CRC码生成与校验电路的设计

-I-目录第1章总体设计方案...................................................................................................11.1设计原理.................................................................................................................11.2设计思路.................................................................................................................21.3设计环境...............................................................................................................3第2章详细设计方案...................................................................................................52.1顶层方案图的设计与实现...................................................................................52.1.1创建顶层图形设计文件...................................................................................62.1.2器件的选择与引脚锁定...................................................................................62.1.3编译、综合、适配...........................................................................................82.2功能模块的设计与实现.......................................................................................82.2.1模2除法器的设计与实现...............................................................................82.2.2移位寄存器的设计与实现.............................................................................102.3仿真调试.............................................................................................................11第3章编程下载与硬件测试.....................................................................................143.1编程下载.............................................................................................................143.2硬件测试及结果分析.........................................................................................14参考文献.........................................................................................................................15附录（电路原理图）...............................................................................................16沈阳航空航天大学课程设计报告-1-第1章总体设计方案1.1设计原理循环冗余校验码(cyclicredundancycheck,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0121...DDDDDkk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0112211......)(DxDxDxDxMkkkk(1-1)多项式(1-1)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ix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位rkkDDDD00...00...0121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)×rx。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：)()()()()(xGxRxQxGxxMr(1-2)沈阳航空航天大学课程设计报告-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)()()()(xMxGxRxxMr(1-3)由式(1-3)可知，CRC码可被G(x)整除，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。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。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4Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0余数出错位正确1100010000无错误1100011001Q01100000010Q11100110100Q21101010011Q31110010110Q41000010111Q50100010101Q6沈阳航空航天大学课程设计报告-3-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。沈阳航空航天大学课程设计报告-4-图1.2COP2000计算机组成原理集成调试软件沈阳航空航天大学课程设计报告-5-（2）EDA环境：•Xilinxfoundationf3.1设计软件Xilinxfoundationf3.1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1.3Xilinxfoundationf3.1设计平台第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。沈阳航空航天大学课程设计报告-6-2.1.1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2.1CRC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2.2CRC码校验电路图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XlinxXCV200软件中可用芯片。（2）引脚锁定沈阳航空航天大学课程设计报告-7-把顶层图形文件中的输入/输出信号安排到XlinxXCV200芯片指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定，各信号及XlinxXCV200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D87A73CLK213VCC47G3100G2101G1102G0103Q6152Q5178Q4184Q3185Q2203Q1111Q0110L693L599L4107L3108L2109L1124沈阳航空航天大学课程设计报告-8-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Xilinxfoundationf3.1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0±1=1，1±0=1，0±0=0，1±1=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