基于FPGA的循環(huán)冗余校驗實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)

摘要：文章首先分析了循環(huán)冗余校驗碼的功能，在此基礎上提出了基于FPGA的實現(xiàn)方法，詳細闡述了CRC校驗編解碼的實現(xiàn)方法，并提出了基于現(xiàn)有的實驗箱設備實現(xiàn)小型的CRC校驗系統(tǒng)的總體設計框架和設計思路，完成了CRC校驗實驗系統(tǒng)的設計，充分提高了設備的使用效率。
關鍵字：循環(huán)冗余校驗 CRC編解碼 實驗系統(tǒng)

一、引言
隨著人們對數(shù)據(jù)業(yè)務的需求越來越多，數(shù)據(jù)通信在近來得到了長足的發(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，設備之間的數(shù)據(jù)通信常會發(fā)生一些無法預測的錯誤，為確保高效而無差錯的傳輸數(shù)據(jù)，降低錯誤而帶來的影響，必須對數(shù)據(jù)進行差錯檢測及控制。在諸多檢錯手段中，循環(huán)冗余檢測方法(CRC)是非常有效的一種方法。CRC是對傳送數(shù)據(jù)進行校驗的特點是：檢錯能力極強，開銷小，易于編程。從其檢錯能力來看，它所不能發(fā)現(xiàn)錯誤的幾率達0．0047％以下，從其性能及開銷上均遠遠優(yōu)于奇偶校驗以及算術(shù)和檢錯等方式。因而，在數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信領域，CRC無處不在。
FPGA是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物，采用了邏輯單元陣列這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線三個部分。用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I／O模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復編程和動態(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編程來修改。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自的設計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗證設計的正確性。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。利用FPGA實現(xiàn)CRC校驗是一個高效的切實可行的方法。
在教學過程中，我們嘗試利用現(xiàn)有的EDA實驗箱設備，設計實現(xiàn)小型的CRC校驗系統(tǒng)，拓展設備的功能，提高設備使用效率。

二、系統(tǒng)總體設計
循環(huán)冗余校驗CRC是數(shù)據(jù)通信領域中最常用的一種差錯校驗碼，其特征是信息字段和校驗字段的長度可以任意選定。它的基本原理是：在K位信息碼后再拼接R位的校驗碼，整個編碼長度為N位，因此，這種編碼又叫(N，K)碼。對于一個給定的(N，K)碼，可以證明存在一個最高次冪為N-K=R的多項式G(x)。根據(jù)G(x)可以生成K位信息的校驗碼，而G(x)叫做這個CRC碼的生成多項式。
校驗碼的具體生成過程為：假設發(fā)送信息用信息多項式C(x)表示，將C(x)左移R位，則可表示成C(x)*2R，這樣C(x)的右邊就會空出R位，這就是校驗碼的位置。通過C(x)*2R除以生成多項式G(x)得到的余數(shù)就是校驗碼。
生成多項式是接受方和發(fā)送方的一個約定，也就是一個二進制數(shù)，在整個傳輸過程中，這個數(shù)始終保持不變。在發(fā)送方，利用生成多項式對信息多項式做模2除(異或運算)生成校驗碼。在接受方利用生成多項式對收到的編碼多項式做模2除(異或運算)檢測，當被傳送信息(CRC
碼)任何一位發(fā)生錯誤時，被生成多項式做模2除(異或運算)后應該使余數(shù)不為0。
基于這樣的原理，利用FPGA實現(xiàn)的小型的循環(huán)冗余校驗實驗系統(tǒng)可以由五個部分組成：數(shù)據(jù)輸入電路、CRC編碼處理電路、CRC解碼處理電路、時鐘電路、顯示電路。作為CRC校驗的輸入部分，本設計采用通用的數(shù)字機械式鍵盤。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校驗結(jié)果提示電路用LED燈顯示，方便、簡潔。時鐘電路使用可調(diào)數(shù)字信號源產(chǎn)生時鐘。編解碼處理電路使用FPGA適配器。發(fā)送端首先將數(shù)據(jù)寫入設計好的FIFO存儲器，然后依次地調(diào)出數(shù)據(jù)進行編碼，然后將生成的CRC碼發(fā)送出去，并給以接收端一個接收信號；接收端收到信號后，開始對接收到的數(shù)據(jù)進行解碼，并將解碼信息反饋給發(fā)送方。當解碼正確時，發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)，當解碼錯誤時，發(fā)送方把剛發(fā)的數(shù)據(jù)重新調(diào)出，進行編碼，發(fā)送出去。系統(tǒng)原理圖見圖1。