海明碼生成與校驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)

1、沈陽航空工業(yè)學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 報 告課程設(shè)計(jì)名稱：計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目：海明碼生成與校驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)院（系）：計(jì)算機(jī)學(xué)院專 業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班 級：7401103學(xué) 號：200704011067姓 名：程 超指導(dǎo)教師：楊 華完成日期：2010年1月15日目 錄第1章 總體設(shè)計(jì)方案 11.1 設(shè)計(jì)原理 11.2 設(shè)計(jì)思路 11.3 設(shè)計(jì)環(huán)境 2第2章 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案 42.1 頂層方案圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 4 62.2 功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 7 7 72.2.3海明碼JIAOYAN模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)93.1 編程下載 133.2 硬件測試及結(jié)果分析 13參考文獻(xiàn) 14附 錄（程序清單

2、或電路原理圖） 15第1章 總體設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)原理海明校驗(yàn)碼是在數(shù)據(jù)中加入幾個校驗(yàn)位，并把數(shù)據(jù)的每一個二進(jìn)制位分配在幾個奇偶校驗(yàn)組中。當(dāng)某一位出錯后，就會引起有關(guān)的幾個校驗(yàn)組的值發(fā)生變化，這不但可以發(fā)現(xiàn)出錯，還能指出是哪一位出錯，為自動糾錯提供了證據(jù)。海明碼能檢測出2位錯誤，并能糾正1位錯誤。（1）數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位的關(guān)系假設(shè)校驗(yàn)位的個數(shù)為r，則它能表示2r個信息，用其中的一個信息指出“沒有錯誤”，其余的2r-1個信息指出錯誤發(fā)生在哪一位。然而錯誤也可能發(fā)生在校驗(yàn)位，因此只有k=2r-1-r個信息能用于糾正被傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)，也就是說要滿足關(guān)系：2r>=k+r+1  (發(fā)現(xiàn)一位

3、錯  2r-1>=k+r (發(fā)現(xiàn)與自動校正一位錯，并發(fā)現(xiàn)兩位錯）數(shù)據(jù)位與校驗(yàn)位的對應(yīng)關(guān)系K值最小的r值14511122627575812045678（2）海明碼的編碼規(guī)律若海明碼的最高位號為m，最低位號為1，即HmHm-1H2H1，則海明碼的編碼規(guī)律通常是： a.校驗(yàn)位與數(shù)據(jù)位之和為m，每個校驗(yàn)位Pi在海明碼中被分在 2i-1的位置，其余各位為數(shù)據(jù)位，并按從低向高逐位依次排列的關(guān)系分配各數(shù)據(jù)位。 b.海明碼的每一位Hi（包含數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位本身）由多個校驗(yàn)位校驗(yàn)，其關(guān)系是被校驗(yàn)的每一位位號要等于校驗(yàn)它的各校驗(yàn)位的位號之和。這樣安排的目的，是希望校驗(yàn)的

4、結(jié)果能正確反映出出錯位的位號。1.2 設(shè)計(jì)思路（一）海明碼的生成：上述規(guī)律討論一個字節(jié)的海明碼。每個字節(jié)由8個二進(jìn)制位組成，此處的k為8，按照數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位的對應(yīng)關(guān)系，r應(yīng)為5，由于總校驗(yàn)位只是檢測兩位出錯還是一位出錯，因此設(shè)計(jì)時不必考慮它的值，設(shè)r為4，故海明碼的總位數(shù)為12，可表示為： H12H11H3H2H1， 4個校驗(yàn)位P4P1對應(yīng)的海明碼位號分別為：H8，H4，H2，H1。其余為數(shù)據(jù)位Di，則有如下排列關(guān)系： D8D7D6D5P4D4D3D2P3D1P2P1每個海明碼的位號要等于參與校驗(yàn)它的幾個校驗(yàn)位的位號之和，因此得出如下的表格：出錯的海明碼位號和校驗(yàn)位位號的關(guān)系海明碼位號數(shù)據(jù)位/

5、校驗(yàn)位參與校驗(yàn)的校驗(yàn)位位號被校驗(yàn)位的海明碼位號=校驗(yàn)位位號之和H1P111=1H2P222=2H3D11,23=1+2H4P344=4H5D21,45=1+4H6D32,46=2+4H7D41,2,47=1+2+4H8P488=8H9D51,89=1+8H10D62,810=2+8H11D71,2,811=1+2+8H12D84,812=4+8P1=D1D2D4D5D7P2=D1D3D4D6D7P3=D2D3D4D8P4=D5D6D7D8在這種安排中，每一位數(shù)據(jù)位，都至少出現(xiàn)3個Pi值的形成關(guān)系中，當(dāng)任一位數(shù)據(jù)碼發(fā)生變化時，必將引起3個或4個Pi值跟著變化，該海明碼的碼距為4。（二）海明碼的校

6、驗(yàn)：海明碼校驗(yàn)函數(shù)（S函數(shù)）及校驗(yàn)過程 <偶校驗(yàn)> S1=P1D1D2D4D5D7S2=P2D1D3D4D6D7S3=P3D2D3D4D8S4=P4D5D6D7D81.3 設(shè)計(jì)環(huán)境·硬件環(huán)境：偉福COP2000型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀、XCV200實(shí)驗(yàn)板、微機(jī)；·EDA環(huán)境：Xilinx foundation f3.1設(shè)計(jì)軟件、COP2000仿真軟件。圖設(shè)計(jì)平臺第2章 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案2.1 頂層方案圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)頂層方案圖實(shí)現(xiàn)海明碼的生成與校驗(yàn)邏輯功能，采用原理圖設(shè)計(jì)輸入方式完成，電路實(shí)現(xiàn)基于XCV200可編程邏輯芯片。在完成原理圖的功能設(shè)計(jì)后，

7、把輸入/輸出信號安排到XCV200指定的引腳上去，實(shí)現(xiàn)芯片的引腳鎖定。頂層圖形文件主要由一個SHENGCHENG元件，ERROR元件和JIAOYAN元件模塊組裝而成的一個完整的設(shè)計(jì)實(shí)體。頂層圖形文件結(jié)構(gòu)如圖所示。圖2.1 SHENGCHENG模塊圖2.2 ERROR模塊圖2.3 JIAOYAN模塊（1）器件的選擇由于硬件設(shè)計(jì)環(huán)境是基于偉福COP2000型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀和XCV200實(shí)驗(yàn)板，故采用的目標(biāo)芯片為Xlinx XCV200可編程邏輯芯片。（2）引腳鎖定把頂層圖形文件中的輸入/輸出信號安排到Xlinx XCV200芯片指定的引腳上去，實(shí)現(xiàn)芯片的引腳鎖定。圖形文件中的輸入/輸出信號X

8、CV200芯片引腳信號ID1P103ID2P102ID3P101ID4P100ID5P97ID6P96ID7P95ID8P94K1P87K2P86K3P85OD1P110OD2P111OD3P203OD4P185OD5P184OD6P178OD7P152OD8P147OH1P125OH2P124OH3P109OH4P108OH5P107OH6P99OH7P93OH8P78OH9P223OH10P222OH11P221OH12P2202.2 功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)海明碼生成與校驗(yàn)設(shè)計(jì)電路是由2個模塊組成，其中SHENGCHENG模塊是由8個輸入端輸入海明碼的8位數(shù)據(jù)位，經(jīng)異或門求得校驗(yàn)位P1,P2

9、,P3,P4,由此輸出12位海明碼；JIAOYAN模塊是由三八譯碼器來改變輸入數(shù)據(jù)的正確性，從而實(shí)現(xiàn)海明碼校驗(yàn)的功能。（1）元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)海明碼生成模塊，原理是通過輸入的數(shù)據(jù)ID1ID8按照公式：P1=D1D2D4D5D7，P2=D1D3D4D6D7，P3=D2D3D4D8，P4=D5D6D7D8，生成了4位校驗(yàn)碼P1P4，得出了12位海明碼。圖2.4 SHENGCHENG模塊內(nèi)部電路（2）功能仿真對創(chuàng)建的SHENGCHENG元件進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證其功能的正確性。圖2.5 SHENGCHENG模塊仿真2.2.2 ERROR模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理是通過3線8線譯碼器選擇性的對8

10、位輸入數(shù)據(jù)的一位取反，得出一組錯誤的數(shù)據(jù)，然后送與校驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行校驗(yàn)。圖2.6 ERROR模塊內(nèi)部電路（2）功能仿真對創(chuàng)建的ERROR元件進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證其功能的正確性圖2.7 ERROR模塊仿真結(jié)果分析：輸入K1-K3為000，輸入D1-D8為10011001，輸出H3、H5、H6、H7、H9、H10、H11、H12為00011001，3線8線譯碼器使數(shù)據(jù)的第一位取反。2.2.3 JIAOYAN模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理是通過S1=P1D1D2D4D5D7，S2=P2D1D3D4D6D7，S3=P3D2D3D4D8，S4=P4D5D6D7D8，連成的電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)

11、是那一位出錯，并對出錯的那一位取反，得出正確的數(shù)據(jù)。圖2.8 JIAOYAN模塊內(nèi)部電路（2）功能仿真對創(chuàng)建的JIAOYAN元件進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證其功能的正確性圖2.9 JIAOYAN模塊仿真2.3 仿真調(diào)試仿真調(diào)試主要驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路邏輯功能、時序的正確性，這里采用輸入8位數(shù)據(jù)位生成12位海明碼,并經(jīng)三八譯碼器來故意輸錯一位海明碼,經(jīng)校驗(yàn)電路來進(jìn)行修改,從而輸出正確的8位數(shù)據(jù)位.仿真調(diào)試時采用兩組數(shù)據(jù)：D1D8第一組數(shù)據(jù)10011001第二組數(shù)據(jù)10000001（1）建立仿真波形文件及仿真信號選擇（2）功能仿真結(jié)果與分析功能仿真波形結(jié)果如圖2.2所示，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表2.3所示。對表2.3與表1

12、.1的內(nèi)容進(jìn)行對比，可以看出功能仿真結(jié)果是正確的，進(jìn)而說明電路設(shè)計(jì)的正確性。表2。3：輸入數(shù)據(jù)8位數(shù)據(jù)(ID1ID83線8線譯碼器輸入(K1K3輸出海明碼(OH1OH12輸出校驗(yàn)后的數(shù)據(jù)(OD1OD810011001000100110011000000110010000001圖2.10 第一組數(shù)據(jù)功能仿真波形結(jié)果圖2.11 第二組數(shù)據(jù)功能仿真波形結(jié)果第3章 編程下載與硬件測試3.1 編程下載利用Xilinx ISE的編程下載功能，將得到的*.bin文件下載到XCV200實(shí)驗(yàn)板的XCV200可編程邏輯芯片中。3.2 硬件測試及結(jié)果分析利用XCV200實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行硬件功能測試。海明碼數(shù)據(jù)位的輸入數(shù)據(jù)

13、通過XCV200實(shí)驗(yàn)板的輸入開關(guān)實(shí)現(xiàn)，輸出數(shù)據(jù)通過XCV200實(shí)驗(yàn)板的LED指示燈和七段數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，其對應(yīng)關(guān)系如表3.1所示。表3.1 XCV200實(shí)驗(yàn)板信號對應(yīng)關(guān)系XCV200芯片引腳信號XCV200實(shí)驗(yàn)板ID1 K0ID2K0ID3K0ID4 K0ID5K0ID6K0ID7K0ID8K0KAK1KBK1KCK1OD1OD8LEDAOH1OH8LEDBOH9OH12七段數(shù)碼管S0利用輸入?yún)?shù)作為輸入數(shù)據(jù)，逐個測試輸出結(jié)果，即用XCV200實(shí)驗(yàn)板的開關(guān)K0、K1輸入數(shù)據(jù)，同時觀察LEDA和LEDB,及七段數(shù)碼管D0的輸出，得到如表3.2所示的硬件測試結(jié)果。表3.2 硬件測試結(jié)果輸 入 信 號輸

14、 出 信 號K1 K0LEDALEDB數(shù)碼管S0000100110011001100101000101090011000000110000001100011108圖3.1 第一組數(shù)據(jù)cop2000仿真下載結(jié)果結(jié)果分析：輸入K1-K3為000，輸入ID1-ID8為10011001，輸出A0-A7為10011001對應(yīng)OD1-OD8,輸出B0-B7為10100010對應(yīng)OH1-OH8，輸出SO為09化為二進(jìn)制為1001對應(yīng) OH12-OH9。 圖3.2 第二組數(shù)據(jù)cop2000仿真下載結(jié)果結(jié)果分析：輸入K1-K3為001，輸入ID1-ID8為10000001，輸出A0-A7為10000001對應(yīng)O

15、D1-OD8,輸出B0-B7為11110001對應(yīng)OH1-OH8，輸出SO為08化為二制為1000對應(yīng)OH12-OH9。參考文獻(xiàn)1 白中英，計(jì)算機(jī)組成原理（第三版）。北京：科學(xué)出版社，20002 王愛英.計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)(第4版M.北京：清華大學(xué)出版社，2006附 錄（程序清單或電路原理圖）總電路原理圖課程設(shè)計(jì)總結(jié)：在做課程設(shè)計(jì)過程中，我遇到了很多問題和困難。例如在第一畫邏輯圖時仿真的結(jié)果不完全正確，后來檢查出是其中的線路有連接重復(fù)或連錯的現(xiàn)象，經(jīng)修改實(shí)現(xiàn)了電路的仿真。第二是在下載到電路板時，原因是COP只能識別XCV2004PQ240的工程，而我的工程是XCV4004PQ240，所以下載時出錯，把工程改為XCV2004PQ240后下載成功。課設(shè)的目的是實(shí)現(xiàn)了海明碼的生成與校驗(yàn)功能，成功地實(shí)現(xiàn)了對輸入八位數(shù)據(jù)生成12位海明碼，以及輸入一位錯的海明碼，對其進(jìn)行校驗(yàn)生成正確的海明碼的功能。通過本次課設(shè)，不僅增強(qiáng)了自己對信息的搜