摘要：文章首先分析了循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的功能，在此基礎(chǔ)上提出了基于FPGA的實(shí)現(xiàn)方法，詳細(xì)闡述了CRC校驗(yàn)編解碼的實(shí)現(xiàn)方法，并提出了基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)箱設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型的CRC校驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架和設(shè)計(jì)思路，完成了CRC校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分提高了設(shè)備的使用效率。
關(guān)鍵字：循環(huán)冗余校驗(yàn) CRC編解碼 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

一、引言
    隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越多，數(shù)據(jù)通信在近來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。但是由于通信信道傳輸特性的不理想和加性噪聲的影響，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信常會(huì)發(fā)生一些無(wú)法預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤，為確保高效而無(wú)差錯(cuò)的傳輸數(shù)據(jù)，降低錯(cuò)誤而帶來(lái)的影響，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)及控制。在諸多檢錯(cuò)手段中，循環(huán)冗余檢測(cè)方法(CRC)是非常有效的一種方法。CRC是對(duì)傳送數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)的特點(diǎn)是：檢錯(cuò)能力極強(qiáng)，開(kāi)銷(xiāo)小，易于編程。從其檢錯(cuò)能力來(lái)看，它所不能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的幾率達(dá)0．0047％以下，從其性能及開(kāi)銷(xiāo)上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于奇偶校驗(yàn)以及算術(shù)和檢錯(cuò)等方式。因而，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，CRC無(wú)處不在。
    FPGA是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，采用了邏輯單元陣列這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線(xiàn)三個(gè)部分。用戶(hù)可對(duì)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I／O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過(guò)傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語(yǔ)言自的設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。通過(guò)軟件仿真，我們可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。利用FPGA實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)是一個(gè)高效的切實(shí)可行的方法。
    在教學(xué)過(guò)程中，我們嘗試?yán)矛F(xiàn)有的EDA實(shí)驗(yàn)箱設(shè)備，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小型的CRC校驗(yàn)系統(tǒng)，拓展設(shè)備的功能，提高設(shè)備使用效率。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，其特征是信息字段和校驗(yàn)字段的長(zhǎng)度可以任意選定。它的基本原理是：在K位信息碼后再拼接R位的校驗(yàn)碼，整個(gè)編碼長(zhǎng)度為N位，因此，這種編碼又叫(N，K)碼。對(duì)于一個(gè)給定的(N，K)碼，可以證明存在一個(gè)最高次冪為N-K=R的多項(xiàng)式G(x)。根據(jù)G(x)可以生成K位信息的校驗(yàn)碼，而G(x)叫做這個(gè)CRC碼的生成多項(xiàng)式。
     校驗(yàn)碼的具體生成過(guò)程為：假設(shè)發(fā)送信息用信息多項(xiàng)式C(x)表示，將C(x)左移R位，則可表示成C(x)*2R，這樣C(x)的右邊就會(huì)空出R位，這就是校驗(yàn)碼的位置。通過(guò)C(x)*2R除以生成多項(xiàng)式G(x)得到的余數(shù)就是校驗(yàn)碼。
    生成多項(xiàng)式是接受方和發(fā)送方的一個(gè)約定，也就是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，在整個(gè)傳輸過(guò)程中，這個(gè)數(shù)始終保持不變。在發(fā)送方，利用生成多項(xiàng)式對(duì)信息多項(xiàng)式做模2除(異或運(yùn)算)生成校驗(yàn)碼。在接受方利用生成多項(xiàng)式對(duì)收到的編碼多項(xiàng)式做模2除(異或運(yùn)算)檢測(cè)，當(dāng)被傳送信息(CRC
碼)任何一位發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，被生成多項(xiàng)式做模2除(異或運(yùn)算)后應(yīng)該使余數(shù)不為0。
    基于這樣的原理，利用FPGA實(shí)現(xiàn)的小型的循環(huán)冗余校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以由五個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)輸入電路、CRC編碼處理電路、CRC解碼處理電路、時(shí)鐘電路、顯示電路。作為CRC校驗(yàn)的輸入部分，本設(shè)計(jì)采用通用的數(shù)字機(jī)械式鍵盤(pán)。本系統(tǒng)顯示信息電路采用共陰極8位7段數(shù)碼管顯示碼值，使用3-8譯碼器譯碼。CRC校驗(yàn)結(jié)果提示電路用LED燈顯示，方便、簡(jiǎn)潔。時(shí)鐘電路使用可調(diào)數(shù)字信號(hào)源產(chǎn)生時(shí)鐘。編解碼處理電路使用FPGA適配器。發(fā)送端首先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入設(shè)計(jì)好的FIFO存儲(chǔ)器，然后依次地調(diào)出數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后將生成的CRC碼發(fā)送出去，并給以接收端一個(gè)接收信號(hào)；接收端收到信號(hào)后，開(kāi)始對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并將解碼信息反饋給發(fā)送方。當(dāng)解碼正確時(shí)，發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)解碼錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)送方把剛發(fā)的數(shù)據(jù)重新調(diào)出，進(jìn)行編碼，發(fā)送出去。系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。

三、系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)
1、CRC編解碼的設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)最主要的部分是CRC編解碼的設(shè)計(jì)。
    首先來(lái)討論編碼的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)完成12位信息位加5位CRC校驗(yàn)位的通信系統(tǒng)的發(fā)送和接收，CRC模塊的端口的數(shù)據(jù)定義如下：
    sdata：12位待發(fā)送的信息 datald：sdata的裝載信號(hào)
    error：誤碼警告信號(hào) datafini：數(shù)據(jù)接收完成
    rdata：接收模塊接收的12位有效信息數(shù)據(jù)
    clk：時(shí)鐘信號(hào)
    datacrc：附加5位CRC校驗(yàn)碼的17位CRC嗎，在生成模塊發(fā)送，被接收模塊接收
    hsend、hrecv：生成、檢錯(cuò)模塊的握手信號(hào)，協(xié)調(diào)相互之間的關(guān)系
    設(shè)計(jì)的總體思路：首先裝載信息位12位數(shù)據(jù)，取出其中的高6位與生成多項(xiàng)式系數(shù)作異或運(yùn)算，得到的結(jié)果取其低5位與原來(lái)信息碼的低6位并置并在其后補(bǔ)上一個(gè)”0”，補(bǔ)足12位，再與生成多項(xiàng)式做同樣的異或運(yùn)算，連續(xù)作7次這樣的運(yùn)算，最后得到的異或結(jié)果就是CRC校驗(yàn)位。這樣通過(guò)巧妙的移位運(yùn)算實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)式的相除運(yùn)算。
    部分程序代碼的實(shí)現(xiàn)如下：

    解碼部分的設(shè)計(jì)與編碼部分類(lèi)似，不過(guò)更加簡(jiǎn)單，只需要將接收的CRC碼直接與發(fā)端相同的生成多項(xiàng)式相除，除盡表示沒(méi)有出現(xiàn)傳輸差錯(cuò)，直接去掉校驗(yàn)位，就可以得到信息碼了。關(guān)鍵的部分代碼如下：
   


2、其他部分的設(shè)計(jì)
    (1)數(shù)據(jù)輸入電路部分：將其設(shè)計(jì)成為一個(gè)FIFO的數(shù)據(jù)緩存器，這樣做的目的，可以接收源源不斷傳來(lái)的數(shù)據(jù)，另一方面考慮到可能傳輸出現(xiàn)差錯(cuò)，可以從緩存將數(shù)據(jù)調(diào)出來(lái)重新傳輸一遍，直到正確傳輸為止，才刪去數(shù)據(jù)。
    (2)顯示電路部分：輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)都可以采用數(shù)碼管來(lái)進(jìn)行顯示，通過(guò)數(shù)碼管顯示可以清楚地觀察到傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。傳輸過(guò)程出現(xiàn)的差錯(cuò)可以由接收端反饋，在發(fā)送端可以用LED燈進(jìn)行提示。
    (3)按鍵消抖電路部分：由于設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)是機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，因此在開(kāi)關(guān)切換的瞬間會(huì)在接觸點(diǎn)出現(xiàn)信號(hào)來(lái)回彈跳的現(xiàn)象。基于VHDL的按鍵消抖法主要有三種：電平檢測(cè)消抖法、定時(shí)檢測(cè)消抖法以及脈寬檢測(cè)消抖法。本系統(tǒng)采用定時(shí)檢測(cè)消抖法可以進(jìn)行按鍵的消抖。
    至于時(shí)鐘電路，對(duì)于數(shù)碼顯示電路而言，需要額外提供一個(gè)較高頻率的掃描電路，其他的時(shí)鐘可以用普通的時(shí)鐘提供。
    實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物圖如下：

四、結(jié)束語(yǔ)
    基于以上的系統(tǒng)的架構(gòu)和主要的設(shè)計(jì)思想，我們通過(guò)兩臺(tái)EDA實(shí)驗(yàn)箱完成了CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)，模擬了現(xiàn)實(shí)的完整的包含發(fā)送、傳輸和接收模塊的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)能夠完成CRC校驗(yàn)，拓展了設(shè)備的功能，提高了設(shè)備的利用率，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。