一种HDLC数据转发的全自动硬件引擎设计

摘要：讨论了一种HDLC协议数据转发的全自动硬件设计。在SDH产品的ECC接口中采用硬件实现，通过自动控制BD的方式，实现HDLC协议的数据重新打包转发、错误处理、重发帧数据等操作，不必CPU干预。该设计实现了两个ECC口收发全双工、8个DCC口点对点同时收发的高速率、多通道设计。

关键词：ECC HDLC BD

在传输产品中，IP over SDH的基本思路，是将IP数据通过点到点协议（PPP）直接映射到SDH帧，从而省掉了中间复杂的ATM层。具体作法是先把IP数据报封装进PPP分组，然后再利用数据链路控制堆积HDLC按照RFC1662的规定组帧，将字节同步映射进SDH包中，加上相应的SDH开销置入STM-N帧中。IP over SDH简单的系统结构如所示，其中PPP层的功能包括IP多协议封装、差错检验和链路初始化控制，而HDLC为PPP封装的IP数据包提供定界，并且01111110表示一帧的开始和结束。

本文讨论如何用全自动硬件方式实现中所示的HDLC模块。
1 传统的CPU实现方式

在中，HDLC模块实现一个HDLC总线到多个点对点HDLC接口之间的数据转发。将HDLC总线的接口称为ECC口，HDLC点对点接口称为DCC口。传统的实现方法如所示，是若干HDLC控制器芯片加一块CPU实现ECC到DCC的数据转发功能。CPU通过软件配置，向HDLC帧中插入或提取用户自定义的10个字节（包括源地址、目标地址、DCC端口号、帧长度等）。以下行为例，HDLC控制器在ECC接口接收数据后，向CPU申请使用SRAM中的缓冲区，CPU进行仲裁，分配缓冲区描述符BD，数据就可以存放在SRAM中。CPU在这些数据发送时需要指定DCC通信。由于数据量较大，每一帧都要进行BD的处理，且数据申请导致中断处理频繁，软件很容易出错。

另外，随着单板集成度的提高，ECC接口的数据量越来越大，DCC接口的通道也越来越多。如果采用传统的CPU实现方式，就必须不断增加HDLC控制器，所要求的CPU性能也越来越高，这在技术上难以实现，成本上也不能接受，因而必须确定一种更经济、有效的技术方式来实现大容量、高效率、低成本的ECC转发技术。采用硬件方式，无须或尽量减少CPU的干预，在ECC接口实现自动的HDLC数据转发。

笔者的目的是将HDLC控制器和CPU的大部分功能用硬件实现，在整个运作过程中，不需要CPU实时协助，可实现全自动控制，CPU只需在开始进行一些初始化和配置工作，同时为CPU提供一些统计信息，方便CPU了解模块数据传送的性能。

2 全自动硬件结构设计

硬件结构如所示，可划分为六大块：ECC接口的发送模块、ECC接口的接收模块、DCC接口的发送模块、DCC接口的接收模块、SRAM控制器和CPU接口。

ECC_TX控制：

·仲裁DCC_RX发过来的数据申请；

·从SRAM内读取数据到内部；

·按照要求添加前10个字节的信息；

·按照协议产生新的16位CRC；

·按照协议发送数据；

·按照协议进行重发操作；

·在操作正确完成后，更新BD和发送指针。ECC_RX控制；

·实时监控HDLC总线上的变化；

·解析正确的HDLC数据包，进行CRC检查；

·接收属于本地址的数据包到SRAM内；

·在发生错误的情况下，放弃已经存入SRAM内的数据；

·在数据包正确接收到SRAM之后，产生新BD并更新接收指针；

DCC_RX控制：

·接收的逻辑有8组，可同时接收；

·实时监控HDLC点对点的数据变化；

·解析正确的HDLC数据包，进行CRC检查；

·接收数据包到SRAM内；

·在发生错误的情况下，放弃已经存入SRAM内的数据；

·在数据包正确接收到SRAM之后，产生新BD并更新接收指针。

DCC_TX控制：

·发送是由自己控制，只需一套逻辑，8个通道轮流发送；

·判断是否有新的数据要发送（判断发送指令是否与接收指针一致）；

·从SRAM内读取数据到内部；

·分析前10个字节的信息，决定8个发送端口的其中1个发送；

·去除前10个字节的信息；

·按照协议产生新的16位CRC；

·按照协议发送数据；

·在操作正确完成之后，更新BD和发送指针。

SRAM控制器：

·这一部分实现数据的存取，ECC接收和发送各1个，DCC接收8个，DCC发送1个，共有11个数据申请；

·考虑到数据流量，SRAM采用16位宽。

CPU接口：

·配置前10个字节的信道，设置源地址和目标地址；

·复位通道；

·提供统计信息，供CPU分析运作情况。

3 数据流

（1）上行数据流

如所示，DCC接收到的数据（8个同时）→正确数据存放于SRAM内→数据取出，添加10字节，从ECC_TX发送出去。

（2）下行数据流

如所示，HDLC总线的数据→地址匹配且正确的数据存到SRAM内→数据取出，从DCC_TX的其中一个端口发送出去。

4 CPU干预程度分析和性能分析

（1） 系统使能后硬件即可正常工作，不需要CPU任何配置，相当于一个自动的微引擎；

（2） 发送部分不受寄存器控制，始终在动作，通过与接收的BD指针比较决定有没有数据要发送；同理、接收部分通过BD指针的比较决定SRAM中还有没有BD空间存放数据，通过BUF指针比较决定要不要存放数据；

（3） 接收部分和发送部分有一个共同的BD和BUF基准地址，有一个各自初始值为0的指针，接收部分每接收一帧数据，指针加2，发送部分可以看到这个批易地的变化；

（4） 通过BD的结构，可以完成接收与发送部分关于数据帧的长度通知；接收部分收到一帧，将统计下来的帧长度存放在BD中，发送部分读到BD中的帧长度，按该长度向SRAM申请数据；

（5） 通过wrap设置，可以完成自动检测空间和返回缓冲区起始地址，重用缓冲区；

（6） 错误处理可以自动恢复和重发。只有发生致命错误，如下溢时，才需要CPU对系统进行复位；

（7） 如果考虑差情况下的速率，速度是5MHz（ECC_HDLC接口），现在SRAM采用16位操作，并且FIFO只有，则访问频率为5MHz/16， SRAM访问需要5个时钟， 此时坏情况是其它9个接口也同时申请数据操作（共11个接口，ECC_HDLC占两个接口，但在5MHz情况下这两个接口只能有一个在运作之中）。此时系统时钟必须满足以下条件才不会产生下溢错误：5MHz/16<sys_clk/(9×5+5),其中(9×5+5)为9个其它设备的数据申请以及它自身数据操作需要的时间。此时得到的系统时钟为：15.625MHz。这个速率对FPGA的硬件实现来说，是毫无困难的。

本系统实现SDH产品中ECC接口到开销处的数据交换，以HDLC协议实现ECC和DCC两边的数据传送，整个传送过程不需要CPU实时控制。采用该设计，可不再使用多个HDLC控制器，CPU可由原来的高性能改为低档CPU，极大地降低成本，同时可具有良好的扩展性。该设计采用Xilinx的Spartan 600E实现，已成功在产品中应用。