CRC碼生成與校驗電路課程設(shè)計仲崇巖

1、沈陽航空航天大學(xué)課課 程程 設(shè)設(shè) 計計 報報 告告課程設(shè)計名稱：計算機組成原理課程設(shè)計計算機組成原理課程設(shè)計課程設(shè)計題目：CRC 碼生成與校驗電路的設(shè)計碼生成與校驗電路的設(shè)計 院（系）：計算機學(xué)院專 業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)班 級：34010106學(xué) 號：2013040101270姓 名：仲崇巖指導(dǎo)教師：施國君完成日期：2016年1月13日沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -2-目目 錄錄第第 1 章章 總體設(shè)計方案總體設(shè)計方案.31.1 設(shè)計原理.31.2 設(shè)計思路.41.3 設(shè)計環(huán)境.5第第 2 章章 詳細設(shè)計方案詳細設(shè)計方案.72.1 頂層方案圖的設(shè)計與實現(xiàn).7 2.1.1 創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計文件

2、.7 2.1.2 編譯、綜合、適配.82.2 功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn).8 2.2.1 模 2 除法器的設(shè)計與實現(xiàn).8 2.2.2 移位寄存器的設(shè)計與實現(xiàn).102.3 仿真調(diào)試.11參考文獻參考文獻.14附附 錄（電路原理圖）錄（電路原理圖）.15沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -3-第 1 章 總體設(shè)計方案1.1設(shè)計原理設(shè)計原理循環(huán)冗余校驗碼(cyclic redundancy check,CRC)簡稱為循環(huán)碼或 CRC 碼。二進制信息沿一條信號線逐位在設(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與糾錯。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

3、校驗碼，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 位校驗碼，并根據(jù)總長度為 n 的 CRC 碼進行糾錯。圖圖 1.1設(shè)被校驗的數(shù)據(jù)是一個 k 位的二進制代碼，將0121.DDDDDkk它表示為一個(k-1)階的多項式 (1-1)0112211.)(DxDxDxDxMkkkk多項式(1-1)中的系數(shù) D 的取值為 0 或 1，與被校驗的數(shù)據(jù) M 一一對應(yīng)；式中的 x 是一個偽變量，用指明各位的位置。ix設(shè)校驗碼 P 長度為 r，將被校驗數(shù)據(jù) D 左移 r 位后的結(jié)果為位rkkDDDD00.00.0121將 D 左移 r 位

4、的目的是給 D 右邊添加 r 個 0，形成(k+r)位長度二進制代碼，其多項式形式為 M(x)。如圖 1.1 所示，CRC 碼由 k 位數(shù)據(jù) D 和 r 位校驗碼rxP 組成，求校驗碼 P 的多項式 R(X)的方法如下： (1-2)()()()()(xGxRxQxGxxMr沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -4-Q(x)是商，R(x)是余數(shù)，R(x)所對應(yīng)的二進制代碼是校驗碼 P?？梢宰C明存在一個最高次冪為 n- k=r 的多項式 G(x) ,即式(1-2)中 G(x),稱為生成多項式。 由式(1-2)可以推導(dǎo)出 (1-3)()()()(xMxGxRxxMr由式(1-3)可知，CRC 碼可被 G(

5、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誤發(fā)生，若出現(xiàn)一位錯，根據(jù)余數(shù)與出錯位一一對應(yīng)的關(guān)系，可利用余數(shù)對錯誤碼進行定位。因此，接收方可根據(jù)表 1.1 發(fā)現(xiàn)并糾正 1 位錯。 表表 1.1 循環(huán)校驗碼的出錯模式循環(huán)校驗碼的出錯模式1.2設(shè)計思路設(shè)計思路根據(jù)題目要求，信息位 k=4，r=n-k=3 可知本次實驗主要是完成(7,4)碼的生成和校驗。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

6、，與生成多項式 G(x)做模 2 除法，并將得到的 3 位余數(shù)Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0余數(shù)出錯位正確1100010000無1100011001Q01100000010Q11100110100Q21101010011Q31110010110Q41000010111Q5錯誤0100010101Q6沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -5-與 4 位信息碼拼接成 7 位 CRC 碼。校驗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

7、位，并將譯碼結(jié)果與移位寄存器的輸出結(jié)果進行異或，便得到糾正后的正確結(jié)果。CRC 碼生成與校驗電路主要包括兩個部分：1.生成電路。由移位寄存器接收數(shù)據(jù)并進行移位，生成多項式由開關(guān)直接送入，輸入數(shù)據(jù)與生成多項式通過模 2 除法器最終生成 CRC 碼。2.校驗電路。原理類似生成電路，校驗電路中增加了 3-8 譯碼器。3-8 譯碼器與異或門共同完成對信息碼的的校驗與糾正，最后輸出校驗后的信息碼。本設(shè)計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 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)計環(huán)境

8、設(shè)計環(huán)境EDA 環(huán)境： Xilinx foundation f3.1 設(shè)計軟件設(shè)計軟件Xilinx foundation f3.1 是 Xilinx 公司的可編程期間開發(fā)工具，該平臺（如圖1.2 所示）功能強大，主要用于百萬邏輯門設(shè)計。該系統(tǒng)由設(shè)計入口工具、設(shè)計實現(xiàn)工具、設(shè)計驗證工具三大部分組成。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -6-圖圖 1.2 Xilinx foundation f3.1 設(shè)計平臺設(shè)計平臺沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -7-第 2 章 詳細設(shè)計方案2.1 頂層方案圖的設(shè)計與實現(xiàn)頂層方案圖的設(shè)計與實現(xiàn)頂層方案圖實現(xiàn) CRC 碼的生成與校驗的邏輯功能，采用原理圖設(shè)計輸入方式完成，

9、電路實現(xiàn)基于 XCV200 可編程邏輯芯片。在完成原理圖的功能設(shè)計后，把輸入/輸出信號安排到 XCV200 指定的引腳上去，實現(xiàn)芯片的引腳鎖定。2.1.1 創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計文件創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計文件頂層圖形文件的設(shè)計實體主要由 CRC 碼生成電路與 CRC 碼校驗電路組成。生成電路主要由移位寄存器元件-U3、模 2 除法器元件-U4 構(gòu)成。如圖 2.1 所示。圖圖 2.1 CRC 碼生成電路圖碼生成電路圖校驗電路主要由移位寄存器元件-U9、模 2 除法器-U8，3-8 譯碼器，異或門-XOR2 構(gòu)成。如圖 2.2 所示。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -8-圖圖 2.2 CRC 碼校驗電路圖碼校驗

10、電路圖 2.1.2 編譯、綜合、適配編譯、綜合、適配利用 Xilinx foundation f3.1 的原理圖編輯器對頂層圖形文件進行編譯，并最終生成網(wǎng)絡(luò)表文件，利用設(shè)計實現(xiàn)工具經(jīng)綜合、優(yōu)化、適配，生成可供時序仿真的文件和器件下載編程文件。2.2 功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)CRC 碼的生成與校驗電路是基于移位寄存器和模 2 除法器及異或門實現(xiàn)的。2.2.1 模模 2 除法器的設(shè)計與實現(xiàn)除法器的設(shè)計與實現(xiàn)模 2 加定義：即按位加，可用異或邏輯實現(xiàn)。模 2 加同模 2 減結(jié)果相同，即01=1，10=1，00=0，11=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

11、分余數(shù)減少一位。上商原則是：當部分余數(shù)的位數(shù)多于除數(shù)時，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(7,4)校驗碼，可采用圖 2.3 所示電路，產(chǎn)生 3 位的余數(shù) Q2、Q1、Q0。圖中的模 2 減用異或門實現(xiàn)，左移一位由移位寄存器實現(xiàn)；用異或門的輸出控制左邊一位寄存器的 D 輸入端，可同時實現(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，當其為 1 時，減沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -9-去的數(shù)就是生成多項式 G(x)，為 0 時減去的就是 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)計過程如下:（1）創(chuàng)建控

12、制器設(shè)計原理圖。創(chuàng)建控制器設(shè)計原理圖。模 2 除法器原理圖如圖 2.3 所示。 圖圖 2.3 模模 2 除法器的原理框圖除法器的原理框圖（2）創(chuàng)建元件圖形符號）創(chuàng)建元件圖形符號為能在圖形編輯器(原理圖設(shè)計輸入方式)中調(diào)用 MO2 芯片，需要為 MO2 模塊創(chuàng)建一個元件圖形符號，可利用 Xilinx foundation f3.1 編譯器中的如下步驟實現(xiàn)：Tools=Symbol Wizard=下一步。CLK、D、G0、G1、G2、G3 是輸入信號，Q3、Q2、Q1 是輸出信號。其元件圖形符號如圖 2.4 所示：圖圖 2.4 模模 2 除法器元件圖形符號除法器元件圖形符號（3）功能仿真）功能仿真

13、對創(chuàng)建的控制器模塊進行功能仿真，驗證其功能的正確性，可用 Xilinx沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -10- Foundation f3.1 編譯器 Simulator 模塊實現(xiàn)。D 端串行輸入數(shù)據(jù) 1100000，得到余數(shù) Q3、Q2、Q1 為 010。仿真結(jié)果如圖 2.5 所示：圖圖 2.5 模模 2 除法器仿真結(jié)果除法器仿真結(jié)果2.2.2 移位寄存器的設(shè)計與實現(xiàn)移位寄存器的設(shè)計與實現(xiàn)該模塊由 8 個 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。每過一個時鐘脈沖，輸入的數(shù)據(jù)左移一位，經(jīng)過 7 個脈沖后，由 7 個 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

14、設(shè)計原理圖。創(chuàng)建控制器設(shè)計原理圖。移位寄存器的原理框圖如圖 2.6 所示。圖圖 2.6 移位寄存器的原理框圖移位寄存器的原理框圖（2）創(chuàng)建元件圖形符號）創(chuàng)建元件圖形符號為能在圖形編輯器（原理圖設(shè)計輸入方式）中調(diào)用 YIWEI 芯片，需要為YIWEI 模塊創(chuàng)建一個元件圖形符號，可利用 Xilinx foundation f3.1 編譯器中的如下步驟實現(xiàn)：Tools=Symbol Wizard=下一步。CLK、D 是輸入信號，Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6 是輸出信號。其元件圖形符號如圖 2.7 所示：沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -11-圖圖 2.7 移位寄存器器元件圖形符號移位寄存器

15、器元件圖形符號（3）功能仿真）功能仿真對創(chuàng)建的控制器模塊進行功能仿真，驗證其功能的正確性，可用 Xilinx Foundation f3.1 編譯器 Simulator 模塊實現(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：圖圖 2.8 移位寄存器仿真結(jié)果移位寄存器仿真結(jié)果2.3 仿真調(diào)試仿真調(diào)試仿真調(diào)試主要驗證設(shè)計電路邏輯功能、時序的正確性，本設(shè)計中主要采用功能仿真方法對設(shè)計的電路進行仿真。（1）建立仿真波形文件及仿真信號選擇）建立仿真波形文件及仿真信號選擇功能仿真時，首先建立仿真波形文件，添加仿真信號，對選定的輸入信號設(shè)置參數(shù)，選定的仿真信號和設(shè)

16、置的參數(shù)如表 2.2 所示。仿真時 D 輸入信息碼1100000,A 輸入循環(huán)校驗碼 1100000,G0,G1,G2,G3 輸入生成多項式 1011。（2）功能仿真結(jié)果與分析）功能仿真結(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。對表 2.2 與表沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -12-1.1 的內(nèi)容進行對比，可以看出功能仿真結(jié)果是正確的，進而說明電路設(shè)計的正確性。圖圖2.9 功能仿真波形結(jié)果功能仿真波形結(jié)果DACLOCKQ6Q5Q4Q3Q2Q1Q0T6T5T4T3T2T1T01110000001000000011100000010001011001000011

17、0001011000100011110101100001001110110110000010110001011000100111000101100010表表 2.2 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果仿真數(shù)據(jù)結(jié)果沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -13- 輸入信息碼為：1100000，生成多項式為：1011，應(yīng)用模 2 除法器可以求出三位余數(shù)為 010 然后把余數(shù)和信息碼拼接可以得到 CRC 編碼為：1100010 輸入需要校驗的 CRC 碼為：1100000，生成多項式位：1011，可以求得三位余數(shù)位 010 因為余數(shù)不為 000，可以判斷出接受到的循環(huán)校驗碼是錯的，并且錯誤位在 Q1。通過校驗電路修改可輸出正確的

18、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，校驗之后 CRC碼為 1100010。 沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -14-參考文獻1 曹昕燕. EDA 技術(shù)實驗與課程設(shè)計M.北京：清華大學(xué)出版社，20062 范延濱.微型計算機系統(tǒng)原理、接口與 EDA 設(shè)計技術(shù)M.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006 3 愛英.計算機組成與結(jié)構(gòu)(第 4 版)M.北京：清華大學(xué)出版社，20064潘松，黃繼業(yè).EDA 技術(shù)使用教程.北京：科學(xué)出版社，20025胡越明.2002.計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu).北京：電子工業(yè)出版社6王煒.2006.計算機組成與設(shè)計實驗教程.北京：科學(xué)出版社沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -15-附 錄（電路原理圖）沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計報告 -16-課程設(shè)計總結(jié)：課程設(shè)計總結(jié)：作為本學(xué)期收尾工作，我積極的要把這份工作做好。本學(xué)期開設(shè)的計算機組成原理課程，讓我不但從概念上掌握了計算機內(nèi)部的工作機制，并且能夠?qū)W以致用，自主完成這次課程設(shè)計。當然，成績的背后，老師的授業(yè)解惑是至關(guān)重要的。這次課程設(shè)計的任務(wù)是做 CRC 碼生成與校驗電路的設(shè)計。從初步構(gòu)思到一步步完善直到最后完成整個課程設(shè)計，讓我更好的鞏固了自己所學(xué)的知識。翻閱圖書