（通信与信息系统专业论文）hdlc协议控制器的研究与设计.pdf

摘要 数据通信技术和微电子技术在商业上的成功应用，使得电子 产品市场的竞争日益激烈。迫切要求缩短电子产品设计的开发周 期，按照市场的需求设计出以高可靠性、低造价、功能强的高性 能电子产品。近年来，f p g a 器件是通信技术产业的应用热点， v h d l 更是普遍使用的硬件设计语言标准。两者的结合适应了技 术和市场的需求。 论文的重点是实现h d l c 协议控制器的设计，结果表明，设 计实现了对链路协议的转发，能够解决专用芯片存储容量小的问 题。在研究和分析了h d l c 数据链路协议基础卜，对h d i _ c 协议 功能设计采用的是从上到下的设计思想，根据所要求的功能设计 出顶屡的原理框图，由若干个功能模块组成，再把各个模块细化 为予模块。 全部设计采用v h d l 语言进行描述，最后在3 0 版q u a n u si i 开发工具上进行了综合并在f p g a 上得以实现，通过采用分块处 理的方法使得各个模块的设计简单灵活、易于修改，适合中小批 量通信产品的设计丌发。 论文主要是从h d i c 协议、f p g a 器件、v h d l 语言和q u a r t u s 开发工具四个方面展开的。前三章对相关的知识作了必要的介绍 和分析；重点部分在第四章，从应用角度详细地介绍了设计期问 所做的各个功能模块的v h d l 设计思想，每个功能模块都经过功 能和时序仿真，可以引用作为其它应用实体的元件。 论文的设计无论是对数字电路设计人员、大规模专用集成 电路设计人员、还是一般技术人员、都有很好的参考价值。 关键词 h d l cf p g av h d lq u a n u s a b s t r a c t i h e q u i c kd e v e l o p m e n t a n ds u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o fd a t a c o m m u i c a t i 呻a l l dm j c r o e l e c t m n i c s t e c h n o l o g y m a k et h e c o m p e t i t i o o fe l e c t r o n i cp r o d u c tm a r k e ti n c r e a s j n g l yi t e n s e ，r e q u i r e t os h o r t e nd c v e l o p m e n tp e r i o do ft h ec l e c t m n i cp r o d u c td e s i 眇 u r g e n t l y ，a c c e l e r a t et l l er e n o v a t i o no fp r o d u c t ，d e v i h i g hr e l i a b i l “y l o wc o s t ，v o l u m el i n l ea n dt h eh i g hp e r f b 珊a n c ee l e c t 枷i cp m d u d o fs t r o n gf i i n c t i o nt om e e tt h ec h a l k n g eo ft h cm a r k e t i nr e c e n ty e a f s ，f p g ad c v j c ei sat e c h n j c a la p p l j c a t j o nf o c u so f t h ec o m m l l l l i c a t i 彻t c c h l l i c a li i i d u s t r y ，a n dv h d li sam o r ew i d e l y u s e ds t a n d a i dh a f d w a f ed e s i 弘l a n g u a g e t h ec d m b i n a t i o no ft h e1 w o h a sm e tt h ed e m a n d so ft e c h n o l o g ya n dm a r k e t t _ t l ed c s i g no fp a p e ri sb a s e do nt h i sp o i m ，h a v i n ge x p l a i n e da n d a n a l y z e dh d l cp m t o c o lf i ：r s t l ya n di n t r o d u c e dt h eo p e r a l i o na n du s e o fp r o t o c o la sw e ha st h ec o n c e p to fv a t i o u sf r a m es l n i c t u i e si n p f o t o c 0 1 t 1 l ef o c a lp o i n ti st h eh a r d w a r er e a l i z a t i o no fak i n do f d e s 啦e dp m t o c 0 1 t h ed e s 咖h a sb e e nc o m p j l e d j nq u a n u si i d e v e l o p m e n tt 0 0 la n di m p l e m e n t e di nf p g a 1 m ew h o l es c h e m ei sd e s c r i b e di nt h ev h s i ch a r d w a r e d c s 喇p t i l 舳印a g c ( d l ) n e r c s u l ts h o wt h ed e s i 印i s a t t 珀d i v ef 时l 璐ei ns 锄ca p p l i c a l i o 璐h d i p r o c e s s o rj sd e s i 鼬e d a n da d o p t c db y “i b pt od o 帅”m c 恤0 d t h et 叩州n c i p l cb l o c k d i a 可a mi sd 镐i 伊e db yt h e q u i r c df u l l c t i o n ，w h i c hi sm a d eu po f s e v e r a lf t i n c i i m o d u l 髓e v e r yl a ”ro ff i i n c l i o n si sr l i z e dw i t h i h eh a r d w a r ed e s 谢p t i l 柚肆i s h ，w h i c hm a d ed e s i g l ls i m p l ea n d n e x i b l e ，e a s yt o 糟v i 弛，蛐i t a m ef o rd e s i g no ft h ec o m m 姗j l i o n p r o d u c t so ns h o r t 啪 1 kp a p 盯w 雒c x p l a i n c df r o mf o u e s p e c t so fh d i _ cp f o t o o o l ， f p g ad e v i c e ，v h d ll a n g u 8 9 ea l i dq i l a n u sd e v e l 叩j n gt o o ln c f o 册e rt h r c ec h a p t e 糟h a v eo n l yd o n es i m p l ei n t f o d u c i i o na l l d 强a l y s i s ，k e yp a r ti 4 t hc l i a p l e l l ti sv e r y 璐c f l l lt o 船脚o f km 托a g c f ，o p e f 粕瞄，a n ds y s l c m 哪西n l si d c s i 髓i n ga n di m p l e m e n t i n gn e t w 眦kp 1 8 姗i n g 北京变通大学硕士学位论文 第l 章概述 随着溺络和通信技术的发展，许多传统的业务都已经可以通 过网络来实现。远程网络的互连都是通过广域网来实现的，广泛 使用的广域网主要有公共交换电话网( p s l n ) 、综合业务数字网 i s d n 、x 2 5 分组交换网、帧中继( f m m er e l a v ) 等等。网络的 正常运行都需要网络协议的支持，因此网络协议运行的效率和其 实现的价格比对广域网的发展起着至关重要的作用。 综合业务数字网i s d n 、x 2 5 分组交换网以及帧中继网等网 络的数据链路层协议主要是使用h d i 子集作为其数据链路层协 议，如何在通信产品中高效设计与实现网络协议也是一个技术研 究的热点。 1 1 选题背景 h d l c 协议的硬件实现比较成熟，国外已经有许多专业的芯 片，比如m o t o r o l a 公司的m c 9 2 4 6 0 、s t 公司的m k 5 0 2 5 、z a r l i n k 公司的m t 8 9 5 2 b 等。这些集成电路具有使用简易，功能针对性 强，性能可靠的优点。 h d l c 标准的文本较多，h d l c 芯片出于专用性的目的难以 通用于不同舨本，缺乏应用灵活性。例如c c r r r 、a n s l 、l s o ，m c 等都有各种版本的h d l _ c 标准，有的芯片公司还有自己的标准， 其中对h d l c 的c r c 循环冗余码校验的序列生成多项式等有不 同的规定。 北京交通大学硕士学位论文 论文设计的h d l c 协议控制器由于采用的是f p g a 器件，可 以按照不同的协议版本进行编程选择，应用上非常灵活。数据存 储器容量可以进行选择，解决了数据缓冲容量的问题。 专用于h d l c 的芯片其片内数据存储器容量有限，通常只有 不多字节的f i f o ( 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i 矗片再外接存储器或其它 电路，这样专用芯片的简单易用性就被抵销掉了。 论文设计的h d l c 协议控制器由于采用的是f p g a 器件，可 以按照不同的协议版本进行编程选择，应用上非常灵活。数据存 储器容量可以进行选择，解决了数据缓冲容量的问题。 1 2 h d l c 协议设计方案的选择 实现h d i c 协议控制器有三种方法：a s i c 器件、软件编程 以及f p g a 器件。 实现h d l c 协议控制器通常是采用a s l c 器件和软件编程 等。特定的a s i c 器件具有使用方便，功能针对性强，性能可靠 的优点，因此应用于特定用途的大批量产品中。而h d i _ c 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h d l c 应 用场合，但由于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。对于多路信号的h d l c 应用，处理 器的资源占用率与处理路数成正比，所以软件h d i _ c 一般只能用 于个别路数的低速信号处理。 f p g a ( f i e l dp m 鲫珊a b l eg a t e a n a y ，现场可编程门阵列) 采用硬件技术处理信号，可以通过软件反复编程使用，能够兼顾 北京交通大学硕士学位论文 速度和灵活性，且能并行处理多路信号，可以实时预测和仿真。 v h d l 语言设计灵活，可以用模拟器来验证程序的功能和时 序的正确；不要求设计者非常熟悉器件的内部结构，使得设计者 可以集中精力从事设计构思，可以在各e d a 平台上运行。在中 小批量通信产品的设计生产中，用f p g a 实现h d l c 功能是一种 较好的实现途径。 用f p g a 实现h d l c 功能的方法很多，主要都是通过j 卷片厂 商提供的h d l c 专用芯片，按照所需的功能设置芯片的参数和定 义端口，或购买l p 内核来实现自己所需的功能。这种方式做中小 产品的设计是方便灵活的，但往往受限于特定的芯片，如果只需 芯片的一小部分功能，将会浪费太部分片上的资源，或者如果进 行较大的设计工作则无法使用芯片，因为无法和设计的其它部分 融合在一起作为一个集成芯片的一部分。 论文设计克服了上述缺点，功能模块采用v h d l 语言单独进 行设计，单独验证。即可独立使用又可以作为其他大型设计的元 件进行调用，从而可以综合在一起，生成网表文件，下载到一个 f p g a 芯片上，作为一个集成芯片的一部分，而不是几个芯片连 接在一起，从而提高系统的可靠性和性价比。 论文设计采用的是模块化设计方法，每个模块的添加，删除， 修改都十分灵活。 1 3设计开发漉程 h d l c 协议控制器系统采用的是v h d l 硬件描述语言进行设 计，最后用f p g a 现场可编程门阵列来实现。 4 北京交通大学硕士学位论文 首先按照h d l c 协议控制器的设计思想设计出顶层的原理框 图，由若干个功能模块组成，再把各个模块细化为子模块，各模 块的功能用v h d l 硬件描述语言进行描述，然后在a i 胍r a 公 司设计的3 o 版q u a r t u si i 开发工具上进行综合，对各个模块进行 功能和时序仿真，达到所需的要求后，把各个子模块连接例化成 总体模块，再进行功能和时序仿真确认达到所需的要求，最后把 综合生成的网表文件下载到f p g a 现场可编程门阵列器件上。 f p g a 现场可编程门阵列器件选择了a l 厢r a 公司的f p g a 芯片a c e x l k 系列器件( e p l k 5 0 q c 2 0 8 3 ) ，硬件描述的设计在 经过开发工具验证后再通过数字示波器来检验设计的j 下确性。 1 4协议控制器的功能特点 h d l c 协议控制器实现的功能主要有下面几个特点： 1 、同步操作、8 比特并行后端接口、外部的接收和发送时钟、 并行后端接口可以接c p u 端口。 2 、帧的产生：检测帧开始和结束，空闲状态的检测。 3 、实现数据透明传输o 比特插入和删除操作。 4 、设计中丢弃标志由1 个0 比特加7 个连续的1 ，比特 构成( 0 1 1 1 1 1 1 1 ) e 5 、c r c 循环校验码的生成与检测：1 6 位c r c 多项式( 051 2 1 6 ) ，检测到错误帧后直接丢弃。 6 、先入先出f i f o 存储模块，对帧盼大小无限制，主要由先 入先出h f 0 存储模块的大小和后端数据处理能力决定。 第六点解决了专用h d l c 芯片f o 存储模块容量小的问题 北京变通大学硕士学位论文 1 5设计工作 独立进行开发h d l c 协议控制器系统所完成的工作，主要包 括以f 几个方面： 1 、第二、三章对论文所需资料盼收集整理进行了阐述：主要 包括h d l c 协议、f p g a 器件、d l 语言和q u a n u s 开 发工具四个方面。 2 、第四章在分析研究资料的基础上，规划出h d l c 协议处 理器实现的功能，划分出各个功能模块，制定总体框架， 随后把各个功能模块修改成元件的形式，为了便于调试和 调用，把部分底层功能函数进行封装。 3 、第五章在软件和硬件上对程序设计进行验证，发现问题及 时修改，总结经验。 1 6设计应用 做为一种可以用于商业上的系统，h d i c 协议控制器系统可 以作为数据链路层的协议转发，处理，也可以作为其它应用设计 的元件来调用即l p 核。 北京交通大学硕士学位论文 第2 章h d l c 高级数据链路协议 2 1网络协议 为了进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为 网络协议。网络协议主要由语法、语义和同步。通信协议有层次 特性，大多数的刚络组织都按层或级的方式来组织，在下一层的 基础上建立上一层，每一层的目的都是向其上一层提供一定的服 务，丽把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。 目前应用的网络协议很多，而且差别很大，他们大多参考国 际标准化组织制订的计算机网络七层开放系统互连标准，即o s i 参考模型。其核心内容包含高、中、低三大层，高层面向网络应 用，低层面向网络通信的各种物理设备，而中间层则起信息转换、 信息交换( 或转接) 和传输路径选择等作用，即路由选择核心。该 模型提出了用分层的方法实现计算机网络的互连与互操作功能。 通过分层把一个复杂的问题划分为不同的局部问题，并规定 每一层必须完成的功能。分层将复杂的问题分解为多个相对简单 的问题处理，使得高层用户从具有相同功能的协议层开始进行互 连。从面使得系统变的开放。一般情况，网络协议一部分由软件 实现，另一部分由硬件实现，一部分在主机中实现，另一部分在网 络连接设备中实现。 物理层：负责提供和维护物理线路，并检测处理争用冲突， 提供端到端错误恢复和流控制以比特为单位进行传输。 数据链路层：主要任务是加强物理传输原始比特的功能，以 帧为单位进行传输。 7 北京交通大学硕士学位论文 网络层：关系到予网的运行控制，其中一个关键问题是确定 分组从源端到目的端的“路由选择“，以分组为单位进行传输。 运输层：基本功能是从会话层接收数据，必要时把它分成较 小的单元传递，并确保到达对方的各段信息正确无误。运输层也 要向会话层服务，并最终向网络用户提供服务。 会话层：进行高层通信控制，允许不同机器上的用户建立会 话关系。 表示层：完成某些特定功能。例如：解决数据格式的转换。 表示层关心的是所传输的语法和语义，而表示层以下各层只关心 可靠地传输比特流。 应用层；提供与用户应用有关的功能，包括网络浏览、电子 邮件、不同类文件系统的文件传输、虚拟终端软件、过程作业输 入、目录查询和其他各种通用的和专用的功能等。 2 2数据链路层 2 2 1数据链路层定义 数据链路可以粗略地理解为数据通道。物理层要为终端设备 间的数据通信提供传输媒体及其连接。传输媒体是长期的，连接 是有生存期的，在连接生存期内，收发两端可以进行不等的一次 或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联 络两个过程来实现。这种建立起来的数据收发关系就被称做数据 链路。而在物理媒体上传输的数据难免受到各种不可靠因素的影 响而产生差错，为了弥补物理层上的不足，为上层提供无差错的 数据传输，就要能对数据进行检错和纠错。数据链路的建立，拆 北京交通大学硕士学位论文 除，对数据的检错，纠错都是数据链路层的基本任务。 2 2 2 数据链路层的主要功能 数据链路层是为网络层提供数据传送服务的，这种服务要依 靠本层应具备的功能来实现。数据链路层将本质上不可靠的传输 媒体变成可靠的传输通路提供给网络层。链路层应具备如下功能： 1 、链路连接的建立、拆除。 2 、帧定界和帧同步：链路层的数据传输单元是帧，协议不同， 帧的长短和界面也有差别。 3 、顺序控制：指对帧的收发顺序的控制。 4 、差错检测和恢复：差错检测多用方阵码校验和循环码校验 来检测信道上数据的误码，而帧丢失等用序号检测，各种 错误的恢复则常靠反馈重发技术来完成。 5 、链路标识、流量控制等等。 2 2 3数据链路层的主要协议 数据链路层协议是为收发对等实体问保持一致而制定的，也 为了顺利完成对网络层的服务而制定的。主要协议如下： 1 、i s o l 7 4 5 1 9 7 5 ：”数据通信系统的基本型控制规程”。这 是一种面向字符的标准，利用1 0 个控制字符完成链路的建立，拆 除及数据交换。对帧的收发情况及差错恢复也是靠这些字符来完 成。i s 0 1 1 5 5 、i s 0 1 1 7 7 、 l s 0 2 6 2 6 、l s 0 2 6 2 9 等标准的配合使用 可形成多种链路控制和数据传输方式。 2 、l s 0 3 3 0 9 1 9 8 4 ：称为”h d l c 帧结构”。i s 0 4 3 3 5 1 9 8 4 ： 北京交通大学硕士学位论文 称为”h d l c 规程要素”。l s 0 7 8 0 9 1 9 8 4 ：称为”h d i _ c 规程类 型汇编”。这3 个标准都是为面向比特的数据传输控制而制定的 有人习惯上把这3 个标准组统称为高级链路控制规程。 3 、i s 0 7 7 7 6 ：称为”d t e 数据链路层规程”。与c c i t t x 2 5 u 出”平衡型链路访问规程”相兼容。 2 3h d l c 数据链路协议 h d l c 数据链路协议( h i 曲k v e ld a t au n kc o n t r 0 1 ) 它是一 组用于在网络结点间传送数据的协议。在h d l c 中，数据被组成 一个个的单元( 称为帧) 通过网络发送，并由接收方确认收到。 h d i _ c 协议也管理数据流和数据发送的间隔时间。h d l c 是在数 据链路层中广泛使用的协议之一，现在作为i s 0 的标准。 h d l c 是基于m m 的s d l c 协议的，s d l c 被广泛用于l b m 的大型机环境之中。在h d l c 中，属于s d l c 的被称为通常响应 模式( n r m ) 。在通常响应模式中，基站( 通常是大型机) 发送 数据给本地或远程的二级站。不同类型的h d i c 被用于使用x 2 5 协议的网络和帧中继网络，可以在局域网或广域网中使用。 h d l c 是面向比特位的，数据是一位一位进行监控的，传输 的数据以二进制数据组成。帧中的信息包含了控制和晌应命令。 h d l c 支持全双工传输，在同一时刻，数据在两个方向上传输， 形成了较高的吞吐率。h d l c 适合于点对点和点对多点连接。 h d l c 的子集被用来向x 2 5 、i s d n 和帧中继网提供信令和控 制数据链路。 l o 北京交通大学硕士学位论文 2 3 1h d l c 协议的一些术语： 主站：控制整个链路的工作，可发出命令来确定和改变链路的 状态，包括确定次站、组织数据传输和链路恢复等。 次站：次站也称为从站，指受主站控制，只能发出响应的站， 主站与每一次站均维持一条独立的逻辑链路。 组合站：兼有主次站功能的站。 平衡结构：由两个组合站组成，适用于点点操作。 非平衡结构：由一个主站和一个或多个次站组成，适用于点点、 点。多点操作。 图2 1 、图2 2 画出了平衡结构和非平衡结构的功能示意图 串旦钸响应 uu 手齑躺 次站次站 非平衡结犄 圈2 1图2 2 图2 1 平衡结构由两个组合站组成，适用于点点操作。其中 一个组合站a 向另外一个连接的组合站b 发送命令，b 站接到a 站发送命令后向a 站发送响应。 图2 2 非平衡结构由一个主站和一个或多个次站组成，适用 于点。点、点多点搡作。主站a 向另外一个连接的从站b 发送命 令，b 站接到a 站发送命令后向a 站发送响应。 这里，组合站之间任一站均可发送命令，主从站间只能由主 站发送命令，从站发送响应。 北京交通大学硕士学位论文 2 3 2h d l c 数据传输模式： ( 1 ) 通常响应模式d 浓m ) ：主站具有选择、轮询次站的能力， 并可向次站发送命令或数据；次站只有在主站询问时才能作为响 应传输数据。 ( 2 ) 异步响应模式( a r m ) ：主站具有初始链路，差错校正和 逻辑拆链功能；次站可以主动传输数据。 ( 3 ) 异步平衡模式( a b m ) ：任一组合站均可控制链路，主动 传送数据。 2 3 3h d l c 一般帧格式： 皿l c 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i s o3 3 0 9 标准规定的h d l c 的基本帧结构，见图示： ? ； 起始标志i 地址数据t 控制数据 信息数据獭校验序列结束标志! 。 ： 0 1 1 1 1 1 1 08 b 诋8 b i t s 8 b i i s；1 6 或3 2 b i t s ! o l l l l l l 0 图2 3 ：舯l c 帧结构 其它的h d l c 标准也有类似的帧结构。每帧的起始和结束以 ”7 掣( 0 1 1 1 1 1 1 0 ) 做标志，两个”7 f 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c r c 算法，对 除了插入的”0 ”以外的所有数据进行校验。 为了避免将数据中的“7 酽误为标志，在发送端和接收端应该 1 2 北京交通大学硕士学位论文 相应地对数据流和帧校验序列进行”插零“及”删零”操作。 1 、标志段：数据链路层的数据传输是以帧为单位的，为了解 决帧同步的问题，即从收到的比特流中正确无误的判断出一个帧 的边界，每一帧都以( 0 1 1 1 1 1 1 0 沩开头和结尾。 2 、地址段：用于标识接收站的地址。 3 、控制段：是最为复杂的字段，根据它的定义町将帧分为信 息帧、监督帧和无编号帧。 4 、信息段：所要传输的数据。 5 、帧校验序列：用于对传输数据的检错与纠错，采用循环冗 余校验码f c r c l ，设计中采用c r c l 6 编码。 2 3 4 o ”比特插入法 为了保证帧间隔符“0 1 1 1 1 1 l o ”的唯一性和帧内数据的透明 性，保证a ( 地址字段) 、c ( 控制字段) 、1 ( 信息字段) 、f c s ( 帧 校验序列) 中不出现“0 1 1 1 1 1 1 0 ”的位模式，h d l c 采用了0 位 插入法。 发送端：发送“0 1 1 1 1 1 1 0 ”后，开始数据发送，并在数据发 送过程中，检查发送的位流，一旦发现连续的5 个1 ，则自动 在其后附加上1 个o ，并继续传输后继的位流；数据发送结束 后，追加帧间隔符“0 1 n 儿1 0 ”。 接收端：执行相反的动作：一旦识别出帧间隔符“0 1 1 1 1 1 1 0 ” 之后的位流不是“0 1 1 1 1 1 1 0 ”，则启动接收过程；若识别出连续5 个。1 和1 个o ，则自动丢弃该0 ，以恢复原来的位流；若 识别出连续的6 个1 ，表示数据结束，该数据帧接收完成。 北京交通大学硕士学位论文 2 3 5h d l c 控制帧格式： h d l c 控制帧有三种类型：信息帧i 、监控帧s 、无编号帧u 。 三种类型格式分类构成如图2 4 ： 比特序号 01 23 4 567 r j ? 一n 一 ?、。r 信息帧l on r p fn s 监控帧s1 o t y p e p fn s ：无编号帧u l 1 1h f p 手m 2 图2 4 ：h d l c 控制帧格式 信息帧i ：用于传输用户数据，其控制字段的第0 位规定为o 。 监控帧s ： 用于表示接收状态，其控制字段的第o 、1 位规定为 “1 0 ”，第2 、3 位表示了四种类型的监控帧。 无编号帧u ：用于命令的传输( 建立拆除链路) 等； 2 3 6 h d l c 窗口机制和捎带应答机制 为了减少应答次数，提高传输效率，h d l c 控制规程中引入 了窗口机制和稍带应答。 ( 1 ) 传输窗口：通信双方同意在同一条链路上连续使用的信息帧 序号集。 ( 2 ) 窗口尺寸：通信双方协商同意的，在同一条链路上可连续发 送、且未被认可的信息帧个数；h d l c 窗口尺寸 确定为7 ；即任一方可以最多连续发送7 帧而无需 对方的确认。在信息帧中用n r ，n s 来表示当前窗 口的情况。 1 4 北京交通大学硕士学位论文 ( 3 ) 捎带应答：是h d l c 传输控制规程用于提高传输效率的又 一措施。允许在反向传输的信息帧中附带确认信 息。 ( 4 ) 超时重发：为了防止发送方无期限地等待接收方的确认，收 发双方均设胃计时器。发送方在一定的时问内未 收到接收方传来的确认，表示传输有故障，准备 重发所有未被确认的帧。 发送方：每发送一信息帧，计时，直到收到接收方的确认( 包 括捎带应答) ；若超时，则重发； 接收方：在正确接收到信息帧后，计时；若在一定的时间内 未收到后继信息，则发r r 帧，准备接收，并告诉发送方前面已 接收。 2 3 7h d l c 数据传输过程： h d l c 数据传输过程如图2 5 示意 通信 主机a主机b 阶段 b 未准备好，不 建立 主机a 向主机b 发建立请求 同意建链。向a 链路s a b m 一 发否认信息 一c m r d 北京交通大学硕十学位论文 主机b 已准备 主机a 向主机b 发建立请求 好，同意建链。 s a b m 一一 向a 发确认信息 一一u a ，链路建立成功，进入数据传输阶段 数 a 向b 发第l 块数据，窗口号 b 接收到a 的数 据，给予确认， 为0 ，同时可以接收b 的第 可以接收第1 号 o 号信息i a l ，o ，o 一 信息 一r r1 据 a 向b 发第2 块数据，窗口号 b 向a 发第1 块数 据，同时通知a 为1 ，同时可以接收b 的第 第1 号信息已收 o 号信息 i a 2 ，1 ，o 一一 妥，可以接收第2 号信息 传 + 一i b l 。0 。2 a 向b 发第3 块数据，通知 b 第o 号信息己收妥，可收 第l 号信息 i a 3 2 1 一一 输 a 向b 发第4 块数据，通知 b 向a 发第2 块数 据，同时通知a b 第o 号信息已收妥，可收 第3 号以前信息 第1 号信息 己收妥，可以接 i a 4 3 1 一 收第4 号信息 一i b 2 1 4 1 6 北京交通大学硕上学位论文 拆 a 数据传输结束，向b 发拆 b 同意拆链，向a 链请求 发确认。 除 链 d i s c + + 一u a 路 圈2 5 ：h d l c 数据传输过程 从图2 5 可以看到协议的建立，数据传输以及链路拆除的全 部过程。通信双方的连接是相互控制的，使数据传输和链路控制 有序的进行，有效地保证了数据通信的正常进行。 2 3 8h d l c 规程： ( 1 ) 使用统一的帧格式：实现数据、命令和响应的传输，实施 起来方便； ( 2 ) 采用o 位插入法：使得规程可以支持任意的位流传输，保 证了信息传输的透明性； ( 3 ) 采用窗口机制和捎带应答：支持全双工的传输方式，允许 在未收到确认的情况下，连续发送多个帧，提高了信息传 输的效率； ( 4 ) 采用帧校验序列，并设置窗口序号：可以提高信息传输的 正确性和可靠性。 2 3 9h d l c 的帧校验序列 各种h d t c 问的区别之一是帧校验序列的c r c 算法不同， 1 7 北京交通大学硕十学位论文 这种不同表现在几个方面： ( 1 ) 帧校验序列的位数不同，如1 6 位和3 2 位等。 ( 2 ) c r c 生成多项式不同，如对于1 6 位的c r c ，c c l t tv 4 1 标准的多项式是x 1 6 + x 1 2 + x 5 + 1 ，a n s i c r c 1 6 标准的 多项式是x 1 6 + x 1 5 + x 2 + 1 等。 ( 3 ) c r c 序列的初始化条件不同，如可以初始化为全”0 ”、全”1 ” 等。 ( 4 ) c r c 计算结果的处理方式不同，如可以直接把c r c 结果 发送，或对c r c 结果取反以后再发送等。 ( 5 ) 对接收到的数据做c r c 校验时，合格的判据不同。因为有 了上述的不同处理，自然会得到不同的结果，由此造成合 格判据不同。 2 4 h d l c 协议的应用 h d l c 高级数据链路协议广泛应用于广域网络中。x 2 5 分组 交换网、帧中继以及综合业务数字网i s d n 都采用h d 王_ c 协议的 子集作为自己的数据链路层协议。 x 。2 5 分组交换网络的设备属于网络层设备，支持网络层协议， 如果用户设备采用其它网络层协议，如i p ，则必须将l p 报文封装在x 2 5 报文的数据字段中，然后在x 2 5 报文的基 础上加上l a j p b 帧结构信息，这时才能把u b 帧从所连的 物理线路上发送出去。这里分组交换网络的链路层不能复用， 网络层可以复用，用不同的虚电路标识符来表明不同的虚电 路连接，这些虚电路连接使用同一链路层连接。x 2 5 分组交 北京交通大学硕士学位论文 换的网络协议结构如图2 6 所示 x 2 5网络层 l a p b链路层 x 2 1 、r s - 2 3 2 、v 3 5 物理层 图2 6 ：x 2 5 分组交抉网络协议结构 帧中继网络协议结构定义了用户设备和帧中继网络交换设备 之间接口的协议组成，整个协议结构分成两部分， 一部分是 控制协议。另一部分是用户访问协议。控制协议的主要功能 是在帧中继网络中为两端用户设备建立交换虚电路，而用户 访问协议利用永久虚电路党成数据传输，用户访问协议中的 l a p f 核心部分不包括任何差错控制功能。帧中继网络协议结 构如图2 7 所示：。 控制协议用户访问协议协议层次 q 9 3 1 q 9 3 3 网络层 u 圩f ( q 9 2 2 ) u 圩f ( 核心)链路层 v 3 5 、i 4 3 0 、i 4 3 1物理层 圈2 7 帧中继网络协议结构 综合业务数字网i s d n 网络协议结构如图2 8 所示 呼叫控制协议用户访问协议协议层次 q 9 3 1 i px 2 5 网络层 l a p d ( q 9 2 1 )l ”f ( 核心) l a p b 链路层 i 4 3 0 、i 4 3 1 物理层 圉2 8 ；i s d i 两络协议结构 1 9 北京交通大学硕士学位论文 综合业务数字网i s d n 网络协议结构定义了用户设备和 i s d n 中继网络交换设备之间接口的协议组成，整个协议结 构分成两部分，一部分是一部分是呼叫控制协议，另一部分 是用户访问协议。呼叫控制协议是用户设备和l s d n 交换设 备之间的协议。 2 。5小结 通过对h d l c 高级数据链路协议的分析，可以把协议的实现 按照处理顺序分成三部分，第| 部分为底层，这部分主要执行的 功能是对要发送或接收的数据进行成帧或解帧，这一部分并不涉 及协议之间杓互控。第二部分为中层，这部分主要执行的功能是 对接收或发送的帧数据进行分析，判断帧的类型，对命令或响应 操作进行应答以及对数据帧的处理。第三部分为上层，这部分主 要执行的功能是负责对数据帧的转发或交给上层端口去处理。 这个设计可以用在f p g a 器件之间交换数据的协议或者做为 高层协议的数据链路层的功能块进行调用。 2 0 北京交通大学硕十学位论文 第3 章f p g a 门阵列及设计开发工具 f p g a ( f i e l dp r o g m m m a b l eg a t ea 玎ay ，现场可编程门阵列) 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，实时性能可以预测和 仿真。 v h d l 语言设计灵活，可以用模拟器来验证程序的功能和时 序的正确；不要求设计者非常熟悉器件的内部结构，使得设计者 可以集中精力从事设计构思，可以在各e d a 平台上运行。 在通信产品的设计生产中，用f p g a 实现h d l c 功能是种 值得采用的方法。 3 1 f p g a 现场可编程门阵列 自1 9 8 5 年x j l i n x 公司推出第一片现场可编程逻辑器件 ( f p g a ) 至今，f p g a 已经历了二卜几年的发展历史。在这二十 几年的发展过程中，以f p g a 为代表的数字系统现场集成技术取 得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的1 2 0 0 个可利用 门，发展到9 0 年代的2 5 万个可利用门。 国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商舢t e r a 公司、x i l i n x 公司又陆续推出了数百万门的单片f p g a 芯片，将现场可编程器 件的集成度提高到一个新的水平。 可编程逻辑器件具有巨大的市场吸引力，优点在于：f p g a 不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且 北京交通大学硕土学位论文 其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低。这些优点 促使f p g a 越来越多地取代了a s i c 的市场，特别是对小批量、 多品种的产品需求，使f p g a 成为首选。 目前，f p g a 的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻 辑器件的发展，系统设计进入”片上可编程系统”( s o p c ) 的新纪 元；芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进：国际各大公司都 在积极扩充其i p 库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大 市场；特别是引人注目的所谓f p g a 动态可重构技术的开拓，将 推动数字系统设计观念的巨大转变。 3 1 1基本概念 f p g a 是英文f i e l dp m 擎a m m a b l eg a t e a a y 的缩写，即现场 可编程门阵列，它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础 上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的 一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了 原有可编程器件门电路数有限的缺点。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l j ：a ( l 0 9 i cc c l ia m y ) 这样一 个新概念，内部包括可配置逻辑模块c l b ( c 0 n f i g l l f a b l el 0 9 i c b l o c k ) 、输出输入模块i o b ( h i p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连线 ( h l t e r c o n n e c t ) 三个部分。 f 1 p g a 实际上是由一系列逻辑单元的阵列构成，这些阵列单 元通过可编程连线阵列实现逻辑单元之间的互连，也可实现和可 北京交通大学硕士学位论文 编程i ，o 单元的互连如图3 1 所示： 垂 通 逻 兀 口口口口 口口 口口 一口 厂口口 水平 通路 图3 1 ：f p c a 结构示意图 f p g a 的布线资源是由密布的可编程开关来实现相互问的连 接，且这些布线资源又可实现逻辑单元与逻辑单元、逻辑单元与 i o 单元之间的可编程连接。 3 1 3 肿g a 的基本特点 ( 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能 得到可用的芯片。 ( 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 ( 3 ) f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 ( 4 ) f p g a 是a s l c 电路中设计周期最短、开发费用晟低、风险 最小的器件之一。 ( 5 ) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、 t r l 电平兼容。 可以蜕，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性 的最佳选择之一。 北京交通大学硕士学位论文 3 1 4n g a 的应用需求 作为一种可编程产品，f p g a 器件是为了适应商业的需求而 开发的，它的主要特征是： ( 1 ) 性能上：能够用在更高工作频率上的实时系统的设计中。 ( 2 ) 密度和容量：能进一步提高系统集成度，单片能够容纳更 大量的逻辑。 ( 3 ) 使用便利：由于逻辑综合、布局布线的软件工具的成熟应 用，使用户具有产品设计快速上市的能力。 ( 4 ) 系统可编程能力和可重复编程能力：使产品在生产和库存 时，也可以现场升级和由用户配置。 目前主要有两类主流技术可供在胛g a 的开发中选择，基于 s r a m 工艺技术和基于反熔丝工艺技术的f p g a 。 3 1 5f p g a 著名厂商 ) ( i l i i l x 公司的f p g a x i l i n x 公司自发明f p g a 以来，就不断的推出新器件和开发 工具，力求芯片的速度更高、功耗更低。在其新近开发的产品中， l i i l x 重新定义了未来的可编程逻辑，为用户提供2 5 v ，3 3 v 和 5 v 可编程逻辑系列选择，并利用先进的工艺技术生产出低成本、 高性能的可编程逻辑产品。主要推出了v i n e x 系列和s 口a n t 柚1 m 系列的f p g a 。v i n c x 系列突破了传统f p 6 a 密度和性能限制， 使f p g a 不仅仅是逻辑模块，而成为一种系统元件。) 【i l i n x 产品 的另一个发展方向是实现可编程逻辑器件在大批量生产中的应 用。 北京交通大学硕士学位论文 舢t c r a 公司的f p g a m t e m 公司自从事f p g a 的开发研制以来，不断的进行技术 创新，研制开发新产品。该公司的基于c m o s 的现场可编程逻辑 器件同样具有高速、高密度、低功耗的特点。越t e r a 公司主要有 四个品种系列：胶合( 譬1 u e ) 逻辑类的m a x ，低价位的a c e x 系列、高速眦x 系列、高密度的a p e x 系列。 舢t e m 公司针对通信市场推出的新型低成本器件一a c e x 系 列。舢t e r a 公司还对f p g a 的结构进行优化，提供更多的嵌入式 鼬蝴。新近推出的f l e x1 0 k e 系列器件是以前的f l e x1 0 k 系 列器件的增强型。越t e r a 公司目前正积极倡导s o p c ( s v s t e mo na p m 印m m a b l ec h i p ，系统可编程芯片) 。 舢t e r a 公司为了实现s o p c 的设计，不仅研制开发出新器件， 而且还研制出新的开发工具对这些新器件提供支持，并且与新芯 片及软件相配合的是带知识产权的系统级设计模块解决方案，它 们的参数可由用户自己定义。 a c t e l 公司的f p g a a c t e l 公司一直是世界反熔丝技术f p g a 的领先供应商，主要 有两大系列的反熔丝f p g a 产品一s x a 系列和m x 高速系列。 从x i l i n x 、越t e m 和a c t e l 三家公司开发的f p g a