CRC码生成与校验电路的设计.docx

1、CRC码生成与校验电路的设计CRC码生成与校验电路的设计第1章 总体设计方案1.1设计原理循环冗余校验码(cyclic redundancy check,CRC)简称为循环码或CRC码。二进制信息沿一条信号线逐位在设备之间传送称为串行传送，CRC码常用于串行传送过程中的检错与纠错。CRC码的编码格式如图1.1所示，是在k位有效数据之后添加r位校验码，形成总长度为n的CRC码，简写作C(n,k)码。CRC编码的关键技术在于如何从k位信息简便的得到r位校验码，并根据总长度为n的CRC码进行纠错。图1.1设被校验的数据是一个k位的二进制代码，将它表示为一个(k-1)阶的多项式 (1-1)多项式(1-

2、1)中的系数D的取值为0或1，与被校验的数据M一一对应；式中的x是一个伪变量，用指明各位的位置。设校验码P长度为r，将被校验数据D左移r位后的结果为将D左移r位的目的是给D右边添加r个0，形成(k+r)位长度二进制代码，其多项式形式为M(x)。如图1.1所示，CRC码由k位数据D和r位校验码P组成，求校验码P的多项式R(X)的方法如下： (1-2)Q(x)是商，R(x)是余数，R(x)所对应的二进制代码是校验码P。可以证明存在一个最高次幂为n- k=r 的多项式G(x) ,即式(1-2)中G(x),称为生成多项式。 由式(1-2)可以推导出 (1-3)由式(1-3)可知，CRC码可被G(x)整

3、除，余数必然为0.。根据这一特性，接收方将收到的CRC码被G(x)除，若余数为0，则表明传送过程中没有错误发生，若出现一位错，根据余数与出错位一一对应的关系，可利用余数对错误码进行定位。因此，接收方可根据表1.1发现并纠正1位错。 Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0余数出错位正确1100010000无错误1100011001Q01100000010Q11100110100Q21101010011Q31110010110Q41000010111Q50100010101Q6表1.1 循环校验码的出错模式1.2设计思路根据题目要求，信息位k=4，r=n-k=3可知本次实验主要是完成(7,4)码的生成和校验

4、。CRC码生成电路的核心主要由移位寄存器和模2除法器构成,信息位以串行的方式输入。依据CRC码生成与校验原理可知，生成电路中由输入端串行输入的数据D左移3位后，与生成多项式G(x)做模2除法，并将得到的3位余数与4位信息码拼接成7位CRC码。校验电路原理同生成电路，主要由移位寄存器、模2除法器和3.8译码器构成。将待检测的CRC码串行输入到模2除法器和移位寄存器中去，求得3位余数,利用3.8译码器译码将三位余数译码,通过比较可以找出出错位，并将译码结果与移位寄存器的输出结果进行异或，便得到纠正后的正确结果。CRC码生成与校验电路主要包括两个部分：1.生成电路。由移位寄存器接收数据并进行移位，生

5、成多项式由开关直接送入，输入数据与生成多项式通过模2除法器最终生成CRC码。2.校验电路。原理类似生成电路，校验电路中增加了3-8译码器。3-8译码器与异或门共同完成对信息码的的校验与纠正，最后输出校验后的信息码。本设计方案采用的元件有模2除法器模块，移位寄存器模块，3-8译码器，与门，异或门。移位寄存器由7个D触发器构成。模2除法器由若干两输入与门,若干两输入异或门和D触发器构成。1.3 设计环境（1）硬件环境： 伟福COP2000型计算机组成原理实验仪、XCV200实验板、微机。 COP2000集成调试软件 COP2000 集成开发环境是为COP2000 实验仪与PC 机相连进行高层次实验

6、的配套软件，它通过实验仪的串行接口和PC 机的串行接口相连，提供汇编、反汇编、编辑、修改指令、文件传送、调试FPGA 实验等功能，该软件在Windows 下运行。COP2000 集成开发环境界面如图1.2所示。图 1.2 COP2000计算机组成原理集成调试软件（2）EDA环境： Xilinx foundation f3.1设计软件Xilinx foundation f3.1是Xilinx公司的可编程期间开发工具，该平台（如图1.3所示）功能强大，主要用于百万逻辑门设计。该系统由设计入口工具、设计实现工具、设计验证工具三大部分组成。图 1.3 Xilinx foundation f3.1设计平

7、台第2章 详细设计方案2.1 顶层方案图的设计与实现顶层方案图实现CRC码的生成与校验的逻辑功能，采用原理图设计输入方式完成，电路实现基于XCV200可编程逻辑芯片。在完成原理图的功能设计后，把输入/输出信号安排到XCV200指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定。2.1.1创建顶层图形设计文件顶层图形文件的设计实体主要由CRC码生成电路与CRC码校验电路组成。生成电路主要由移位寄存器元件-U2、模2除法器元件-U3构成。如图2.1所示。图2.1 CRC码生成电路图校验电路主要由移位寄存器元件-U5、模2除法器-U4，3-8译码器，异或门集成模块-U6构成。如图2.2所示。图2.2 CRC码校验电

8、路图2.1.2器件的选择与引脚锁定（1）器件的选择由于硬件设计环境是基于伟福COP2000型计算机组成原理实验仪和XCV200实验板，故采用的目标芯片为Xlinx XCV200软件中可用芯片。（2）引脚锁定把顶层图形文件中的输入/输出信号安排到Xlinx XCV200芯片指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定，各信号及Xlinx XCV200芯片引脚对应关系如表2.1所示。 图形文件中的输入/输出信号XCV200芯片引脚D87A73CLK213VCC47G3100G2101G1102G0103Q6152Q5178Q4184Q3185Q2203Q1111Q0110L693L599L4107L3108

9、L2109L1124L0125表2.1 信号和芯片引脚对应关系2.1.3编译、综合、适配利用Xilinx foundation f3.1的原理图编辑器对顶层图形文件进行编译，并最终生成网络表文件，利用设计实现工具经综合、优化、适配，生成可供时序仿真的文件和器件下载编程文件。2.2 功能模块的设计与实现CRC码的生成与校验电路是基于移位寄存器和模2除法器及异或门实现的。2.2.1模2除法器的设计与实现模2加定义：即按位加，可用异或逻辑实现。模2加同模2减结果相同，即01=1，10=1，00=0，11=0。模2除定义：按照模2减求得部分余数。每求一位商应将部分余数减少一位。上商原则是：当部分余数的

10、位数多于除数时，商1，否则，商0。该模块由D触发器、与门和异或门构成。对(7,4)校验码，可采用图2.3所示电路，产生3位的余数Q2、Q1、Q0。图中的模2减用异或门实现，左移一位由移位寄存器实现；用异或门的输出控制左边一位寄存器的D输入端，可同时实现模2减和左移。用最左一位D触发器的取值控制是否做模2减，当其为1时，减去的数就是生成多项式G(x)，为0时减去的就是0000。这里，被除数D是逐位串行送到移位寄存器的，且由CP脉冲同步。其设计过程如下:（1）创建控制器设计原理图。模2除法器原理图如图2.3所示。 图2.3 模2除法器的原理框图（2）创建元件图形符号为能在图形编辑器(原理图设计输入

11、方式)中调用MOD2芯片，需要为MOD2模块创建一个元件图形符号，可利用Xilinx foundation f3.1编译器中的如下步骤实现：Tools=Symbol Wizard=下一步。CP、D是输入信号，Q2、Q1、Q0是输出信号。其元件图形符号如图2.4所示： 图2.4模2除法器元件图形符号（3）功能仿真对创建的控制器模块进行功能仿真，验证其功能的正确性，可用Xilinx Foundation f3.1编译器Simulator模块实现。D端串行输入数据1100000，得到余数Q2、Q1、Q0为010。仿真结果如图2.5所示： 图2.5 模2除法器仿真结果2.2.2移位寄存器的设计与实现该

12、模块由8个D触发器相连接构成，数据通过D端串行输入到D触发器中。每过一个时钟脉冲，输入的数据左移一位，经过7个脉冲后，由7个D触发器的Q端并行输出所输入的数据。（1）创建控制器设计原理图。移位寄存器的原理框图如图2.6所示。图2.6 移位寄存器的原理框图（2）创建元件图形符号为能在图形编辑器（原理图设计输入方式）中调用MOV芯片，需要为MOV模块创建一个元件图形符号，可利用Xilinx foundation f3.1编译器中的如下步骤实现：Tools=Symbol Wizard=下一步。CP、D是输入信号，Q6、Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0是输出信号。其元件图形符号如图2.7所示：图2.

13、7 移位寄存器器元件图形符号（3）功能仿真对创建的控制器模块进行功能仿真，验证其功能的正确性，可用Xilinx Foundation f3.1编译器Simulator模块实现。D串行输入数据1100000，得到结果1100000。仿真结果如图2.8所示： 图2.8 移位寄存器仿真结果2.3 仿真调试仿真调试主要验证设计电路逻辑功能、时序的正确性，本设计中主要采用功能仿真方法对设计的电路进行仿真。（1）建立仿真波形文件及仿真信号选择功能仿真时，首先建立仿真波形文件，添加仿真信号，对选定的输入信号设置参数，选定的仿真信号和设置的参数如表2.2所示。仿真时D输入信息码1100000,A输入循环校验码

14、1100000,G0,G1,G2,G3输入生成多项式1011,VCC恒为1。（2）功能仿真结果与分析功能仿真波形结果如图2.9所示，仿真数据结果如表2.2所示。对表2.2与表1.1的内容进行对比，可以看出功能仿真结果是正确的，进而说明电路设计的正确性。图2.9 功能仿真波形结果DACLOCKQ6Q5Q4Q3Q2Q1Q0L6L5L4L3L2L1L011100000010000000111000000100010110010000110001011000100011110101100001001110110110000010110001011000100111000101100010表2.2 仿真

15、数据结果 输入信息码为：1100000，生成多项式为：1011，应用模2除法器可以求出三位余数为 010 然后把余数和信息码拼接可以得到CRC编码为：1100010 输入需要校验的CRC码为：1100000，生成多项式位：1011，可以求得三位余数位010因为余数不为000，可以判断出接受到的循环校验码是错的，并且错误位在Q1。通过校验电路修改可输出正确的CRC码1100010。由图2.9的仿真图和表2.2的仿真数据结果可以看出，生成的CRC码为1100010，校验之后CRC码为1100010。 第3章 编程下载与硬件测试3.1 编程下载利用COP2000仿真软件的编程下载功能，将得到.bit

16、文件下载到XCV200实验板的XCV200可编程逻辑芯片中。3.2 硬件测试及结果分析利用XCV200实验板进行硬件功能测试。CRC码生成和校验的输入数据通过XCV200实验板的输入开关实现，输出数据通过XCV200实验板的LED指示灯实现，其对应关系如表3.1所示。XCV200芯片引脚信号XCV200实验板XCV200芯片引脚信号XCV200实验板XCV200芯片引脚信号XCV200实验板DK1:0Q6A6L6B6AK2:0Q5A5L5B5CLKCLOCKQ4A4L4B4G3K0:3Q3A3L3B3G2KO:2Q2A2L2B2G1K0:1Q1A1L1B1G0K0:0Q0A0L0B0VCCK3:0表3.1 XCV200实验板信号对应关系参考文献1 曹昕燕. EDA技术实验与课程设计M.北京：清华大学出版社，20062 范延滨.微型计算机系统原理、接口与EDA设计技术M.北京：北京邮电大学出版社，2006 3 爱英.计算机组成与结构(第4版)M.北京：清华大学出版社，20064潘松，黄继业.EDA技术使用教程.北京：科学出版社，20025胡越明.2002.计算机组成与系统结构.北京：电子工业出版社6王炜.2006.计算机组成与设计实验教程.北京：科学出版社附 录（电路原理图）