一种HDLC数据转发的全自动硬件引擎设计
2007-03-09
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，然后再利用高级数据链路控制堆积HDLC按照RFC1662的规定组帧，最后将字节同步映射进SDH包中，加上相应的SDH开销置入STM-N帧中。IP over SDH简单的系统结构如图1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图1中所示的HDLC模块。
1 传统的CPU实现方式
在图1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。传统的实现方法如图2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
硬件结构如图3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。
图3
ECC_TX控制：
%26;#183;仲裁DCC_RX发过来的数据申请；
%26;#183;从SRAM内读取数据到内部；
%26;#183;按照要求添加前10个字节的信息；
%26;#183;按照协议产生新的16位CRC；
%26;#183;按照协议发送数据；
%26;#183;按照协议进行重发操作；
%26;#183;在操作正确完成后，更新BD和发送指针。ECC_RX控制；
%26;#183;实时监控HDLC总线上的变化；
%26;#183;解析正确的HDLC数据包，进行CRC检查；
%26;#183;接收属于本地址的数据包到SRAM内；
%26;#183;在发生错误的情况下，放弃已经存入SRAM内的数据；
%26;#183;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：
%26;#183;接收的逻辑有8组，可同时接收；
%26;#183;实时监控HDLC点对点的数据变化；
%26;#183;解析正确的HDLC数据包，进行CRC检查；
%26;#183;接收数据包到SRAM内；
%26;#183;在发生错误的情况下，放弃已经存入SRAM内的数据；
%26;#183;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：
%26;#183;发送是由自己控制，只需一套逻辑，8个通道轮流发送；
%26;#183;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）；
%26;#183;从SRAM内读取数据到内部；
%26;#183;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；
%26;#183;去除前10个字节的信息；
%26;#183;按照协议产生新的16位CRC；
%26;#183;按照协议发送数据；
%26;#183;在操作正确完成之后，更新BD和发送指针。
图4
SRAM控制器：
%26;#183;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；
%26;#183;考虑到数据流量，SRAM采用16位宽。
CPU接口：
%26;#183;配置前10个字节的信道，设置源地址和目标地址；
%26;#183;复位通道；
%26;#183;提供统计信息，供CPU分析运作情况。
3 数据流
（1）上行数据流
如图4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
如图5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；
图5
（7） 如果考虑最差情况下的速率，最高速度是5MHz（ECC_HDLC接口），现在SRAM采用16位操作，并且FIFO只有一级，则访问频率为5MHz/16， 一次SRAM访问需要5个时钟， 此时最坏情况是其它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
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1 传统的CPU实现方式
在图1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。传统的实现方法如图2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
硬件结构如图3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。
图3
ECC_TX控制：
%26;#183;仲裁DCC_RX发过来的数据申请；
%26;#183;从SRAM内读取数据到内部；
%26;#183;按照要求添加前10个字节的信息；
%26;#183;按照协议产生新的16位CRC；
%26;#183;按照协议发送数据；
%26;#183;按照协议进行重发操作；
%26;#183;在操作正确完成后，更新BD和发送指针。ECC_RX控制；
%26;#183;实时监控HDLC总线上的变化；
%26;#183;解析正确的HDLC数据包，进行CRC检查；
%26;#183;接收属于本地址的数据包到SRAM内；
%26;#183;在发生错误的情况下，放弃已经存入SRAM内的数据；
%26;#183;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：
%26;#183;接收的逻辑有8组，可同时接收；
%26;#183;实时监控HDLC点对点的数据变化；
%26;#183;解析正确的HDLC数据包，进行CRC检查；
%26;#183;接收数据包到SRAM内；
%26;#183;在发生错误的情况下，放弃已经存入SRAM内的数据；
%26;#183;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：
%26;#183;发送是由自己控制，只需一套逻辑，8个通道轮流发送；
%26;#183;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）；
%26;#183;从SRAM内读取数据到内部；
%26;#183;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；
%26;#183;去除前10个字节的信息；
%26;#183;按照协议产生新的16位CRC；
%26;#183;按照协议发送数据；
%26;#183;在操作正确完成之后，更新BD和发送指针。
图4
SRAM控制器：
%26;#183;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；
%26;#183;考虑到数据流量，SRAM采用16位宽。
CPU接口：
%26;#183;配置前10个字节的信道，设置源地址和目标地址；
%26;#183;复位通道；
%26;#183;提供统计信息，供CPU分析运作情况。
3 数据流
（1）上行数据流
如图4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
如图5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；
图5
（7） 如果考虑最差情况下的速率，最高速度是5MHz（ECC_HDLC接口），现在SRAM采用16位操作，并且FIFO只有一级，则访问频率为5MHz/16， 一次SRAM访问需要5个时钟， 此时最坏情况是其它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- 祛魅固态电池：一文看懂这项大火的技术
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