徐卓农 张永忠
摘要：80C152单片机的工作原理和特点及其在HDLC通信规程中的应用，给出了它的编程方法，并对其系统误码率进行了分析。
关键词：全局串行通道 HDLC规律 CRC差错检验
80C152是一种基于MCS-51的高集成度8位微控制器，也是一种通用通信控制器。它既适用于外围系统或器件的智能管理，也适用于低成本，高速串行通信场合。80C152是80C51的派生产品，保留了80C51的所有功能；增加了新的功能和外围电路，包括：一种叫做全局串行通道（GSC）的高速多协议串行通讯接口，两个直接存储器存取（DMA）通道，HOLD/HLDA总线控制，第5、6、7个I/O口。较大的片内RAM容量。因而特别适用于综合业务数字网（ISDN）、局域网和用户定义的串行多机系统。
1 80C152的主要特性与结构
80C152的主要特性如下：
（1）MCS-51兼容的UART；
（2）多种省电工作方式；
（3）可寻址64K字节数据存储器；
（4）可寻址64K字节程序存储器；
（5）两个通用定时/计数器；
（6）多协议串行通信I/O口（最大2.048Mbps/2.4Mbps），支持CSMA/CD和SDLC/HDLC，用户定义协议；
（7）全双工/半双工通信；
（8）256字节片内RAM；
（9）两个片内DMA通道；
（10）保持/响应（HOLD/HLDA）总线控制；
（11）7个I/O口；
（12）58个SFR；
（13）11个中断源，除包含80C51的5个中断源外，新增的6个中断源用于全局串行通道。
上述（1）～（5）是与80C51相同的特性，（6）～（13）是80C152所特有或比80C51提高的特性。
其结构简图如图1所示。
2 全局串行通道
全局串行通道（GSC）是一个多协议、高性能的串行接口，用作通信控制器。GSC接口支持同步数据链路控制（SDLC）、具有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CD）、用户客义协议和高速数据链路控制（HDLC）协议的子集。GSC功能包括：地址识别、冲突解决、CRC产生、标志产生、自动重发送和硬件应答特性。在使用片内时钟时可实现高至2Mbps数据速率，在使用外部时钟可实现高至2.4Mbps数据速率。在使用串行通道的应用中，GSC可实现国际标准化组织（ISO）参考模型中所描述的开放系统互连（OSI）的数据链数层和物理链路层。
2.1 GSC通道的DMA服务
有两种方法来控制GSC：一是CPU控制；二是DMA控制。在用户软件处理一些任务时（如装入TFIFO、读RFIFO、检查状态标志、发送过程一般跟踪），采用CPU控制。当任务数据增加及使用较高的数据速率。CPU所需开销成为主要时间消耗，最后，会达到CPU花费100%的时间去响应GSC请求。DMA通道可由用户软件设置为由DMA控制器来处理GSC数据传送。80C152有两个DMA通道，一个通道用于接收，一个通道用于发送。使用DMA通道时，CPU可省去为GSC缓冲器基本服务所需的时间。DMA通道可提供的服务类型为：装入TFIFO、从RFIFO中移出数据、在收发结束时通千CPU和响应一定的出错条件。在使用DMA通道时，准备串行发送的数据源或目的可以是内部存储器、外部数据存储器或任何SFR。对DMA和GSC寄存器进行初始化手的唯一任务是允许适当地中断并通知DMA控制器什么时候启动DMA。在DMA启动后，CPU所需做的事就是响应出错条件或等待传送结束。80C152专门为GSC数据传送提供了6个中断源，它们是：GSCRV（GSC接收正确）、GSCRE（GSC接收出错）、GSCTV（GSC发送正确）、GSCTE（GSC发送出错）、DMA0（DMA通道0完成）、DMA1（DMA通道1完成）。
2.2 80152中的DMA
80C152包含两个相同的可16位寻址的通用8位DMA通道；DMA0和DMA1。与每个通道相关的有7个SFR。SARLn和SARHn分别保存源地址的低位和高位字节，合在一起构成16位源地址寄存器。DARLn和DARHn分别存储目的地址的低位和高位字节，合在一起构成16位目的地址寄存器。BCRLn和BCRHn分别保存将被传送字节数据地址的低位和高位字节，合在一起成字节计数寄存器。DCONn包含控制和标志位。
对DMA通道的初始化需设置控制寄存器、源地址和目的地址寄存器。
控制寄存器DCON的装入值及意义如图2所示。
DCONn中的DASn（目的地址空间位）和IDAn（目的地址自动加1位）用于指出数据传送的物理目的空间。DCONn中的SASn(源地址空间位)和ISAn（源地址自动加1位）用于指出数据传送的物理源空间。采用DMA控制器来处理GSC数据传送时，当DMA通道用于接收服务时，首先将接收机传送来的数据自动送入到接收缓冲器RFIFO中，其源地址寄存器应置成RFIFO地址（SARHN=x x H，SARLN=0F4H）；然后，将接收缓冲器中的数据传送到目的地址指定的物理空间，其可以是外部RAM、内部RAM或SFR；最后，对收到的数据进行CRC校验，并通知CPU是否正确接收到该帧数据。当DMA通道用于发送服务时，首先将要发送的数据传送到先入先出发送缓冲器TFIFO中，其目的地址寄存器应置成TFIFO地址（DARHN=xxH，DARLN=85H）；然后，将先入先出发送缓冲器TFIFO中的数据传送给发射机；最后，对发送出去的数据进行CRC校验，并通知CPU是否正确发送了该帧数据。
DCONn中的DM（请求方式位）和TM（传送方式位）用于选择DMA的工作方式。当DMA服务于全局串行通道（GSC）时，应采用串行口请求方式。当DCONn中的GO位置1时，将启动DMA通道工作于全局串行传输方式。当全局串行口接收或发送完一帧数据后，DCONn中的DONE位被置1，并将该信号传送给CPU来产生中断。
3 HDLC操作
高级数据链路控制（High Data Link Control）规程，简称HDLC规程，是面向位的链路控制规程。它与基本型规程不同，链路的监控功能是通过一定的位组合所表示的命令和响应来实现的，这些命令和响应可以与信息报文一起传送。HDLC规程具有透明传输、可靠性高、传输效率高并具有极大的灵活性等特点。它是由IBM公司开发的通信协议，已广泛应用于工业领域。它基于主/从结构，要求每个从部都有唯一的地址。从部只有在允许通信时才能且只能和主站通信，这就消除了串行线路上由于几个从部同时发送引起冲突的可能 性。其帧结构如图3所示。
BOF是HDLC的帧开始标志，为01111110。这是HDLC中仅有的两个包含连续6个1的可能组合之一，另一个可能的组合是中止符。这是因为HDLC采用了一种叫做位插入的过程，每发现有连续5个1时在下一位自动插入一个0，接收器在收到连续5个1之后自动删去插入的0。所有位插入和位删除操作均由GSC完成。BOF除了标志帧的开始，还用作时钟同步和决定地址与控制字位置的参考点。
ADDRESS的地址字段，用于表示报文发往何站。每个从站必须有唯一的地址，主站必须知道每个从站的指定地址。然而有些报文需要发往一个以上的站，这些报文成为广播地址或群地址报文。全1构成的地址总是自动地被GSC接收，在HDLC中定义为广播地址。群地址是指适用于一个以上站的地址，GSC提供了几个地址屏蔽位，以使GSC接收群地址。如果需要的话，用户软件可以接收所有的地址位，这种屏蔽方式使GSC不加区分地接收所有地址。
CONTROL是控制段，它用于系统初始化、标志帧的序号，并在报文发送完成后通知从站响应，对以前发送帧进行应答。由于GSC硬件没有提供控制段的管理功能，用户软件担负着控制段的插入、解释和格式化。尾随控制段的信息通常用于报文传输、出错报告和其他各种功能。这些功能由控制段的格式完成，有三种格式可供使用：报文格式、监控格式和无序号格式。
INFO是报文段，它包含线路中一个器件希望发给另一个器件的报文（数据），其长度可为用户所定，但必须是8位的倍数。报文段由前面的控制段和后面的CRC为接收站所标识。GSC把接收的位通过CRC发生器来决定报文段的末尾。当最后一位或EOF收到后，剩下的位组成CRC。
CRC是循环冗余检测，是一种普通用于串行通信的错误检测方法。
4 系统误码率的分析
80C152提供两种CRC算法：16位和32位算法。在大多数HDLC应用中，16位CRC被使用，支持16位CRC的硬件结构如图4所示。
16位CRC发生器生成的多项式为：
G（X）=X16+X12+X5+1 （1）
CRC工作时，它把收到的位与现行CRC的位15进行异或，放到一个暂存器中。在CRC右移一位时，位15和接收位的异或值再与位4和位11进行异或。暂存器中的位移入位0中。HDLC所需的CRC长度为16位，接收时自动从帧中除去CRC，它不传到CPU。然后把最后16位传往CRC发生器，以保证留下正确的值。检验剩下值是否为001110100001111B（1D0FH）。如不匹配，则产生错误。用户软件允许该中断，从而使CPU可对此进行处理。
CRC校验可以检测长度不大于16的所有突发错误、所有奇数个错误和两个独立错误，以及其他大量错误图样。其计算公式如下：
Eerror：数据位中最大偶数位错
Pe：信道误码率
根据上述计算公式可得，采用全局串行通道（GSC）来实现HDLC规程的数据传输，其系统误码率及帧漏检概率如表1所示。
表1 全局串行通道的系统误码率及帧漏检概率
信道误码率
帧漏检概率
系统误码率
10
-3
1.88×10
-3
1.46×10
-5
10
-4
3.03×10
-7
2.30×10
-9
10
-5
3.18×10
-11
2.41×10
-13
10
-6
3.20×10
-15
2.42×10
-17
5 编程应用实例
下面介绍采用DMA控制全局串行通道（GSC）来实现HDLC规程的编程方法。在该系统中应用两路DMA通道分别控制数据的收、发，其数据收、发子程序的流程图如图5所示。
在现代通信系统和计算机网络中，其链路层和物理层多数均采用HDLC规程。采用80C152单片机来实现HDLC规程，具有成本低、硬件结构简单、软件编程容易等特点，又能够保证高速、可靠的数据传输，具有广泛的应用前景。
摘自 单片机与嵌入式系统应用
