USB 3．0中的CRC校验原理及实现

摘要：循环冗余(CRC)是USB协议中重要的错误检测措施。在此分析了USB 3．0数据包的基奉格式以及USB 3．0协议中CRC校验的特点，针对USB 3．0数据高速传输的要求，设计实现并行发送端CRC产生和接收端CRC校验电路，功能仿真结果证明了其有效性。
关键词：USB 3．0；CRC校验；Verilog HDL代码；仿真结果

    在通用串行总线(USB)的数据传输过程中，数据循环冗余校验(CRC)是为了保证数据传输中数据的正确性而采用的数据保护方法。USB 3．0协议中为了检测和减少这类错误，一方面提供了一系列硬件和软件措施，以保证数据传输的正确性；另一方面在每个包中加入检测位来发现这些瞬时的错误。协议中对每个包的控制位和数据位提供了循环冗余校验，若出现了循环冗余码的错误，则认为该包已经损坏。
    本文介绍了USB 3．0设备控制器中的协议层在数据收发时，如何采用并行电路来完成数据包发送时CRC码的产生和接收时CRC码的校验，并行处理方法与常用的串行处理相比，极大地降低了功耗和电路综合的难度。

1 USB 3．0中的CRC校验
    USB 3．0协议规定了4种类型的包：链路管理包(LMP)，传输包(TP)，数据包(DP)和同步时间戳包(ITP)。链路管理包(LMP)只遍历直接连接的端口，主要用于管理该连接。传输包遍历主机和设备路径中的所有链路，用来控制数据包流，配置设备和集线器等，传输包没有数据部分。数据包遍历主机和设备路径中的所有连接。同步时间戳包是一个多播数据包，由主机发送到所有激活的连接。
    USB对所有传输数据的保护采用了CRC校验和数据重传的方式。当通过检错码判断错数据包错误时，发送端通过重发来达到纠错的目的。  USB 3．0数据包由数据包头(DPH)和数据包有效载荷(DPP)两部分组成，DPH类似于一个传输包，DPP中有一个32位CRC(CRC-32)，可以确保数据的完整性。数据包以16 B的数据包头开始(有的包只有包头没有数据部分)，包头含了如何处理该包的信息。一个完整的USB 3．0数据包的格式如图1所示。

    在数据包头(DPH)中，有一个长度为2字节16位的CRC校验码对数据包头的12个字节信息进行保护。在数据部分(DPP)中，包含最大1 024 B的数据，有一个长度为4 B 32 b的CRC校验码对数据部分进行保护。另外，在数据包头中，有2 B的链接控制字(Link Control Word)，其中长度为5位的CRC用来对链接控制字中其他的11位信息进行保护，格式如图2所示。

    在USB 3．0协议中，CRC校验有以下特点：
    (1)在发送端，CRC校验在初始状态时将余数寄存器的值置为全1，如果没有这样的预设置，就不能正确地保护数据包开始为0的数据位。在接收端，也同样将移位寄存器预设为全1状态，以保证接收到的被除数加上一个相同的常数，如果数据传输无误，则余数产生器应该得到相同的余数。
    (2)采用了3种类型的CRC校验：5位、16位和32位CRC校验。5位CRC校验采用的生成多项式为；G(X)=X5+X2+1，如果准确无误地接收到数据，接收端的5位余数应该是01100；16位CRC校验采用的生成多项式为：G(X)=X16+X15+X2+1，接收端的16位余数应该是10000000000001101；32位CRC校验采用的生成多项式为：G(X)=X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7汁X5+X4+X2+X1+1，接收端中的32位余数应该是32’HC704DD 7B。
    (3)发送端对输入的数据作除法运算后，将所得到的余数按位取反，取反后的余数放在待发送数据的高位，组成了新的数据流。接收端CRC校验采用与CRC产生相同的算法来实现，只是作为输入数据的是原始的被除数数据和对应的CRC校验码组成的新数据流。如果接收端的余数与(2)的要求一致，则说明接收端准确无误地接收到了数据。

2 并行CRC校验的设计
    在USB 3．0协议中，数据最高传输速率高达5 Gb／s，串行方法无法满足实时性要求。本文中，CRC校验采用的是并行设计方法。
    在USB 3．0协议中，数据收发是以字节为单位来传输的，所以在发送端和接收端可以通过一个8位移位寄存器将串行数据转换成字节表示形式，然后再对数据进行并行的CRC码产生和校验。

    以链接控制字中的5位CRC为例，发送端并行CRC产生的设计结构如图3所示。计数器用于产生标志信号，计数值为8时串并转换结束。数据暂存寄存器获取字节数据，经组合逻辑计算后产生新的校验寄存器值。并行CRC5的余数多项式表达式如下：

    在接收端，按照和发送端同样的电路，对发送端产生的CRC校验码和输入的数据一并进行CRC校验，如果接收端成功接收，最后得到的CRC校验码为常数(01100)。

3 仿真结果
    发送端和接收端的并行CRC产生和校验设计用Verilog HDL实现，用ModelSim工具进行仿真，发送端并行CRC产生和接收端CRC校验的仿真波形分别如图4和图5所示。在发送端，每输入8个数进行一个并行的CRC5计算，crc_d寄存器的值随发送的数不断更新，直到最后产生一个余数，在接收端将该余数和发送端的数一并进行CRC5校验，最后CRC得到一个常数值01100。

4 结语
    虽然并行方法在电路规模上比申行算法大，但是能够在单位时间内完成更多位数据的校验，可以有效降低电路的工作频率，硬件实现也较容易。USB 3．0数据的最高传输速率高达5 Gb／s，采用并行CRC校验设计完成USB 3．0数据传输中CRC码的产生和校验。可使高速USB串行接口引擎电路方便地与UTMI接口。