基于MPC860的HDLC通道驅動程序的設計與實現

摘　要： 闡述了MPC860芯片及其SCC接口的基本工作原理，介紹了在SCC通道上實現HDLC協議的基本設計思想及具體實現，并給出了主要功能函數的設計流程。
　　關鍵詞： HDLC MPC860 VxWorks操作系統 驅動程序

　　HDLC作為一種基于點到點/多點的數據鏈路層協議，常常用來連接路由器和網關等網絡設備。摩托羅拉公司生產的MPC860微處理器是當前應用非常廣泛的嵌入式微處理器，良好的性價比和強大的通信與網絡協議處理能力以及豐富的通信接口支持使其非常適合構建VOIP網關；特別是其SCC接口本身支持HDLC協議，因此可以通過它的一個SCC接口來為VOIP網關和信令網之間提供鏈路支持。VOIP作為一種基于IP的數據傳輸技術，廣泛地利用Internet全球互連環境，將傳統的PSTN電話網和Internet網絡合二為一，因此可以有效地降低系統成本和管理成本。作為一種高效且經濟的數據和話音通信方式，它是當前技術研究和開發的熱點。實現VOIP的關鍵是IP網關，其中信令網關主要將信令網的信令信息轉換成Internet網絡的相關報文控制信息。本文介紹如何在MPC860板的SCC2通道上實現HDLC的驅動程序，從而為信令網和網關之間提供鏈路支持。
1 HDLC簡介
　　HDLC是一個在同步網上傳輸數據并面向位的數據鏈路層協議，具有透明傳輸、可靠性高、傳輸效率高以及靈活性高等特點。它采用點對點或多點(多路播送或一對多)連接的主/從結構，要求每個從站都有唯一的地址，從站只有在允許通信時才能且只能和主站通信，這就消除了串行線路上由于幾個從站同時發送引起沖突的可能性。其它的通用的二層協議如SS#7、AppleTalk、 LAPB、LAPD等都是基于HDLC及其幀結構的。HDLC幀結構如圖1所示。

　　F：標志位,每個HDLC幀以8位序列(01111110)標志幀的開始和結束，這是HDLC中僅有的兩個包含連續六個1的可能組合。為了避免在其它域中出現這種組合，HDLC采用了一種叫作位插入的辦法實現組合，即每發現有連續五個1時便在下一位自動插入一個0，接收器在收到連續五個1之后又自動刪去插入的0。標志位除了標志幀的開始和結束外，還可用作時鐘同步，接收設備不斷地搜尋標志位，以實現幀同步，從而保證接收部分對后續字段的正確識別。另外，在幀與幀的空載期間，可以連續發送這種標志序列，用作時間填充。
　　A：目的地址位,用于指示報文發往何站。每個從站必須有唯一的地址，主站必須知道每個從站的指定地址。全“1”構成的地址在HDLC中定義為廣播地址，全“0”構成的地址在HDLC中定義為無站地址，用于測試數據鏈路的狀態。
　　C：控制位,用于系統初始化、標志幀的序號，并在報文發送完成后通知從站響應，對以前發送幀進行應答。尾隨控制段的信息通常用于報文傳輸、出錯報告和其它各種功能，這些功能由控制段的格式完成。有三種格式可供使用：報文格式、監控格式和無序號格式。
　　I：信息域，是可選的。如果信息存在，它必須有8位整數數量的長度。
　　CRC：幀校驗位,長度為16位或32位，幀校驗序列用于對幀進行循環冗余校驗，其校驗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，并且規定為了透明傳輸而插入的“0”不在校驗范圍內。
　　HDLC常被用來向X.25、ISDN和幀中繼網等提供信令和控制數據鏈路。
2 MPC860及其SCC接口
　　MPC860是美國摩托羅拉公司生產的一種通用的32位嵌入式通信控制器。它是以RISC體系結構為基礎并在片內集成有微處理器和多種外設接口的專用通信芯片，具有強大的通信和網絡協議處理能力，可廣泛應用于各種通信和網絡產品中。它主要由嵌入式PowerPC內核、系統接口單元(SIU)和通信處理器模塊(CPM)組成。它的CPM提供了豐富的串行通道，包括四個串行通信控制器(SCC)、兩個串行管理單元(SMC)、一個串行外圍接口(SPI)和一個I2C接口。
　　其中，SCC是MPC860最強大的通信設備。四個SCC端口通過相應的配置可支持不同的協議，如以太網、IEEE802.3 10M局域網、HDLC、appleTalk、通用異步收發協議UART、同步UART、串行紅外線接口IrDA、二進制同步通信BISYNC及透明發送等網絡協議，可以分別用于網橋、路由器、網關、LAN、WAN及專用網。因此，本文將其中的一個SCC端口配置成HDLC模式用在VOIP信令網關中，為信令網和網關之間提供鏈路支持。SCC數據通信基本流程如圖2所示。

　　當處于接收狀態時，數據首先進入FIFO。當接收FIFO充滿時，CPM向SCC發請求，并由CPM RISC處理該請求，然后通過寫SDMA將數據按照緩存描述符的指示存入指定的緩存中。緩存描述符是進行數據收發的基礎，它由三個部分組成：頭16個比特用來描述收發的狀態模式；接下來是數據長度描述符，表示即將存入緩存的數據長度；最后是數據指針，它指向即將存入數據的緩存。發送過程與接收過程基本上是一樣的，通過緩存描述符，能夠正確讀寫緩存。
3 驅動程序的設計思想及其實現
　　這里選擇VxWorks作為本CPU板的操作系統。VxWorks是美國風河系統公司推出的一種高性能、可裁減的實時嵌入式操作系統，以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛應用于通信、軍事、航天等領域。因此，程序的設計必須按照這個操作系統的結構來構建。本文的主要目的是將MPC860處理器的一個SCC通道配置成為HDLC模式，以支持VxWorks操作系統下的HDLC通信，所以程序的設計主要圍繞這個目的進行，在此并沒有按照傳統驅動的模式構建驅動程序，而是直接對硬件進行操作。首先設置通道參數,將其配置成HDLC模式，然后設計基本功能函數。當驅動程序運行時，首先要進行SCC通道的初始化以及存儲區的初始化，然后才開始執行收發功能，在這當中要加上中斷控制。按照這個程序的基本流程，具體的實現分為下面幾步(在本設計中將SCC2配置成HDLC模式)。
3.1 定義參數RAM
　　參數RAM主要包括通道參數RAM和通道協議參數RAM兩部分，SCC通道的主要參數都在這個里面配置。它們包含CPM RISC用來正確操作SCC通道的特定協議所用的信息。
3.2 初始化SCC2
　　(1)將MPC860的PA12、PA13引腳作為SCC2的收發引腳。
　　(2)MPC860有四個BGR和八個外部時鐘引腳，將SCC的收發時鐘分別配置成內部時鐘和外部時鐘。
　　(3)將SCC2配置為NMSI模式。
　　(4)初始化SDCR寄存器，給予SDMA一個仲裁ID以提供U總線上的優先級。
　　(5)初始化SCC2的參數RAM(這步對所有的協議都是通用的)：
　　①設置Rx/TxBD 表的基址相對于雙端口RAM的偏移量；
　　②設置收發緩沖區描述符表基址相對于IMMR寄存器中值的偏移量；
　　③設置Rx/Tx 的函數代碼；
　　④在MRBLR中設置接收緩存的最大空間。
　　(6)針對SCC2的HDLC模式進行初始化；
　　①通過C_MASK和C_PRES 設置CCITT-CRC；
　　②對CPM維護的五個計數器DISFC、CRCEC、 ABTSC、 NMARC和RETRC清零；
　　③在MFLR中定義最大幀長度，通常定義為0x0100，表示最大幀長度為256字節;
　　④在RFTHR中定義接收到多少個HDLC幀時產生一個中斷申請，當將RFTHR置位0x0001時，表示每接收到一個幀產生一個中斷申請;
　　⑤設置接收地址，hmask用來定義地址掩碼，當hmsk＝0x0000時，表示接收所有幀。
　　每個SCC有四個地址存儲器HADDR1~HADDR4，所以每個SCC可識別四個地址，包括廣播地址。接收時，通過與HDLC幀的目的地址進行比較，確定接收該幀還是丟棄。
3.3 初始化收發緩存區描述符
　　(1)在初始化緩存區描述符的過程中，收發都必須停止。通過將GSMR_L2的ENT和ENR置零，然后配置CPCR中的CP命令就可以禁止收發。
　　(2)配置收發緩存區描述符：
　　①配置當前接收緩存區描述符表的基地址，即IMMR的基地址再加上收發緩存區描述符表相對于IMMR的偏移地址。由于發送緩存區描述符表緊跟在接收緩存區描述符表的后面，因此發送緩存區描述符表的基地址為接收緩存區描述符表的基地址加上整個接收緩存區描述符表的長度。
　　②初始化發送緩存區描述符表和接收緩存區描述符表。如果收發緩存區都為空，分別將每一個發送緩存區描述符表和接收緩存區描述符表的狀態模式參數中的狀態位E置1、數據長度置0，并將它們的地址設置成相應的值。如果收緩存區或發緩存區不為空，則應該先將這些緩存區清零。值得注意的是，最后一個收發緩存區描述符表的W位必須置1。
　　(3)初始化完成后，應該將ENT和ENR位置1。
3.4 收發功能的實現
3.4.1 接收函數
　　接收函數流程圖如圖3所示。

　　在GSMR_L2寄存器的ENR位置1的前提下，HDLC控制器進入接收允許狀態。在正式讀入數據前，必須先檢測幀開始標志，并匹配地址，然后決定是否進入接收狀態。進入接收狀態后，首先提取RxBD的狀態模式字節，若接收未準備好，則繼續等待，若準備好了，則開始接收。由于一個數據包可以放置于多個緩存，所以檢測RxBD狀態模式字節的L位，以判斷是否為本幀的最后一個緩存：如果不是，則關閉這個緩存，處理下一個緩存描述字；如果是，接收完最后一個緩存的數據后結束接收過程。對于最后一個buffer，需要檢測是否有接收錯誤。
3.4.2 發送函數
　　發送函數流程圖如圖4所示。

　　在GSMR_L2寄存器的ENT位置1的前提下，HDLC控制器進入發送允許狀態。首先提取TxBD的狀態模式字節，若發送未準備好，則繼續等待，若準備好了，則進入發送狀態，在發送數據中間插入適當的標志位后就可以發送。由于一個發送數據包可以包含多個緩存，所以檢測TxBD狀態模式字節的L位，以判斷是否為最后一個緩存：如果不是，則關閉這個緩存，處理下一個緩存描述字；如果是，控制器進入關閉發送狀態。對于最后一個buffer，需要做兩件事情：(1)檢測是否有發送錯誤。(2)以剩下的實際數據長度作為發送幀中數據段的長度發送出去。
3.5 中斷處理
　　在這個驅動程序中，只處理SCC2產生的中斷。首先確定是否是CPM產生的中斷，然后讀取寄存器CPM中斷向量寄存器(CIVR)的VN字段判斷是否為SCC2產生的中斷。如果是的話，就讀取SCEE確定中斷類型，然后做出相應的處理。
　　本程序通過在MPC860上做環回測試，情況良好。但在程序實現過程中，中斷的控制還有待于進一步完善。