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文檔簡介
1、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21.3 設(shè)計(jì)環(huán)境3第2章 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案52.1 頂層方案圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)52.1.1創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計(jì)文件62.1.2器件的選擇與引腳鎖定62.1.3編譯、綜合、適配82.2 功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)82.2.1模2除法器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)82.2.2移位寄存器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)102.3 仿真調(diào)試11第3章 編程下載與硬件測(cè)試143.1 編程下載143.2 硬件測(cè)試及結(jié)果分析14參考文獻(xiàn)15附 錄(電路原理圖)16第1章 總體設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)原理循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(cyclic redundancy check,CRC)簡稱為循環(huán)碼或CRC碼。二進(jìn)
2、制信息沿一條信號(hào)線逐位在設(shè)備之間傳送稱為串行傳送,CRC碼常用于串行傳送過程中的檢錯(cuò)與糾錯(cuò)。CRC碼的編碼格式如圖1.1所示,是在k位有效數(shù)據(jù)之后添加r位校驗(yàn)碼,形成總長度為n的CRC碼,簡寫作C(n,k)碼。CRC編碼的關(guān)鍵技術(shù)在于如何從k位信息簡便的得到r位校驗(yàn)碼,并根據(jù)總長度為n的CRC碼進(jìn)行糾錯(cuò)。圖1.1設(shè)被校驗(yàn)的數(shù)據(jù)是一個(gè)k位的二進(jìn)制代碼,將它表示為一個(gè)(k-1)階的多項(xiàng)式 (1-1)多項(xiàng)式(1-1)中的系數(shù)D的取值為0或1,與被校驗(yàn)的數(shù)據(jù)M一一對(duì)應(yīng);式中的x是一個(gè)偽變量,用指明各位的位置。設(shè)校驗(yàn)碼P長度為r,將被校驗(yàn)數(shù)據(jù)D左移r位后的結(jié)果為將D左移r位的目的是給D右邊添加r個(gè)0,形
3、成(k+r)位長度二進(jìn)制代碼,其多項(xiàng)式形式為M(x)×。如圖1.1所示,CRC碼由k位數(shù)據(jù)D和r位校驗(yàn)碼P組成,求校驗(yàn)碼P的多項(xiàng)式R(X)的方法如下: (1-2)Q(x)是商,R(x)是余數(shù),R(x)所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼是校驗(yàn)碼P。可以證明存在一個(gè)最高次冪為n- k=r 的多項(xiàng)式G(x) ,即式(1-2)中G(x),稱為生成多項(xiàng)式。 由式(1-2)可以推導(dǎo)出 (1-3)由式(1-3)可知,CRC碼可被G(x)整除,余數(shù)必然為0.。根據(jù)這一特性,接收方將收到的CRC碼被G(x)除,若余數(shù)為0,則表明傳送過程中沒有錯(cuò)誤發(fā)生,若出現(xiàn)一位錯(cuò),根據(jù)余數(shù)與出錯(cuò)位一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,可利用余
4、數(shù)對(duì)錯(cuò)誤碼進(jìn)行定位。因此,接收方可根據(jù)表1.1發(fā)現(xiàn)并糾正1位錯(cuò)。 Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0余數(shù)出錯(cuò)位正確1100010000無錯(cuò)誤1100011001Q01100000010Q11100110100Q21101010011Q31110010110Q41000010111Q50100010101Q6表1.1 循環(huán)校驗(yàn)碼的出錯(cuò)模式1.2 設(shè)計(jì)思路根據(jù)題目要求,信息位k=4,r=n-k=3可知本次實(shí)驗(yàn)主要是完成(7,4)碼的生成和校驗(yàn)。CRC碼生成電路的核心主要由移位寄存器和模2除法器構(gòu)成,信息位以串行的方式輸入。依據(jù)CRC碼生成與校驗(yàn)原理可知,生成電路中由輸入端串行輸入的數(shù)據(jù)D左移3位后,與生
5、成多項(xiàng)式G(x)做模2除法,并將得到的3位余數(shù)與4位信息碼拼接成7位CRC碼。校驗(yàn)電路原理同生成電路,主要由移位寄存器、模2除法器和3.8譯碼器構(gòu)成。將待檢測(cè)的CRC碼串行輸入到模2除法器和移位寄存器中去,求得3位余數(shù),利用3.8譯碼器譯碼將三位余數(shù)譯碼,通過比較可以找出出錯(cuò)位,并將譯碼結(jié)果與移位寄存器的輸出結(jié)果進(jìn)行異或,便得到糾正后的正確結(jié)果。CRC碼生成與校驗(yàn)電路主要包括兩個(gè)部分:1.生成電路。由移位寄存器接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行移位,生成多項(xiàng)式由開關(guān)直接送入,輸入數(shù)據(jù)與生成多項(xiàng)式通過模2除法器最終生成CRC碼。2.校驗(yàn)電路。原理類似生成電路,校驗(yàn)電路中增加了3-8譯碼器。3-8譯碼器與異或門共同完
6、成對(duì)信息碼的的校驗(yàn)與糾正,最后輸出校驗(yàn)后的信息碼。本設(shè)計(jì)方案采用的元件有模2除法器模塊,移位寄存器模塊,3-8譯碼器,與門,異或門。移位寄存器由7個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。模2除法器由若干兩輸入與門,若干兩輸入異或門和D觸發(fā)器構(gòu)成。1.3 設(shè)計(jì)環(huán)境(1)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)。 COP2000集成調(diào)試軟件 COP2000 集成開發(fā)環(huán)境是為COP2000 實(shí)驗(yàn)儀與PC 機(jī)相連進(jìn)行高層次實(shí)驗(yàn)的配套軟件,它通過實(shí)驗(yàn)儀的串行接口和PC 機(jī)的串行接口相連,提供匯編、反匯編、編輯、修改指令、文件傳送、調(diào)試FPGA 實(shí)驗(yàn)等功能,該軟件在Windows 下運(yùn)行。C
7、OP2000 集成開發(fā)環(huán)境界面如圖1.2所示。圖 1.2 COP2000計(jì)算機(jī)組成原理集成調(diào)試軟件(2)EDA環(huán)境: Xilinx foundation f3.1設(shè)計(jì)軟件Xilinx foundation f3.1是Xilinx公司的可編程期間開發(fā)工具,該平臺(tái)(如圖1.3所示)功能強(qiáng)大,主要用于百萬邏輯門設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由設(shè)計(jì)入口工具、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具、設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具三大部分組成。圖 1.3 Xilinx foundation f3.1設(shè)計(jì)平臺(tái)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)CRC碼的生成與校驗(yàn)的邏輯功能,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
8、。在完成原理圖的功能設(shè)計(jì)后,把輸入/輸出信號(hào)安排到XCV200指定的引腳上去,實(shí)現(xiàn)芯片的引腳鎖定。2.1.1創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計(jì)文件頂層圖形文件的設(shè)計(jì)實(shí)體主要由CRC碼生成電路與CRC碼校驗(yàn)電路組成。生成電路主要由移位寄存器元件-U2、模2除法器元件-U3構(gòu)成。如圖2.1所示。圖2.1 CRC碼生成電路圖校驗(yàn)電路主要由移位寄存器元件-U5、模2除法器-U4,3-8譯碼器,異或門集成模塊-U6構(gòu)成。如圖2.2所示。圖2.2 CRC碼校驗(yàn)電路圖2.1.2器件的選擇與引腳鎖定(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
9、XCV200軟件中可用芯片。(2)引腳鎖定把頂層圖形文件中的輸入/輸出信號(hào)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,各信號(hào)及Xlinx XCV200芯片引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2.1所示。 圖形文件中的輸入/輸出信號(hào)XCV200芯片引腳D87A73CLK213VCC47G3100G2101G1102G0103Q6152Q5178Q4184Q3185Q2203Q1111Q0110L693L599L4107L3108L2109L1124L0125表2.1 信號(hào)和芯片引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系2.1.3編譯、綜合、適配利用Xilinx foundation f3.1的原理圖編輯器對(duì)頂層圖形文件
10、進(jìn)行編譯,并最終生成網(wǎng)絡(luò)表文件,利用設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具經(jīng)綜合、優(yōu)化、適配,生成可供時(shí)序仿真的文件和器件下載編程文件。2.2 功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)CRC碼的生成與校驗(yàn)電路是基于移位寄存器和模2除法器及異或門實(shí)現(xiàn)的。2.2.1模2除法器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)模2加定義:即按位加,可用異或邏輯實(shí)現(xiàn)。模2加同模2減結(jié)果相同,即0±1=1,1±0=1,0±0=0,1±1=0。模2除定義:按照模2減求得部分余數(shù)。每求一位商應(yīng)將部分余數(shù)減少一位。上商原則是:當(dāng)部分余數(shù)的位數(shù)多于除數(shù)時(shí),商1,否則,商0。該模塊由D觸發(fā)器、與門和異或門構(gòu)成。對(duì)(7,4)校驗(yàn)碼,可采用圖2.3所示電路,產(chǎn)
11、生3位的余數(shù)Q2、Q1、Q0。圖中的模2減用異或門實(shí)現(xiàn),左移一位由移位寄存器實(shí)現(xiàn);用異或門的輸出控制左邊一位寄存器的D輸入端,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)模2減和左移。用最左一位D觸發(fā)器的取值控制是否做模2減,當(dāng)其為1時(shí),減去的數(shù)就是生成多項(xiàng)式G(x),為0時(shí)減去的就是0000。這里,被除數(shù)D是逐位串行送到移位寄存器的,且由CP脈沖同步。其設(shè)計(jì)過程如下:(1)創(chuàng)建控制器設(shè)計(jì)原理圖。模2除法器原理圖如圖2.3所示。 圖2.3 模2除法器的原理框圖(2)創(chuàng)建元件圖形符號(hào)為能在圖形編輯器(原理圖設(shè)計(jì)輸入方式)中調(diào)用MOD2芯片,需要為MOD2模塊創(chuàng)建一個(gè)元件圖形符號(hào),可利用Xilinx foundation f3.1
12、編譯器中的如下步驟實(shí)現(xiàn):Tools=>Symbol Wizard=>下一步。CP、D是輸入信號(hào),Q2、Q1、Q0是輸出信號(hào)。其元件圖形符號(hào)如圖2.4所示: 圖2.4模2除法器元件圖形符號(hào)(3)功能仿真對(duì)創(chuàng)建的控制器模塊進(jìn)行功能仿真,驗(yàn)證其功能的正確性,可用Xilinx Foundation f3.1編譯器Simulator模塊實(shí)現(xiàn)。D端串行輸入數(shù)據(jù)1100000,得到余數(shù)Q2、Q1、Q0為010。仿真結(jié)果如圖2.5所示: 圖2.5 模2除法器仿真結(jié)果2.2.2移位寄存器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)該模塊由8個(gè)D觸發(fā)器相連接構(gòu)成,數(shù)據(jù)通過D端串行輸入到D觸發(fā)器中。每過一個(gè)時(shí)鐘脈沖,輸入的數(shù)據(jù)左移一位
13、,經(jīng)過7個(gè)脈沖后,由7個(gè)D觸發(fā)器的Q端并行輸出所輸入的數(shù)據(jù)。(1)創(chuàng)建控制器設(shè)計(jì)原理圖。移位寄存器的原理框圖如圖2.6所示。圖2.6 移位寄存器的原理框圖(2)創(chuàng)建元件圖形符號(hào)為能在圖形編輯器(原理圖設(shè)計(jì)輸入方式)中調(diào)用MOV芯片,需要為MOV模塊創(chuàng)建一個(gè)元件圖形符號(hào),可利用Xilinx foundation f3.1編譯器中的如下步驟實(shí)現(xiàn):Tools=>Symbol Wizard=>下一步。CP、D是輸入信號(hào),Q6、Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0是輸出信號(hào)。其元件圖形符號(hào)如圖2.7所示:圖2.7 移位寄存器器元件圖形符號(hào)(3)功能仿真對(duì)創(chuàng)建的控制器模塊進(jìn)行功能仿真,驗(yàn)證其功能
14、的正確性,可用Xilinx Foundation f3.1編譯器Simulator模塊實(shí)現(xiàn)。D串行輸入數(shù)據(jù)1100000,得到結(jié)果1100000。仿真結(jié)果如圖2.8所示: 圖2.8 移位寄存器仿真結(jié)果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(shí)序的正確性,本設(shè)計(jì)中主要采用功能仿真方法對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。(1)建立仿真波形文件及仿真信號(hào)選擇功能仿真時(shí),首先建立仿真波形文件,添加仿真信號(hào),對(duì)選定的輸入信號(hào)設(shè)置參數(shù),選定的仿真信號(hào)和設(shè)置的參數(shù)如表2.2所示。仿真時(shí)D輸入信息碼1100000,A輸入循環(huán)校驗(yàn)碼1100000,G0,G1,G2,G3輸入生成多項(xiàng)式1011,VCC恒為1。(2)功
15、能仿真結(jié)果與分析功能仿真波形結(jié)果如圖2.9所示,仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表2.2所示。對(duì)表2.2與表1.1的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)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。圖2.9 功能仿真波形結(jié)果DACLOCKQ6Q5Q4Q3Q2Q1Q0L6L5L4L3L2L1L011100000010000000111000000100010110010000110001011000100011110101100001001110110110000010110001011000100111000101100010表2.2 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果 輸入信息碼為:1100000,生成多項(xiàng)式為:1011,應(yīng)用模2除法器可以求
16、出三位余數(shù)為 010 然后把余數(shù)和信息碼拼接可以得到CRC編碼為:1100010 輸入需要校驗(yàn)的CRC碼為:1100000,生成多項(xiàng)式位:1011,可以求得三位余數(shù)位010因?yàn)橛鄶?shù)不為000,可以判斷出接受到的循環(huán)校驗(yàn)碼是錯(cuò)的,并且錯(cuò)誤位在Q1。通過校驗(yàn)電路修改可輸出正確的CRC碼1100010。由圖2.9的仿真圖和表2.2的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出,生成的CRC碼為1100010,校驗(yàn)之后CRC碼為1100010。 第3章 編程下載與硬件測(cè)試3.1 編程下載利用COP2000仿真軟件的編程下載功能,將得到.bit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(cè)試及結(jié)果分析利用XCV200實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行硬件功能測(cè)試。CRC碼生成和校驗(yàn)的輸入數(shù)據(jù)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指示燈實(shí)現(xiàn),其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3.1所示。XCV200芯片引腳信號(hào)XCV200實(shí)驗(yàn)板XCV200芯片引腳信號(hào)XCV200實(shí)驗(yàn)板XCV200芯片引腳信號(hào)XCV200實(shí)驗(yàn)板DK1:0Q6A6L6B6AK2:0Q5A5L5B5CLKCLOCKQ4A4L4B4G3K0:3Q3A3L3B3G2KO:2Q2A2L2B2G1K0:1Q1A1L1B
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