HDLC中定義為無站地址, 用于測試數(shù)據(jù)鏈路的狀態(tài)。
　　控制域：Control (C) Field， 用于確定待傳送幀的類型，并攜帶有關(guān)幀的順序、載波控制和輪詢信息。HDLC有3種類型的幀，分別為信息幀、監(jiān)控幀和無編號(hào)幀。三者都符合幀結(jié)構(gòu)，幀的格式不一樣，幀的用途也不一樣。
　　信息域：Information (I) Field，要傳送的數(shù)據(jù)，長度可變，是幀的數(shù)據(jù)部分，字段通常取8位的整數(shù)倍。
　　校驗(yàn)域：Frame Check Sequence (FCS) Field，采用16位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼進(jìn)行差錯(cuò)控制，其生成的多項(xiàng)式為G(X)=X16+X12+X5+1。幀校驗(yàn)序列用于對(duì)幀進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn), 其校驗(yàn)范圍從地址字段的第一比特到信息字段的最后一比特的序列, 并且規(guī)定為了透明傳輸而插入的“0”不在校驗(yàn)范圍內(nèi)。
2 HDLC協(xié)議實(shí)現(xiàn)[3-5]
2.1 S3C4510B HDLC 控制器結(jié)構(gòu)
　　微波網(wǎng)管系統(tǒng)控制器采用嵌入式設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)CPU選用三星公司生產(chǎn)的S3C4510B。S3C4510B具有HDLC模塊，能夠完成HDLC協(xié)議的幀同步、比特填充、FCS的產(chǎn)生和檢測等，可以利用硬件實(shí)現(xiàn)HDLC協(xié)議的數(shù)據(jù)處理。
S3C4510B是含有雙通道的HDLC控制器，支持符合SDLC 標(biāo)準(zhǔn)和HDLC 標(biāo)準(zhǔn)的CPU/數(shù)據(jù)通道接口, 包含2 個(gè)DMA 引擎，支持使用對(duì)應(yīng)幀的緩沖區(qū)描述符結(jié)構(gòu)，可以靈活地配置通道物理編碼模式(NRZ、FM、MAN), 選擇本地或者外部時(shí)鐘; 支持通過鎖相環(huán)路從接收數(shù)據(jù)流提取時(shí)鐘信號(hào)。S3C4510B的HDLC通道具有以下特點(diǎn)：
　　(1)HDLC協(xié)議特征：標(biāo)準(zhǔn)檢測與同步、零插入與刪除、空閑檢測與發(fā)送、FCS生成和檢測(16位）、終止檢測與發(fā)送；
　　(2)FIFO：發(fā)送和接收模塊都有8 B FIFO，提供CPU內(nèi)部總線到HDLC串行接口之間的數(shù)據(jù)緩存；
　　(3)DMA：HDLC通道的發(fā)送和接收支持DMA方式；
　　(4)波特率生成器：HDLC通道包含一個(gè)可編程的波特率產(chǎn)生計(jì)數(shù)器，能夠產(chǎn)生各種波特率的傳輸速率；
　　(5)PLL模塊：HDLC通道包含一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)，提供了時(shí)鐘恢復(fù)功能，可從編碼后的數(shù)據(jù)流中迅速提取出時(shí)鐘信息。
　　S3C4510B的HDLC 控制器功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　HDLC 控制器功能結(jié)構(gòu)主要包括總線仲裁單元、DMA 控制器、8 B的發(fā)送/接收( Tx/Rx) FIFO、狀態(tài)/控制寄存器和物理收發(fā)器。總線仲裁單元負(fù)責(zé)向CPU 申請系統(tǒng)總線，DMA 控制器使用緩沖描述符在無CPU 干預(yù)下控制數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，8 B的FIFO 結(jié)構(gòu)對(duì)CPU 和串行接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行立即存儲(chǔ)，物理收發(fā)器控制HDLC 通道的運(yùn)行模式、編解碼等，狀態(tài)/控制寄存器是運(yùn)行的核心, 程序設(shè)計(jì)人員通過設(shè)置來檢測這些寄存器控制數(shù)據(jù)的收發(fā)。
2.2  HDLC協(xié)議實(shí)現(xiàn)
2.2.1 HDLC傳輸通道設(shè)計(jì)
　　微波網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)主要用于管理和維護(hù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中微波網(wǎng)絡(luò)及微波設(shè)備的性能、故障、告警和配置，實(shí)時(shí)監(jiān)測與管理微波網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況，系統(tǒng)由微波網(wǎng)管軟件與微波網(wǎng)管系統(tǒng)控制器組成。微波網(wǎng)管軟件通過訪問控制器監(jiān)測連接在網(wǎng)絡(luò)上的微波設(shè)備的性能狀態(tài)，控制器通過HDLC 協(xié)議與微波設(shè)備通信，采集微波設(shè)備數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。
　　HDLC傳輸通道連接如圖2所示。網(wǎng)管系統(tǒng)控制器通過RS-232接口與微波設(shè)備連接，接口芯片選用MAX3232,采用HDLC協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。不同微波站點(diǎn)的網(wǎng)管系統(tǒng)控制器間通過RS-485接口完成通信，接口芯片選用ADM3491，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)同樣遵循HDLC協(xié)議。

2.2.2  HDLC協(xié)議實(shí)現(xiàn)
　　系統(tǒng)HDLC協(xié)議傳輸支持2種數(shù)據(jù)傳輸模式: 中斷模式和DMA 模式。對(duì)于中斷模式, 由于CPU 需要主動(dòng)干預(yù)緩沖區(qū)和I/O 模塊之間的數(shù)據(jù)傳送, 因此將會(huì)導(dǎo)致過多的系統(tǒng)切換開銷，降低CPU 利用率, 同時(shí)無法支持高速的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用DMA 模式。在DMA 模式下, S3C4510B 中的HDLC 控制器使用了緩沖區(qū)描述符BD (Buffer Descriptor) 來實(shí)現(xiàn)以幀為單位的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。BD 是S3C4510B 中HDLC 控制器用以實(shí)現(xiàn)DMA 模式下的數(shù)據(jù)收發(fā)而使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 且構(gòu)成循環(huán)鏈表的形式，使用BD緩沖描述符結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)以幀為單位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和發(fā)送控制，只需要填寫相應(yīng)BD結(jié)構(gòu)的域信息，配置收發(fā)模式，具體的執(zhí)行由DMA單元控制完成。
　　DMA方式下HDLC數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的實(shí)現(xiàn)。首先要進(jìn)行系統(tǒng)HDLC通道的初始化。實(shí)現(xiàn)步驟如下:
　　(1)HDLC通道復(fù)位, 恢復(fù)其默認(rèn)配置；
　　(2)設(shè)置工作模式寄存器(HMODE)來配置HDLC工作模式；
　　(3)設(shè)置控制寄存器(HCON)來控制HDLC通道的工作；
　　(4)設(shè)置中斷使能寄存器(HINTEN)來控制HDLC通道的中斷產(chǎn)生；
　　(5)設(shè)置站地址寄存器(HSAR0- HSAR3)和掩碼寄存器(HMASK)；
　　(6)建立DMA方式的發(fā)送和接收BUFFER描述符鏈表結(jié)構(gòu), 并初始化DMA發(fā)送BUFFER 緩沖描述符指針寄存器(DMATxPTR)和DMA接收BUFFER緩沖描述符指針寄存器(DMARxPTR)；
　　(7)使能HDLC通道的收發(fā)功能。
　　DMA方式下HDLC通道的數(shù)據(jù)發(fā)送實(shí)現(xiàn)步驟如下:
　　(1)讀取發(fā)送緩沖幀描述符指針寄存器DMATxPTR，得到當(dāng)前發(fā)送幀描述符的地址，得到整個(gè)發(fā)送幀描述符的內(nèi)容；
　　(2)得到發(fā)送幀描述符中幀數(shù)據(jù)BUFFER起始地址；
　　(3)將準(zhǔn)備好的HDLC幀拷貝到BUFFER中；
　　(4)設(shè)置當(dāng)前幀描述符中的相應(yīng)控制位；
　　(5)將發(fā)送幀描述符的OWERSHIP位設(shè)置為DMA所有，使能HDLC的DMA發(fā)送。
　　按上述步驟完成后, DMA即可主動(dòng)將BUFFER中的數(shù)據(jù)拷貝到HDLC通道TxFIFO中發(fā)送出去。一幀發(fā)送完畢后，S3C4510B將已使用的發(fā)送BUFFER描述符的OWERSHIP位設(shè)置為CPU所有, 并將幀緩沖描述符指針寄存器DMATxPTR中的內(nèi)容更新為下一個(gè)未使用的發(fā)送BUFFER描述符地址。
　　HDLC通道數(shù)據(jù)接收實(shí)現(xiàn)步驟如下:
　　(1)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，DMA機(jī)制會(huì)從DMARxPTR指向的接收BUFFER描述符中找到接收BUFFER的起始地址, 然后把收到的數(shù)據(jù)寫入BUFFER；
　　(2)如果接收無誤，S3C4510B自動(dòng)更新DMARxPTR寄存器的值，使其指向下一個(gè)還未使用的接收BUFFER描述符，以備下一次接收使用。
3  系統(tǒng)驗(yàn)證
　　對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、聯(lián)機(jī)測試。
　　網(wǎng)管系統(tǒng)遵循HDLC協(xié)議傳輸微波設(shè)備性能數(shù)據(jù)。參數(shù)包括誤碼秒 ES、嚴(yán)重誤碼秒 SES、不可用秒數(shù)US以及總秒數(shù)TS及狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括輸出功率TX、輸出頻率TF、輸出電平RF、頻率RX以及輸出電源電壓，微波網(wǎng)管軟件通過查詢/輪詢方式訪問網(wǎng)管控制器，讀取微波設(shè)備數(shù)據(jù)。微波網(wǎng)管軟件通過HDLC協(xié)議傳輸?shù)奈⒉ㄔO(shè)備數(shù)據(jù)如圖3所示。

　　HDLC協(xié)議在微波網(wǎng)管系統(tǒng)的正確實(shí)現(xiàn)說明了通過利用S3C4510B內(nèi)嵌的HDLC控制器完成HDLC協(xié)議的封裝與解析，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的同時(shí)，簡化了電路設(shè)計(jì)，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。
參考文獻(xiàn)
[1]  李駒光，聶雪媛.ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解——基于S3C4510B的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.
[2]  Samsung Electronics. S3C4510B User Manual.1999.
[3]  劉朋，金野. 基于S3C4510B和μClinux的HDLC接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2007(2)：1-3.
[4]  談國文，張煒，朱丹，等. 基于HDLC協(xié)議的實(shí)時(shí)通信軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2000(22)：87-90.
[5]  高振斌，陳禾，韓月秋. HDLC協(xié)議RS-485總線控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(5)：28-32.