基于PCI总线的HDLC通信卡的设计与实现

PCI总线及在其基础上发展起来的CPCI总线，在工业控制、数据采集、信息通信、航空航天等领域得到了广泛的应用。高级数据链路控制(HDLC)是一个在同步网上传输数据并面向位的数据链路层协议，具有透明传输、可靠性高、传输效率高以及灵活性高等特点，可以实现点到点或者点到多点的数据传输，在路由器、网关等通信或者网络设备中应用广泛。为了满足实际工作的需要，并为后续系统升级提供拓展空间，本文设计并实现了一款基于PCI总线、符合HDLC协议的通信卡，以满足高速数据传输的需要。通信卡采用PCI总线控制器实现PCI总线接口设计，采用FPGA实现HDLC通信协议及接口逻辑设计，采用RS一422标准对外通信，实现与外系统的互连。

1 HDLC通信卡总体方案

通信卡主要采用PCI9054和FPGA构成硬件系统，其硬件结构图如图1所示。数据传输流程为：接收数据时，通过RS一422接口芯片接收数据，数据格式满足简化的HDLC协议；通过FPGA内部的HDI．C模块进行数据接收和串并转换；然后在本地控制逻辑的控制下通过PCI9054以DMA方式传给上位机，实现数据的接收和判读；发送数据时，上位机软件将数据以DMA方式传给PCI9054再输入FPGA，在其内部HDLC模块的作用下，进行数据并串转换和HDLC协议转换，最后通过RS一422发送器进行电平转换和数据发送。预留SDRAM以满足大容量数据通信需要。

2 HDLC通信卡电路设计

2.1 总线接口设计

PCI总线具有高性能、低成本、开放性、兼容性良好等优点，但PCI总线具有严格的时序关系和电气规范，使得开发工作量和难度比较大。PCI总线一般都采用各IC生产商设计的PCI专用接口芯片进行PCI总线设的开发，以减少开发难度、降低上作量。基于此考虑，在本设计中，采用PLX公司的PCI9054芯片进行总线开发。

PCI9054芯片满足PCI V2．2协议，可作为桥接芯片在PCI总线和本地总线(10cal bus)之间提供信息传输，既可以作为两个总线的主控设备去控制总线，也可以作为两个总线的目标设备去响应总线。其本地总线可工作在M、C、J三种模式，可方便地与多种微处理器连接。在C模式下，因本地总线的地址线和数据线分开，时序与控制逻辑比较简单，得到了广泛应用[31。因此本通信卡中，PCI9054工作于C模式从设备方式，本地总线时钟采用40 MHz恒温补偿晶振。PCt9054的PCI总线端引脚按照对应关系与PCI总线金手指连接器相连，本地端地址总线为15 bit，数据总线为32 bit，控制总线包括ADS、BLAST、LHOLD、LHOLDA、LW／R#、READY、EOT#引脚，将它们分别与FPGA的10口互连。

2.2 FPGA芯片选型与设计

HDLC协议是面向比特的高级数据链路控制规程，具有强大的差错检测功能、高效和同步传输的特点，利用它可以确保数据信息可靠互通。市场上有许多使用简单的专用HDLC芯片，但由于HDLC标准的文本较多，这些芯片出于专用目的难以通用于不同版本，缺乏应用灵活性，且其片内存储器容量有限。另一种方法是通过软件对MCU编程实现HDLC协议，虽然功能灵活、适应性强，但处理速度慢、占用处理器资源多，难以高速实现对HDLC数据的插“0”和去“0”操作，一般只适用于路数较少的低速场合141。

为了实现与当前系统HDLC协议的兼容，本通信卡采用FPGA实现HDLC收发功能模块，充分利用FPGA硬件可编程的特点，发挥其速度快、灵活性高、并行处理信号、实时性能够预测的优势。同时，考虑到通信卡传输一帧数据的长度通常为512 KB～1 KB，而PCI9054的DMA只有32长字FIFO，且PCI读写速度与HDLC收发速度不一致，需要利用FIFO进行数据缓存，达到时序匹配的目的。为了提高系统集成度及其可靠性，采用FPGA内部存储单元实现FIFO功能。因此，综合考虑FPGA内部存储单元数量、10引脚数量等，选择Altera公司的EP2C20一F240用于功能模块开发。EP2C20F240为QFP封装，可用IO口142个，内部LE 18 752个，内部RAM为239 616 bit，可以满足系统开发需要。

2.3 差分接口设计

通信卡对外通信采用RS一422方式传输数据，传输频率最高为768 kHz。因此，选用MAXIM公司的RS一422发送器MAX3032E和接收器MAx3094E，其数据传输率最高分别可达20 Mb／s和10 Mb／s，满足数据高速传输需要。

3 HDLC通信卡逻辑设计

通信卡上的FPGA完成PCI9054本地总线数据读写时序逻辑的转换，实现HDLC收发模块和FIFO数据缓存功能。设计中采用VHDL硬件描述语言实现各功能模块，利用Ahera公司的集成开发环境Quartus II(11．0)完成相关的编译、调试、下载等开发工作。

3.1 本地总线数据读写模块

PCI9054工作于C模式从设备方式，采用分散／聚合(Scatter—Gather)DMA方式进行数据快速传输，以发挥其速度快的优势。根据PCI9054读写时序图可知，在C模式从设备方式下，FPGA读取PCI9054本地端ads_n和hlast_n的引脚状态，判断是单周期读写状态还是猝发读写状态，实现地址获取和数据读写，其状态机如图2所示。同时，在上位机读数据完毕后，如果读FI．FO为空则将EOT#引脚拉低，将数据传输结束信号上传，强行停止主机数据读操作。这就需要在DMA初始化过程中，设置DMAMODE寄存器的第14位为EOT#有效模式。