论文-crc算法及fpga的实现.docx

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第一章绪论

信息对人类来说是非常重要的,从古代到现代,信息发挥着越来越大的作用,尤其到了现代,信息更是发挥了无可比拟的作用,因此,如何使得信息能够正确快速的传递,成为了一个非常重要的问题。

人们对信息的认识利用,可以追溯到古代的通信实践。

中国古代的“烽隧相望”还有古罗马地中海诸城市的“悬灯为号”,可以说是传递信息的较为原始的方式。

1.1循环冗余校验的背景及应用

随着社会生产的发展,科技的进步,人们对传递信息的要求急剧增加。

到了20世纪

20年代,怎样提高传递信息的能力和可靠性已成为普遍重视的课题。

在传输过程中发生错误后,能在接收端自行发现或纠正的码叫做纠错码,仅用来发现错误的码一般称之为检错码。

为了使一种码具有检错或纠错能力,需要对原码字增加多余的码元,以便扩大码字之间的差别,即把原码字按照一定的规则变成具有一定冗余度的码字,并使每个码字的码之间有一定的关系,这种关系的建立称为编码。

码字到达接收端后,可以根据编码规则能否满足来判定是否有错误。

当条件不能满足时,按一定规则确定错误所在位置并予以纠

正。

我们把纠错并恢复原码字的过程称为译码"检错码与其他手段结合使用,也可以纠错。

在通信系统中可靠与快速常常是一对矛盾。

如果要求快速,则必然使每个数据码元所占的时间缩短、波形变窄、能量减少,从而在受到干扰后产生错误地可能性增加,传送信息的可靠性随之下降。

如果要求可靠,那么就会使得传送消息的速率变慢。

因此,如何合理地解决可靠性也和速度这一对矛盾,是正确设计一个通信系统的关键问题之一。

为保证传输过程中的正确性,需要对通信过程进行差错控制。

差错控制最为常用的方法包括自动请求重发方式（ARQ）。

前向纠错方式（FEC）和混合纠错（HEC）。

在传输过程误码率较低的时候,采用FEC方式比较理想。

在传输过程误码率较高的时候,采用FEC易出现“乱纠”现象。

而HEC方式则是ARQ和FEC的结合。

在许多数字通信中,广泛采用

ARQ方式,此时的差错控制只需要检错功能。

实现检错功能的差错控制方法有很多,传统方法有:

奇偶校验、校验和检测等,这些方法都是增加数据的冗余位,将校验码和数据一起发送给接收端，然后接收端对接收到的数据进行相同校验,再将得到的校验码和接收到的校验码进行比较,如果二者一致就认为传输正确。

但这些方法都各自有缺点,误判的概率也比较高。

循环冗余校验CRC（cyclicRedundancyCheck）码是由分组线性码的分支而来,简称为循环冗余码,主要应用是二元码字。

编码简单并且误判概率很低,所以在通信系统中得到了广泛的应用。

循环冗余校验码是属于分组码中的一类很重要的线性码,它不仅在理论上有着很好的代数结构,而且它的编码和译码可以通过线性移位寄存器很容易地实现。

循环冗余校验码的检错能力非常强,码重为偶数的循环冗余校验码的检错能力如下:

能

...

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100%检测出奇数个差错;能100%检测出长度小于等于2的两个突发差错;能100%检测出小于等于生成多项式码重dmin-1的随机差错；能100%检测出长度小于等于校验位长w的单个突发差错；能以1-2-（w+1）的概率检出长度为w+l的单个突发差错；能以1-2-w的概率检出长度大于w+1的单个突发差错。

随着信息社会的高度发展,通信网络对社会和个人带来了带来越来越大的影响,社会保障、防灾抗灾、社会公共服务、部门联动和个人工作生活等方面起到不可替代的作用。

现有的技术已无法满足现有的需求,此外,从国家对信息领域的发展战略上也要求我们在未来通信网络的技术储备和设备上要有新理论和新技术的突破。

因此,研究通信网络的

新型传输理论和技术以制造出在国际上富有竞争力的设备和提供先进的解决方案是提高我国综合国力,使我国在国际竞争上立于不败之地的重要举措,也是我们国家在未来信息战争中取得制胜点的关键。

数据在通信网络中如何实现可靠高效实时传输,保证高Qos是服务提供商和用户的共同要求,庞大的市场需求给相关研究者的工作提出了更加苛刻的要求。

目前一些富有前景的技术方向和可用于通信网络的新型理论方向尚未有研究的报道,同时目前解决方案还存在一些问题,相关的理论空白急需填补。

比如对于传统网络中各层数据的CRC编码是彼此独立的,已有的研究表明,如果对各层中的CRC码进行综合考虑,将可以使检错的效率得到优化。

显然旧的分立CRC体制不适合实际网络的设计和优化,因此采用一种新型的CRC编码体制用于网络,对于提高通信系统总体性能。

填补相关技术空白和推动行业学科的整体发展具有重大的意义,这就是我们将在本篇文章中将要介绍的组合CRC码。

Comment[h1]:

内容修改：

如今，人们研究最多的是最新的100G甚至

400G以太网。

以太网的标准为

IEEE802.3。

1.2以太网的简述及基本原理

迄今,人们研究和应用最多的是10M/100M自适应以太网,标准为IEEE802.3和

以太网最初是由DEC、INTEL和XEROX三家公司共同研制出来的计算机局域网,又简称DIX网,后来发展成以太网。

其发展经历了三个阶段,即以太网、快速以太网和千兆以太网。

IEEE8o2.3u。

它具有传输速率高、网络软件丰富、系统功能强、安装连接简单和使用维护方便等许多优点,是目前全球使用最广泛的局域网技术,全球至少有80%以上的局域网采用以太网技术。

目前,以太网MAC控制器的产品较多。

市场上常见的应用于10/100M自适应网卡的

MAC芯片有RealTek公司的RTL8129C/8139C芯片,Winbond公司的W89C840AF芯片,NS公司的DP83815/83816芯片等。

这些芯片大多将以太网MAC层、物理层以及与主机的接口集成在一个芯片上,即三

合一芯片。

支持10/100M自动协商功能,与主机的接口多采用PCI总线,遵循PCI2.1/2.2,并将PCI接口集成在芯片上,支持半/全双工两种工作模式。

在全双工模式下,基于帧的流

量控制符合IEEE802.3x标准。

以太网的MAC控制器主要完成以太网MAC层的功能,每个以太网设备都要用到,其重要性不言而喻。

引目前,很多国外厂商如

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CADANCE,LATICE,XILINX等都拥有自主知识产权的以太网MAC。

近年来,国内的一些研究机构也开展了对以太网MAC层的研究,但大多是将MAC控制器作为模块应用,还未见可与其它通用接口实现互连的lP核。

PAL、GAL、CPLD等编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路

（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

Array），即现场可编程门阵列，它是在

Gate

FPGA（Field－Prorammable

1.3FPGA的发展概况及现状

以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。

这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。

在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip-flop）或者其他更加完整的记忆块。

系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。

一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，但是功耗较低。

但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。

厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。

因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。

另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器设备）。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input OutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。

现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。

FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。

FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。

...

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Comment[h2]:

这块不应该换行

第二章 以太网控制器（MAC）结构功能分析

%0.1以太网的发展和日常应用

从办公室、工厂到家庭，我们正在经历一场网络连接的革命。

企业和住宅用户可以发送和接收空前丰富的语音、数据、图像、视频信息、高度可操作的应用和高级带宽服务。

随着更多的建筑、生产设备、智能家庭、智能因特网设备开始相互连接，巨大的商机呈现在先进半导体的面前。

网络将医院、大学校园、社区、商业和工业团体相互连接起来，同时还能连接到因特网。

随着网络的扩展，用户需要在不同子网之间进行更多的标准化、低成本的连接。

以太网是他们的首选接口。

联网烹饪：

设想一台微波炉带有条形码扫描仪，它的存储器中包含成千上万种菜肴的烹制信息。

微波炉可以通过以太网连接到其它厨房设备，实现智能化家庭管理。

联网售货：

通过连接到网络的售货机，销售商可以监控货物销售，处理实时信用卡交易，进行存货管理和维护，并对恶意破坏行为作出反应。

协议将系

联网医疗：

在病房中使用健康监控器，使护理人员能够密切注视每个房间中的病人，并在护士站的监控器界面上发出报警或警告信号。

微控制器使这一切得以实现微控制器可简化以太网联网，并为各种应用提供连接。

要在这些应用中进行高效通信，微控制器需要一些基本的组件，包括TCP/IP协议栈、媒介访问控制器（MAC）、物理层（PHY），以及足够的程序和数据存储空间资源。

TCP/IP

统连接到因特网，是在网络上传输数据的事实上的标准。

MAC支持IEEE802标准中定义的CSMA/CD，而PHY是第一层协议，可以是电话调制解调器或以太网（EPHY）的形式。

一般所说的以太网协议是指根据IEEE802.3规范制定的局域网协议（LAN,Local

Network）中的CSMA/CD协议。

目前，以太网通信常用的介质是双绞线和光纤。

其中，

CSMA/CD协议是CarriersensemultipleAccesswithCollisionDetection的缩写，是带有检测冲突的载波侦听多路存取协议，IEEE802.3标准适用于1-持续CSMA/CD局域网。

其工作原理是：

当站点希望传送时，它就等到线路空闲为止，否则就立即传输。

如果两个或多个站点同时在空闲的电缆上开始传输，它们就会冲突。

于是