基于FPGA的循环冗余校验实验系统的实现

摘要：文章首先分析了循环冗余校验码的功能，在此基础上提出了基于FPGA的实现方法，详细阐述了CRC校验编解码的实现方法，并提出了基于现有的实验箱设备实现小型的CRC校验系统的总体设计框架和设计思路，完成了CRC校验实验系统的设计，充分提高了设备的使用效率。
关键字：循环冗余校验 CRC编解码 实验系统

一、引言
    随着人们对数据业务的需求越来越多，数据通信在近来得到了长足的发展。但是由于通信信道传输特性的不理想和加性噪声的影响，设备之间的数据通信常会发生一些无法预测的错误，为确保高效而无差错的传输数据，降低错误而带来的影响，必须对数据进行差错检测及控制。在诸多检错手段中，循环冗余检测方法(CRC)是非常有效的一种方法。CRC是对传送数据进行校验的特点是：检错能力极强，开销小，易于编程。从其检错能力来看，它所不能发现错误的几率达0．0047％以下，从其性能及开销上均远远优于奇偶校验以及算术和检错等方式。因而，在数据存储和数据通信领域，CRC无处不在。
    FPGA是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，采用了逻辑单元阵列这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I／O模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。因此，FPGA的使用非常灵活。利用FPGA实现CRC校验是一个高效的切实可行的方法。
    在教学过程中，我们尝试利用现有的EDA实验箱设备，设计实现小型的CRC校验系统，拓展设备的功能，提高设备使用效率。

二、系统总体设计
    循环冗余校验CRC是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。它的基本原理是：在K位信息码后再拼接R位的校验码，整个编码长度为N位，因此，这种编码又叫(N，K)码。对于一个给定的(N，K)码，可以证明存在一个最高次幂为N-K=R的多项式G(x)。根据G(x)可以生成K位信息的校验码，而G(x)叫做这个CRC码的生成多项式。
     校验码的具体生成过程为：假设发送信息用信息多项式C(x)表示，将C(x)左移R位，则可表示成C(x)*2R，这样C(x)的右边就会空出R位，这就是校验码的位置。通过C(x)*2R除以生成多项式G(x)得到的余数就是校验码。
    生成多项式是接受方和发送方的一个约定，也就是一个二进制数，在整个传输过程中，这个数始终保持不变。在发送方，利用生成多项式对信息多项式做模2除(异或运算)生成校验码。在接受方利用生成多项式对收到的编码多项式做模2除(异或运算)检测，当被传送信息(CRC
码)任何一位发生错误时，被生成多项式做模2除(异或运算)后应该使余数不为0。
    基于这样的原理，利用FPGA实现的小型的循环冗余校验实验系统可以由五个部分组成：数据输入电路、CRC编码处理电路、CRC解码处理电路、时钟电路、显示电路。作为CRC校验的输入部分，本设计采用通用的数字机械式键盘。本系统显示信息电路采用共阴极8位7段数码管显示码值，使用3-8译码器译码。CRC校验结果提示电路用LED灯显示，方便、简洁。时钟电路使用可调数字信号源产生时钟。编解码处理电路使用FPGA适配器。发送端首先将数据写入设计好的FIFO存储器，然后依次地调出数据进行编码，然后将生成的CRC码发送出去，并给以接收端一个接收信号；接收端收到信号后，开始对接收到的数据进行解码，并将解码信息反馈给发送方。当解码正确时，发送方继续发送下一个数据，当解码错误时，发送方把刚发的数据重新调出，进行编码，发送出去。系统原理图见图1。

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三、系统具体设计
1、CRC编解码的设计
    本系统最主要的部分是CRC编解码的设计。
    首先来讨论编码的设计。本文设计完成12位信息位加5位CRC校验位的通信系统的发送和接收，CRC模块的端口的数据定义如下：
    sdata：12位待发送的信息 datald：sdata的装载信号
    error：误码警告信号 datafini：数据接收完成
    rdata：接收模块接收的12位有效信息数据
    clk：时钟信号
    datacrc：附加5位CRC校验码的17位CRC吗，在生成模块发送，被接收模块接收
    hsend、hrecv：生成、检错模块的握手信号，协调相互之间的关系
    设计的总体思路：首先装载信息位12位数据，取出其中的高6位与生成多项式系数作异或运算，得到的结果取其低5位与原来信息码的低6位并置并在其后补上一个”0”，补足12位，再与生成多项式做同样的异或运算，连续作7次这样的运算，最后得到的异或结果就是CRC校验位。这样通过巧妙的移位运算实现多项式的相除运算。
    部分程序代码的实现如下：

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    解码部分的设计与编码部分类似，不过更加简单，只需要将接收的CRC码直接与发端相同的生成多项式相除，除尽表示没有出现传输差错，直接去掉校验位，就可以得到信息码了。关键的部分代码如下：
   

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2、其他部分的设计
    (1)数据输入电路部分：将其设计成为一个FIFO的数据缓存器，这样做的目的，可以接收源源不断传来的数据，另一方面考虑到可能传输出现差错，可以从缓存将数据调出来重新传输一遍，直到正确传输为止，才删去数据。
    (2)显示电路部分：输入数据与输出数据都可以采用数码管来进行显示，通过数码管显示可以清楚地观察到传输过程中数据传输的准确性。传输过程出现的差错可以由接收端反馈，在发送端可以用LED灯进行提示。
    (3)按键消抖电路部分：由于设计采用开关是机械开关结构，因此在开关切换的瞬间会在接触点出现信号来回弹跳的现象。基于VHDL的按键消抖法主要有三种：电平检测消抖法、定时检测消抖法以及脉宽检测消抖法。本系统采用定时检测消抖法可以进行按键的消抖。
    至于时钟电路，对于数码显示电路而言，需要额外提供一个较高频率的扫描电路，其他的时钟可以用普通的时钟提供。
    实验系统的实物图如下：

四、结束语
    基于以上的系统的架构和主要的设计思想，我们通过两台EDA实验箱完成了CRC循环冗余校验，模拟了现实的完整的包含发送、传输和接收模块的系统，实验证明，系统能够完成CRC校验，拓展了设备的功能，提高了设备的利用率，达到了设计的目的。