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三星ARM處理器S3C4510B的HDLC通道使用及編程
摘要
三星16/32位ARM處理器S3C4510B是目前在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛的一種性價比很高的ARM處理器，本文在介紹S3C4510B中HDLC通道結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，詳細(xì)說明了4510中HDLC通道在DMA收發(fā)方式下的工作過程，使用方法和編程中的一些注意事項。
1：S3C4510B簡介
S3C4510B(以下簡稱4510)是韓國三星公司開發(fā)的一款基于ARM7TDMI架構(gòu)的16/32位高性能微處理器。具用豐富的外圍接口，如以太網(wǎng)，HDLC等，可靈活配置，適用于多種應(yīng)用。4510具有以下性能特點：
◆ 8K字節(jié)的內(nèi)部CACHE,也可用作內(nèi)部SRAM
◆ 兩線IIC接口，作為IIC主器件使用
◆ 以太網(wǎng)控制器
◆ 雙通道HDLC控制器
◆ 雙UART
◆ 雙GDMA通道
◆ 兩個32位定時器
◆ 18個可編程IO端口
◆ 中斷控制功能
◆ 外部SDRAM/DRAM/FLASH/ROM控制
本文主要介紹4510中HDLC通道的使用和編程方法。
2：S3C4510B的HDLC通道簡介
HDLC協(xié)議幀結(jié)構(gòu)和特性請參閱相關(guān)書籍和4510數(shù)據(jù)手冊，這里不詳細(xì)介紹。
4510的HDLC通道結(jié)構(gòu)如附圖1所示。具有以下特點：
1． FIFO：發(fā)送和接收模塊都有32字節(jié)（8字）FIFO，提供CPU內(nèi)部總線到HDLC串行接口之間的數(shù)據(jù)緩存功能。
2． DMA：HDLC通道的發(fā)送和接收支持DMA方式。
3． 波特率產(chǎn)生：4510的HDLC通道包含一個可編程的波特率產(chǎn)生計數(shù)器，能夠產(chǎn)生各種波特率的傳輸速率。
4． DPLL：4510的HDLC通道包含一個數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL），提供了時鐘恢復(fù)功能，可從編碼后的數(shù)據(jù)流中迅速提取出時鐘信息。
5． 編碼方式：4510的HDLC通道支持五種編碼方式，分別為NRZ,NRZI,FM0,FM1和差分曼徹斯特編碼，編碼波形請參看附圖2。
詳細(xì)的內(nèi)容請參閱4510數(shù)據(jù)手冊。
3：S3C4510B的HDLC通道工作過程介紹
4510的HDLC通道收發(fā)可工作在CPU模式和DMA模式下，在我們的應(yīng)用和編程中使用了DMA方式，因此這里主要介紹DMA方式下的工作過程。4510的HDLC通道工作過程大致可以分為通道初始化，數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)接收三個部分。
3.1： HDLC通道初始化過程
HDLC通道初始化過程可分為七個步驟；一：通道復(fù)位，恢復(fù)其默認(rèn)配置；二：通過設(shè)置工作模式寄存器（HMODE）來配置HDLC工作模式；三：通過設(shè)置控制寄存器（HCON）來控制HDLC通道的工作；四：通過設(shè)置中斷控制寄存器（HINT）來控制HDLC通道的中斷產(chǎn)生；五：設(shè)置站址寄存器（HSAR0-HSAR3）和站址屏蔽寄存器（HMASK）,以完成接收操作的地址比較功能；六：建立DMA方式的發(fā)送和接收BUFFER描述符鏈表結(jié)構(gòu)，并初始化DMA發(fā)送BUFFER描述符指針寄存器（HDMATxPTR）和DMA接收BUFFER描述符指針寄存器（HDMARxPTR）；七：使能HDLC通道的收發(fā)功能。
3．1．1：HDLC通道復(fù)位
HDLC通道復(fù)位可通過設(shè)置控制寄存器（HCON）前4比特來完成，請參閱4510數(shù)據(jù)手冊。
3．1．2：HDLC通道工作模式配置
工作模式寄存器（HMODE）中的不同位定義了不同的工作模式，這里介紹較常用的幾種模式設(shè)置，詳細(xì)內(nèi)容和配置方法請參閱4510數(shù)據(jù)手冊。
1． 數(shù)據(jù)編碼方式選擇：從所支持的五種編碼方式中選擇。
2． 波特率時鐘源選擇：如果使用4510的內(nèi)部波特率產(chǎn)生器，則需要為其選擇時鐘源，同時根據(jù)不同的時鐘源配置波特率產(chǎn)生計數(shù)器（HBRGTC）產(chǎn)生需要的時鐘信號。
3． DPLL時鐘源選擇：如果使用DPLL，則需要為其選擇要跟蹤的時鐘源。
4． 發(fā)送時鐘選擇：4510的HDLC通道支持多種發(fā)送時鐘源，可通過設(shè)置HDLC通道的模式寄存器中的相應(yīng)位來選擇。
5． 接收時鐘選擇：4510的HDLC通道支持多種接收時鐘源，可通過設(shè)置HDLC通道的模式寄存器中的相應(yīng)位來選擇。
3．1．3：HDLC通道控制寄存器配置
控制寄存器（HCON）控制HDLC通道工作情況，這里介紹常用的控制選項，詳細(xì)的內(nèi)容和配置方法請參閱4510數(shù)據(jù)手冊。
1． 波特率產(chǎn)生/DPLL使能：如果使用了內(nèi)部的波特率產(chǎn)生器或者DPLL，為使它們工作，需要設(shè)置HDLC通道的控制寄存器中相應(yīng)位來啟動工作。
2． 收發(fā)FIFO深度設(shè)置：當(dāng)使用CPU方式進(jìn)行HDLC收發(fā)時，可設(shè)置收發(fā)FIFO深度。FIFO深度可設(shè)置為8字節(jié)/32字節(jié)。當(dāng)使用DMA方式時，此設(shè)置無效。
3． DMA發(fā)送停止/跳過方式設(shè)置：使用DMA方式發(fā)送時，如果當(dāng)前使用的發(fā)送BUFFER描述符不屬于DMA所有，可根據(jù)此設(shè)置來停止DMA發(fā)送，或是跳到發(fā)送BUFFER描述符鏈表中的下一個描述符。
4． DMA接收停止/跳過方式設(shè)置：使用DMA方式接收時，如果當(dāng)前使用的接收BUFFER描述符不屬于DMA所有，可根據(jù)此設(shè)置來停止DMA接收，或是跳到接收BUFFER描述符鏈表中的下一個描述符。
5． 通道空閑標(biāo)志模式設(shè)置：確定通道空閑時發(fā)送哪種空閑標(biāo)志(全1或者0X7E)。
6． Flag發(fā)送模式設(shè)置：確定幀分隔方式(單FLAG或者雙FLAG方式)。
7． 收發(fā)CRC校驗設(shè)置：確定HDLC收發(fā)過程中是否進(jìn)行CRC校驗。
8． HDLC環(huán)回設(shè)置：用于HDLC環(huán)回測試，正常工作時HDLC環(huán)回應(yīng)打開。
3．1．4：HDLC通道中斷控制寄存器（HINT）配置
中斷控制寄存器（HINT）控制HDLC收發(fā)中斷的產(chǎn)生。共有24種中斷產(chǎn)生條件，這里介紹DMA方式收發(fā)時編程中用到的一些中斷產(chǎn)生條件。詳細(xì)內(nèi)容請參閱4510數(shù)據(jù)手冊。
對于HDLC通道發(fā)送中斷：
1. 發(fā)送FIFO下沖：此條件（TxUIE）當(dāng)發(fā)送FIFO產(chǎn)生下沖時發(fā)生。此時DMA發(fā)送被自動禁止，因此發(fā)送中斷處理程序中必須首先清除HDLC狀態(tài)寄存器（HSTAT）中的相應(yīng)位，然后在下次發(fā)送前使能DMA發(fā)送。
2. DMA發(fā)送Abort：此條件（DTxABTIE）當(dāng)DMA發(fā)送放棄時產(chǎn)生，發(fā)送中斷處理程序中必須清除HDLC狀態(tài)寄存器（HSTAT）中的相應(yīng)位。
3. DMA發(fā)送完畢：此條件（DTxFDIE）當(dāng)DMA發(fā)送完一幀時產(chǎn)生，發(fā)送中斷處理程序中必須清除HDLC狀態(tài)寄存器（HSTAT）中的相應(yīng)位。
4. DMA發(fā)送BUFFER描述符指針空：此條件（DTxNLIE）當(dāng)當(dāng)前DMA發(fā)送BUFFER描述符中指向下一個描述符的指針為空時產(chǎn)生。發(fā)送中斷處理程序中必須清除HDLC狀態(tài)寄存器（HSTAT）中的相應(yīng)位。并重新初始化發(fā)送BUFFER描述符鏈表。
5. DMA發(fā)送BUFFER描述符不屬于DMA所有：此條件（DTxNOIE）當(dāng)當(dāng)前DMA發(fā)送BUFFER描述符不屬于DMA所有時發(fā)生。發(fā)送中斷處理程序中必須清除HDLC狀態(tài)寄存器（HSTAT）中的相應(yīng)位。
對于HDLC通道接收中斷：
1． 接收Abort：此條件（RxABTIE）當(dāng)接收到Abort幀時產(chǎn)生，接收中斷處理程序中必須清除HDLC狀態(tài)寄存器（HSTAT）中的相應(yīng)位。
2． DMA接收完畢：此條件（DRxFDIE）當(dāng)DMA接收到一個完整幀時發(fā)生，接收中斷處理程序中必須清除HDLC狀態(tài)寄存器（HSTAT）中的相應(yīng)位。
3． DMA接收BUFFER描述符指針空：此條件（DRxNLIE）當(dāng)當(dāng)前DMA接收BUFFER描述符中指向下一個描述符的指針為空時產(chǎn)生。接收中斷處理程序中必須清除HDLC狀態(tài)寄存器（HSTAT）中的相應(yīng)位。并重新初始化接收BUFFER描述符鏈表。
4． DMA接收BUFFER描述符不屬于DMA所有：此條件（DRxNOIE）當(dāng)當(dāng)前DMA接收BUFFER描述符不屬于DMA所有時發(fā)生。此時DMA接收被自動禁止。因此接收中斷處理程序中必須清除HDLC狀態(tài)寄存器（HSTAT）中的相應(yīng)位，并作相應(yīng)的錯誤處理，避免再次發(fā)生這種錯誤，然后使能DMA接收功能，否則不能繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。
3．1．5：站址寄存器（HSAR0-HSAR3）和站址屏蔽寄存器（HMASK）初始化
4510利用在4個站址寄存器（HSAR0-HSAR3）中保存的站點地址配合站址屏蔽寄存器（HMASK）完成接受過程中的地址比較功能，如果一個HDLC數(shù)據(jù)幀的地址不符，此幀將被簡單地丟棄而不做任何處理。具體的設(shè)置請參閱4510數(shù)據(jù)手冊。
3．1．6：DMA收發(fā)BUFFER描述符鏈表結(jié)構(gòu)建立和指針寄存器初始化
4510的HDLC通道利用BUFFER描述符這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成DMA操作，接收和發(fā)送BUFFER
描述符以及描述符鏈表結(jié)構(gòu)分別如附圖2，3，4所示。我們的應(yīng)用中，建立了雙向環(huán)形鏈表的鏈表結(jié)構(gòu)，而不是單向環(huán)形鏈表結(jié)構(gòu)，雙向環(huán)形鏈表結(jié)構(gòu)與單項環(huán)形鏈表結(jié)構(gòu)不同的地方是每個鏈表中的元素多了一個指向前一元素的指針。這樣在軟件中進(jìn)行鏈表操作時不用每次都遍歷整個鏈表，提高了處理速度。
鏈表結(jié)構(gòu)建立后，需要初始化收發(fā)描述符指針寄存器，對于發(fā)送BUFFER描述符指針寄存器(HDMATxPTR)，將發(fā)送BUFFER描述符鏈表結(jié)構(gòu)的頭節(jié)點地址寫入其中，之后每完成一次DMA發(fā)送操作，4510會自動更新其中的地址，指向下一個發(fā)送BUFFER描述符；對于接收BUFFER描述符指針寄存器(HDMARxPTR)，將接收BUFFER描述符鏈表結(jié)構(gòu)的頭節(jié)點地址寫入其中，之后每完成一次DMA接收操作，4510會自動更新其中的地址，指向下一個接收BUFFER描述符。
3．1．7：使能HDLC通道的收發(fā)功能
所有的初始化工作做完后，就可以使能HDLC通道的收發(fā)功能。此時要分兩種情況：
一：如果使用DMA方式收發(fā)，則需要使能HDLC通道控制寄存器（HCON）中的TxEN,RxEN,DTxEN,DRxEN四個比特位。不過，一般在發(fā)送時，有數(shù)據(jù)后才需要打開發(fā)送使能。
二：如果使用CPU方式收發(fā)，則需要使能HDLC通道控制寄存器（HCON）中的TxEN,RxEN兩個比特位，DTxEN,DRxEN兩個比特位一定不能打開。
3.2： HDLC通道數(shù)據(jù)發(fā)送及中斷處理過程
3．2．1：HDLC通道數(shù)據(jù)發(fā)送過程
DMA方式下HDLC通道的數(shù)據(jù)發(fā)送過程可分為以下幾個步驟：
1． 讀取發(fā)送幀描述符指針寄存器HDMATxPTR，得到當(dāng)前發(fā)送幀描述符的地址，進(jìn)而得到整個發(fā)送幀描述符的內(nèi)容。
2． 得到發(fā)送幀描述符中幀數(shù)據(jù)BUFFER起始地址。
3． 將準(zhǔn)備好的HDLC幀拷貝到BUFFER中。
4． 設(shè)置當(dāng)前幀描述符中的相應(yīng)控制位。
5． 將發(fā)送幀描述符的OWERSHIP位設(shè)置為DMA所有。
6． 使能HDLC的DMA發(fā)送。
完成上面各步驟后，HDLC通道的DMA機制會自動將BUFFER中的數(shù)據(jù)拷貝到HDLC通道
的TxFIFO中發(fā)送出去。一幀發(fā)送完畢后，4510自動將已使用的發(fā)送BUFFER描述符的OWERSHIP位設(shè)置為CPU所有，并將幀描述符指針寄存器HDMATxPTR中的內(nèi)容更新為下一個未使用的發(fā)送BUFFER描述符地址。
3．2．2：HDLC通道數(shù)據(jù)發(fā)送中斷處理過程
當(dāng)一幀數(shù)據(jù)通過DMA方式發(fā)送完畢，或者發(fā)送過程中出現(xiàn)了可引起中斷的異常情況，此時軟件會進(jìn)入中斷處理程序。引起中斷的情況中斷控制寄存器的設(shè)置中已做了說明。在我們的編程中，HDLC通道發(fā)送中斷處理過程主要完成以下一些功能：
1． 進(jìn)入中斷后，首先清除4510中斷指示寄存器INTPEND中相應(yīng)的標(biāo)志位。
2． 如果DMA發(fā)送成功，則進(jìn)行數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功狀態(tài)計數(shù)，并清除HDLC通道狀態(tài)寄存器HSTAT中的相應(yīng)狀態(tài)位。
3． 如果發(fā)送出現(xiàn)異常，則完成相應(yīng)的異常狀態(tài)計數(shù)，并清除HDLC通道狀態(tài)寄存器HSTAT中的相應(yīng)位。其中有兩個異常會影響以后的DMA操作，一：發(fā)送下沖異常（TxU）,發(fā)生此異常時，處理器會自動禁止DMA發(fā)送功能，因此下一次發(fā)送時必須重新使能DMA發(fā)送功能；二：下一個發(fā)送幀描述符指針為空異常（DTxNL）,發(fā)生此異常時，說明建立的DMA發(fā)送BUFFER描述符鏈表結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了錯誤，因此需要重新初始化DMA發(fā)送BUFFER描述符鏈表結(jié)構(gòu)。
4． 做完上述處理可關(guān)閉HDLC通道的DMA發(fā)送功能，等待有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時再重新打開，也可以不關(guān)閉。
3.3： HDLC通道數(shù)據(jù)接收工作原理及中斷處理過程
3．3．1：HDLC通道數(shù)據(jù)接收工作原理
DMA方式下HDLC通道的數(shù)據(jù)接收工作主要在HDLC通道初始化和DMA接收中斷處理中完成，這里主要分析HDLC通道接收工作原理，明白了數(shù)據(jù)接收原理，會給我們編程帶來極大的方便。HDLC通道接收工作原理如下所述：
1． 通道初始化階段，我們建立并初始化了HDLC接收BUFFER描述符鏈表結(jié)構(gòu)，并將鏈表頭節(jié)點的地址寫入到HDLC接收BUFFER描述符指針寄存器HDMARxPTR，這是正確完成DMA方式接收的前提，下面的工作都是在這個前提下自動完成的。
2． 當(dāng)有數(shù)據(jù)到來時，DMA機制會從HDMARxPTR指向的接收BUFFER描述符中找到接收BUFFER起始地址，然后把收到的數(shù)據(jù)寫入到BUFFER中。
3． 如果接收無誤，4510自動更新HDMARxPTR寄存器的值，使其指向下一個還未使用的接收BUFFER描述符，以備下一次接收使用。使用過的接收BUFFER描述符的OWERSHIP位將自動設(shè)置為CPU所有，因此為了能再次使用這個接收BUFFER描述符，必須將它的OWERSHIP位重置為DMA所有。
4． 可以對已存儲在接收BUFFER中的數(shù)據(jù)作各種自定義的操作，實現(xiàn)自定義功能。
3．3．2：HDLC通道數(shù)據(jù)接收中斷處理過程
DMA方式下HDLC通道接收完一幀數(shù)據(jù)，或者接收過程中出現(xiàn)了可引起中斷的異常情況，此時軟件會進(jìn)入中斷處理程序。引起中斷的情況在HDLC通道初始化的步驟4，即中斷控制寄存器的設(shè)置中已做了說明。在我們的編程中，HDLC通道接收中斷處理過程主要完成以下一些功能：
1． 進(jìn)入中斷后，首先清除4510中斷指示寄存器INTPEND中相應(yīng)的標(biāo)志位。
2． 如果DMA接收正確，則進(jìn)行數(shù)據(jù)幀接收成功狀態(tài)計數(shù)，并清除HDLC通道狀態(tài)寄存器HSTAT中的相應(yīng)狀態(tài)位。對接收到的數(shù)據(jù)幀作相應(yīng)的處理后，要重新將是用過的接收BUFFER描述符的OWERSHIP位設(shè)置為DMA所有。
3． 如果接收出現(xiàn)異常，則完成相應(yīng)的異常狀態(tài)計數(shù)，并清除HDLC通道狀態(tài)寄存器HSTAT中的相應(yīng)位。其中有兩個異常會影響以后的DMA操作，一：DMA接收BUFFER描述符不屬于DMA所有（DRxNO）；二：DMA接收BUFFER描述符指針空（DRxNL）。發(fā)生這兩個異常時，說明接收BUFFER描述符雙向環(huán)形鏈表結(jié)構(gòu)出現(xiàn)錯誤，處理器會自動禁止DMA發(fā)送功能，因此建議重構(gòu)接收BUFFER描述符雙向環(huán)形鏈表結(jié)構(gòu)并重新使能DMA發(fā)送功能。
4：S3C4510B的HDLC通道使用中的注意事項
我們編寫了4510的HDLC通道底層驅(qū)動程序，并應(yīng)用在了我們的155M SDH設(shè)備軟件中。通過對軟件的調(diào)試，感覺在使用4510的HDLC通道時，需要注意下面的問題：
1． 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)大端/小端模式要一致，否則收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)高字節(jié)和低字節(jié)顛倒。
2． 使用DMA模式收發(fā)數(shù)據(jù)時，正常狀態(tài)下進(jìn)入中斷后，讀取發(fā)送BUFFER描述符指針寄存器（HDMATxPTR）或接收BUFFER描述符指針寄存器（HDMARxPTR）的內(nèi)容時，他們指向的都是下一個未用的BUFFER描述符。因此想處理接收到的數(shù)據(jù)或者初始化用過的發(fā)送BUFFER描述符時，需要指回到它們。
3． 使用DMA方式時，發(fā)送和接收BUFFER描述符在使用時的OWERSHIP位必須是DMA所有。因為發(fā)送是主動的，所以當(dāng)把數(shù)據(jù)放進(jìn)BUFFER描述符后，可以設(shè)置OWERSHIP位，然后啟動DMA發(fā)送；而接收是被動的，因此數(shù)據(jù)到來前，將要使用的BUFFER描述符必須是DMA所有，這就是每次進(jìn)入接收中斷后需要重置接收BUFFER描述符OWERSHIP位的原因。
4． 當(dāng)發(fā)送端的時鐘信息無法傳遞到接收端時，最好使用DPLL或者發(fā)送前導(dǎo)碼，以便接收端能夠恢復(fù)發(fā)送端的時鐘信息。
5． 當(dāng)使用外部時鐘源發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，注意數(shù)據(jù)采樣點和外部時鐘源的配合。我們的設(shè)備中一塊芯片為4510的HDLC通道提供時鐘，它在時鐘上升沿發(fā)送，下降沿接收，4510的HDLC通道默認(rèn)模式是時鐘下降沿發(fā)送，上升沿接收。我們以這種模式收發(fā)數(shù)據(jù)，存在嚴(yán)重的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定問題，當(dāng)改為上升沿發(fā)送，下降沿接收后，完全正常。因此數(shù)據(jù)采樣點的配合很重要。
6． 4510的HDLC通道收發(fā)方式還可以采用中斷方式，由于時間緊迫和能力有限，我們的程序沒有實現(xiàn)，有興趣地可以參考4510數(shù)據(jù)手冊實現(xiàn)中斷方式收發(fā)。
5：總結(jié)
KS4510B是一款性價比很高的ARM處理器，功能豐富，編程簡單，并且可以配合幾種嵌入式實時操作系統(tǒng)，如pSOS，NUCLEUS等。我們的155M SDH傳輸設(shè)備中，使用4510B和NUCLEUS操作系統(tǒng)，完成了底層控制軟件。經(jīng)過調(diào)試，該軟件性能穩(wěn)定，其中HDLC通道完成了私有網(wǎng)管協(xié)議在SDH環(huán)網(wǎng)上的傳輸轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程管理的功能。
隨著各種電子，通訊產(chǎn)品對性能要求的日益提高，基于先進(jìn)的ARM架構(gòu)的各種32位微處理器也將得到越來越廣泛的應(yīng)用。因此，掌握了ARM處理器的使用和編程方法，必然能在工作中事半功倍，得到良好的結(jié)果和收益。
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